GIS局部放電的SF6分解物的檢測(cè)方法

GIS局部放電的SF6分解物的檢測(cè)方法

莫亦驊, 張周勝

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:SF6分解物檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)局部放電方面,具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),具有良好應(yīng)用前景.從檢測(cè)原理到檢測(cè)手段,介紹了SF6分解物檢測(cè)的各種方法,著重對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納和橫向比較,并對(duì)存在的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析與討論.

關(guān)鍵詞：氣體絕緣組合電器; 局部放電; SF6分解物

收稿日期：2014-09-24

作者簡(jiǎn)介：通訊莫亦驊(1990-)，男， 在讀碩士，浙江紹興人.主要研究方向?yàn)镾F6氣體分解物的光聲光譜分析系統(tǒng).E-mail:saiyaer_myh@163.com.

基金項(xiàng)目：上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(13DZ2251900).

中圖分類(lèi)號(hào)：TM855;TM595文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

GISPartialDischargeDetectionMethodsofSF6Decomposition Products

MOYihua,ZHANGZhousheng

(School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:SF6 decomposition detection technology,in terms of detecting partial discharge(PD),has strong anti-interference ability,high precision,and can realize online monitoring and other advantages,and thus owns a good application prospect.Various kinds of SF6 decomposition detection methods are introduced,which are based on detection principle.Detection means and the advantages and disadvantages of detection methods are summarized.At the same time,some key problems of the method are analyzed and discussed.

Keywords:GIS;partialdischarge;sixsulfurfluoridedecompositionproducts

隨著我國(guó)輸變電系統(tǒng)的電壓等級(jí)越來(lái)越高,電力傳輸和變電容量越來(lái)越大,這對(duì)電氣設(shè)備提出了更高的要求.氣體絕緣組合電器(GIS)因其占地面積小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),在高壓超高壓特高壓電網(wǎng)被廣泛使用.因此,研究GIS的故障報(bào)警診斷就顯得尤為重要.

局部放電作為一種故障隱患,現(xiàn)有的檢測(cè)方法有脈沖電流法、超聲波法、光測(cè)法、超/特高頻法等,但都有其弊端.脈沖電流法、超聲波法和光測(cè)法的抗干擾能力弱,精度不高,且超聲波法與光測(cè)法不能標(biāo)定放電量.雖然超高頻法具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但其模式識(shí)別和放電量標(biāo)定方面都存在問(wèn)題.相比之下,六氟化硫(SF6)分解物檢測(cè)法具有直接、受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn).該方法的檢測(cè)對(duì)象直接來(lái)自于GIS氣室內(nèi)部,檢測(cè)結(jié)果可以直接反應(yīng)該時(shí)間節(jié)點(diǎn)下GIS的工作狀態(tài).此外,不同于基于電磁物理信號(hào)的檢測(cè)法,SF6分解物檢測(cè)法的抗干擾能力強(qiáng),可以跟蹤組分含量和產(chǎn)氣率差別,還可以判斷出故障類(lèi)型和嚴(yán)重程度,與高靈敏度的傳感器相連,進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量.

國(guó)外對(duì)SF6分解物檢測(cè)法的研究最早要追溯到19世紀(jì),SCHUMB等人進(jìn)行了局部放電(PD)下SF6的分解研究,在一個(gè)玻璃容器中放置電極,進(jìn)行PD分解.放電電流為50~200 μA,持續(xù)200 h,發(fā)現(xiàn)分解物為SF4，SF2，S2F2.[1]BARTAKOVA用針板極產(chǎn)生PD進(jìn)行實(shí)驗(yàn),檢測(cè)到分解產(chǎn)物為SF4,S2F10,SOF2,SO2.同時(shí)，BRUNT Vant等人制作了小電流的高度局部化的不銹鋼針板電極模型,用以產(chǎn)生PD,并用氣相色譜質(zhì)譜儀進(jìn)行分析,得出PD下SO2F2，SOF2，SOF4是SF6分解生成最多的氟氧化物.CHU測(cè)量了SOF2與SO2F2的產(chǎn)氣率,發(fā)現(xiàn)兩者的含量接近.KWSUMOTO則在PD分解物中檢測(cè)到了HF.國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究起步較晚,1994年姚唯建等人提出將氣體分析法用作檢測(cè)SF6電氣設(shè)備,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,認(rèn)為若分解物中檢測(cè)出CF4,基本可以確定為固體絕緣存在問(wèn)題.中國(guó)電力科學(xué)研究院自2006年起牽頭承擔(dān)了國(guó)家電網(wǎng)公司立項(xiàng)的多個(gè)SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方面的科技項(xiàng)目,[2]并在國(guó)網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備隱患排查中成功實(shí)現(xiàn)多起設(shè)備潛在性故障預(yù)判.重慶大學(xué)的唐炬等人[3]對(duì)4種GIS典型絕緣缺陷進(jìn)行了大量的局部放電試驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取了特征氣體,并對(duì)其組分含量比值范圍進(jìn)行了編碼,以此檢測(cè)GIS內(nèi)部絕緣故障.

1局部放電的SF6分解物檢測(cè)原理

GIS缺陷故障分為內(nèi)部故障和外部故障兩種.常見(jiàn)故障主要來(lái)自于GIS內(nèi)部,例如氣體泄露、水分含量高、盆式絕緣子受損等.其中，引起PD的又以絕緣缺陷最為常見(jiàn).常見(jiàn)的絕緣缺陷有金屬突出物、自由導(dǎo)電微粒、絕緣子表面污穢和絕緣子氣隙等，這些常見(jiàn)的缺陷會(huì)引起局部放電、火花放電、設(shè)備過(guò)熱等故障.[4]

研究SF6氣體分解物的最終目的之一是判斷GIS內(nèi)部是否發(fā)生故障,以及對(duì)故障的放電類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別.而SF6氣體在不同放電環(huán)境下,其分解產(chǎn)物也是不同的,如表1所示.[5]

表1　 GIS常見(jiàn)故障及 SF 6主要分解物

根據(jù)表1中分解物之間組分的差異,或者特征氣體的含量、產(chǎn)氣速率的差異都可以進(jìn)行故障缺陷的識(shí)別.[5-8]若能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè),則理論上可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GIS內(nèi)部SF6氣體的狀況,及時(shí)預(yù)警和報(bào)警,降低GIS的維修費(fèi)用,更好地保護(hù)GIS.

在PD環(huán)境下,SF6氣體的分解環(huán)境更為復(fù)雜,由于放電強(qiáng)度低于電弧放電、火花放電,其分解物含量也較低,體積分?jǐn)?shù)通常都在10-6數(shù)量級(jí).而且SF6能與GIS氣室內(nèi)微水微氧反應(yīng),生成一系列產(chǎn)物.研究表明，很多環(huán)境因素會(huì)影響SF6的分解情況，[4]比如電極材料、放電能量等.另外，不同GIS缺陷引起的局部放電,在分解產(chǎn)物組分、產(chǎn)氣速率、含量等方面也會(huì)存在差異,這就要求在PD環(huán)境下檢測(cè)分解物的設(shè)備要足夠靈敏精確,技術(shù)手段要足夠科學(xué)先進(jìn).

2檢測(cè)方法的選取與分析

SF6氣體分解物的含量較低,且很多組分不是常見(jiàn)物,因此對(duì)其進(jìn)行定量檢測(cè)有一定難度.國(guó)內(nèi)外有多種方法用以檢測(cè)SF6分解物,[9-13]每種方法都具有其優(yōu)勢(shì),同時(shí)也存在局限性.

2.1　電化學(xué)傳感器法

電化學(xué)傳感器是通過(guò)傳感器電極與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)的原理來(lái)工作的.氣體首先通過(guò)毛管型微孔被傳感器捕獲,然后經(jīng)憎水屏障,到達(dá)傳感電極表面.針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料可催化氣體與電極反應(yīng).連接電極間的電阻會(huì)產(chǎn)生電流,該電流與被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)成正比.測(cè)量該電流或相應(yīng)的電壓信號(hào)便可確定氣體的體積分?jǐn)?shù).相比于其他方法,電化學(xué)傳感器法具有響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但也存在缺陷,例如交叉干擾、零漂及溫漂、壽命不長(zhǎng)等,因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)須定期校準(zhǔn)檢測(cè)儀器.目前,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多的傳感器主要為SO2氣體傳感器、H2S氣體傳感器、CO氣體傳感器和HF氣體傳感器,但HF缺乏標(biāo)準(zhǔn)氣體,其定性和定量存在一定的困難.

2.2　化學(xué)檢測(cè)管法

化學(xué)檢測(cè)管法是檢測(cè)人員從高壓電氣設(shè)備中直接獲得一定量的SF6氣體,分別通過(guò)SO2和HF檢測(cè)管.這些分解產(chǎn)物會(huì)在檢測(cè)管中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),改變?cè)噭╊伾?檢測(cè)人員可根據(jù)變色柱的長(zhǎng)短,定量地讀出SF6氣體中SO2和HF的濃度.這種方法檢測(cè)簡(jiǎn)便、量程范圍大、快速經(jīng)濟(jì)、攜帶方便，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中應(yīng)用較廣.但由于檢測(cè)精度低,存在交叉干擾,筆者推薦用于粗測(cè),以初步估測(cè)氣體含量范圍.

論專(zhuān)利獨(dú)占被許可人的訴權(quán) ..................................張 軼 01.19

2.3　氣相色譜法

氣相色譜法(GC)是IEC60480—2004和GB/T18867—2002共同推薦的檢測(cè)方法，[9]也是目前國(guó)內(nèi)外用于SF6放電分解氣體組分檢測(cè)的常用方法.當(dāng)分解物氣體作為樣品送入進(jìn)樣器后,被載氣攜帶進(jìn)入色譜柱.由于樣品中各組分在色譜柱中的流動(dòng)相(氣相)和固定相(液相或固相)間分配或吸附系數(shù)的差異,在載氣的作用下,各個(gè)組分在兩相間反復(fù)多次自由分配,使其在色譜柱中得以分離,然后通過(guò)接在柱后面的檢測(cè)器依據(jù)組分的理化特性,將各個(gè)組分按順序檢測(cè)出來(lái).氣相色譜儀可以同時(shí)檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)低至10-6級(jí)的CF4，SF6，SO2F2，SOF2，SO2，H2O等氣體.氣相色譜法具有檢測(cè)組分多、檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),目前主要用于實(shí)驗(yàn)室分析.

而便攜式色譜雖可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),但其本身存在取樣和分析過(guò)程中可能混入水分、氧氣導(dǎo)致一些組分水解、氧化的問(wèn)題，且對(duì)SO2F2和SO2的檢測(cè)比較困難,不能檢測(cè)HF和局部放電主要成分之一的SOF4.同時(shí)，氣相色譜檢測(cè)法中色譜進(jìn)樣的特性決定了其檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng),不能進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè).此外，溫度對(duì)色譜柱分離效果的影響很大,而且色譜柱使用一段時(shí)間后需要清洗的特點(diǎn)決定了氣相色譜技術(shù)對(duì)環(huán)境的要求較高,不適用于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè).

2.4　紅外光譜法

紅外光譜法[14]是基于不同材料物質(zhì)會(huì)選擇性地吸收紅外光的電磁輻射原理,用于分析各種可吸收紅外光的化合物的定量和定性的方法.目前,它是一種被廣泛應(yīng)用于研究表征物質(zhì)的化學(xué)組成，以及在分子層次上的結(jié)構(gòu)、分子間相互作用的重要方法.對(duì)紅外光譜進(jìn)行分析,可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析,根據(jù)紅外光譜上的峰位置、吸收強(qiáng)度，還可對(duì)各個(gè)物質(zhì)進(jìn)行定量分析.紅外光譜法的檢測(cè)精度高,但需要非常敏感和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整工具,購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用昂貴，不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用.

2.5　光聲光譜法

光聲光譜法[15-17]是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的一種基于光聲效應(yīng)的光譜技術(shù).該方法可以通過(guò)檢測(cè)氣體對(duì)于光的吸收量而得到氣體的體積分?jǐn)?shù).具體來(lái)說(shuō)，就是氣體分子吸收入射光光能被激發(fā)到高能態(tài),然后釋放熱能退激,氣體表現(xiàn)為溫度上升.當(dāng)氣體體積不變,氣壓上升時(shí),將入射光調(diào)制成光強(qiáng)周期性變化,則氣溫和氣壓也會(huì)隨之發(fā)生周期性變化.當(dāng)調(diào)制頻率在聲頻范圍內(nèi)時(shí),氣壓便會(huì)產(chǎn)生周期性變化的聲信號(hào),其強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān),此時(shí)便可定量檢測(cè)氣體濃度.實(shí)驗(yàn)器材光聲光譜儀具有很高的靈敏度,量級(jí)一般在10-9~10-11級(jí),由光源、調(diào)制器、光聲池、聲敏元件和信號(hào)處理系統(tǒng)組成.其系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1　光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)示意

光聲氣體傳感器在微量氣體探測(cè)方面具有靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、響應(yīng)快、可在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn).使用光聲光譜法對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)時(shí),因其測(cè)量的是氣體分子吸收光能的大小,在較弱的吸收處也能夠獲得足夠的靈敏度,故其特征吸收譜線的選擇可以大大放寬,這在很大程度上減少了吸收譜線重疊而帶來(lái)的交叉吸收干擾.這些優(yōu)點(diǎn)使得該方法在醫(yī)療診斷、食品制造、污染監(jiān)測(cè)、火災(zāi)預(yù)報(bào)方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2.6　分析與討論

雖然SF6分解物檢測(cè)方法已有很多,但就目前這些檢測(cè)手段來(lái)說(shuō),仍有很多問(wèn)題需要解決.例如如何提高檢測(cè)精度和靈敏度，設(shè)備的精度和靈敏度差,將會(huì)導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤差,降低測(cè)量結(jié)果的可信度;對(duì)于檢測(cè)SF6氣體分解物的最終目的來(lái)說(shuō)，還需要配套一個(gè)識(shí)別系統(tǒng)，即在檢測(cè)出特征氣體成分、含量,以及產(chǎn)氣速率后,需要經(jīng)過(guò)科學(xué)算法(如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等)來(lái)判斷是何原因引起的何種甚至幾種潛在故障,而有些故障是交叉存在的,這就要求算法足夠科學(xué)且面面俱到.另外，目前還沒(méi)有SF6氣體分解產(chǎn)物組分含量以及判斷SF6電氣設(shè)備放電故障類(lèi)型或絕緣缺陷類(lèi)型的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),高校企業(yè)科研單位大都只是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開(kāi)展相關(guān)的研究.換句話說(shuō),即還沒(méi)有建立起優(yōu)良可靠的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng),這使得上述方法無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)大量使用.

3結(jié)語(yǔ)

SF6氣體分解物檢測(cè)已成為本領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題和研究熱點(diǎn),一些具有科研實(shí)力的國(guó)家和科研單位已對(duì)GIS中SF6氣體分解物檢測(cè)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究,并取得了一定成果.本文著重分析了分解物檢測(cè)原理,對(duì)于幾種主流分解物檢測(cè)方法進(jìn)行了分析和比較,發(fā)現(xiàn)其各具優(yōu)缺點(diǎn).氣相色譜法目前使用最廣,紅外光譜法較為精準(zhǔn),而光聲光譜法正以其無(wú)可比擬的出色性能迅速發(fā)展中.同時(shí)，本文也指出了分解物檢測(cè)方面存在的一些困難,并進(jìn)行了討論和分析.不難看出,深入了解GIS中SF6氣體分解特性,及時(shí)研究有效的檢測(cè)手段并將其投運(yùn),對(duì)保障我國(guó)電力安全、提高電力水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉星,姚堯,唐炬,等.SF6放電分解氣體組分分析的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].高電壓技術(shù),2008(4):664-669.

[2]季嚴(yán)松,王承玉,楊韌,等.SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)及其在GIS設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].高壓電器,2011(2):100-103.

[3]唐炬,陳長(zhǎng)杰,劉帆,等.局部放電下SF6分解組分檢測(cè)與絕緣缺陷編碼識(shí)別[J].電網(wǎng)技術(shù),2011(1):110-116.

[4]龔尚昆,陳紹藝,周舟,等.局部放電中的SF6分解產(chǎn)物及其影響因素研究[J].高壓電器,2011(8):48-51.

[5]劉帆.局部放電下六氟化硫分解特性與放電類(lèi)型辨識(shí)及影響因素校正[D].重慶:重慶大學(xué),2013.

[6]顏湘蓮,王承玉,季嚴(yán)松,等.開(kāi)關(guān)設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2010(9):160-165.

[7]夏桓桓,李仕林,郭新良,等.六氟化硫分解產(chǎn)物檢測(cè)及設(shè)備故障判斷淺析[C].云南電網(wǎng)公司,云南省電機(jī)工程學(xué)會(huì).2010年云南電力技術(shù)論壇論文集(優(yōu)秀論文部分),2010:35-38.

[8]孟慶紅.不同絕緣缺陷局部放電下SF6分解特性與特征組分檢測(cè)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2010.

[9]程偉,蘇鎮(zhèn)西,祁炯,等.SF6分解物檢測(cè)方法的比較及應(yīng)用[J].華東電力,2011(11):1 879-1 881.

[10]駱立實(shí),姚文軍,王軍,等.用于GIS局部放電診斷的SF6分解氣體研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2010(5):225-230.

[11]李紹志.放電條件下SF6氣體分解物的檢測(cè)與研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2008.

[12]文惠君,楊玥,車(chē)傳強(qiáng),等.六氟化硫分解物檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2012(4):80-83.

[13]馬宏明,楊卓,譚向宇,等.三種GIS局部放電檢測(cè)方法的比較分析研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,(2):309-314.

[14]KURTER,HEISEHM,KLOCKOWD.AnalysisofsparkdecompositionproductsofSF6using multivariate mid-infrared spectrum evaluation[J].Journal of Molecular Structure,1999(10):211-217.

[15]張望.光聲光譜微量氣體檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[16]范敏.局部放電下SF6分解特征組分的光聲光譜檢測(cè)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[17]呂小虎,趙貴文.光聲光譜法及其應(yīng)用[J].分析儀器,1993(2):37-41.

(編輯白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.012