紅外光譜法在SF6電氣設(shè)備硅絕緣受損潛伏性故障診斷中的應(yīng)用

楊　韌，汪金星，雷永乾，高　超，張萬(wàn)軍，楊鼎革

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西　西安　710054；2.中國(guó)廣州分析測(cè)試中心，廣東　廣州　510070)

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紅外光譜法在SF6電氣設(shè)備硅絕緣受損潛伏性故障診斷中的應(yīng)用

楊韌1*，汪金星1，雷永乾2，高超1，張萬(wàn)軍1，楊鼎革1

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安710054；2.中國(guó)廣州分析測(cè)試中心，廣東廣州510070)

利用紅外光譜法對(duì)SF6設(shè)備故障氣體中的SiF4進(jìn)行定性、定量檢測(cè)，該方法的線(xiàn)性范圍為10～500 μL/L，檢出限為1 μL/L，此方法可以較理想地判斷出設(shè)備內(nèi)含硅元素絕緣材料的受損情況。應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備的潛伏性故障診斷，驗(yàn)證了分解產(chǎn)物SiF4對(duì)設(shè)備內(nèi)部工況診斷的有效性。

高壓絕緣設(shè)備；紅外光譜分析；SF6氣體分解產(chǎn)物；SiF4檢測(cè)

SF6氣體絕緣強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的滅弧性能，因此在電氣設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[1]，當(dāng)設(shè)備內(nèi)存在缺陷或發(fā)生事故后，會(huì)有多種SF6氣體分解產(chǎn)物生成。SF6電氣設(shè)備在開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致部分SF6氣體分解，正常情況下溫度降低后，分解物又還原成SF6氣體[2-3]。隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)或本身的缺陷，當(dāng)設(shè)備發(fā)生放電、過(guò)熱等故障時(shí)，金屬材料、固體絕緣材料、空氣等與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)，生成含硫或含氟化合物。研究表明，分解產(chǎn)物的組分以及含量與設(shè)備的潛伏性故障存在直接關(guān)系[4]。對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的組分進(jìn)行及時(shí)測(cè)定和分析，可有效反映SF6電氣設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行情況[5]。SiF4是SF6氣體的分解產(chǎn)物之一，并具有良好的指向性。目前運(yùn)行電壓等級(jí)為126 kV的SF6電氣設(shè)備中，大多數(shù)采用硅填充的絕緣材料。當(dāng)設(shè)備內(nèi)絕緣材料局部產(chǎn)生放電或過(guò)熱時(shí)，生成的SF6氣體分解物與硅材料反應(yīng)生成SiF4[6]，此過(guò)程伴有含硫化合物生成。因此對(duì)SiF4含量進(jìn)行檢測(cè)可以判斷出設(shè)備內(nèi)硅絕緣材料的受損情況，了解設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行工況。

目前SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測(cè)方法主要有氣相色譜法、紅外光譜法、檢測(cè)管法和電化學(xué)傳感器法，其中紅外光譜分析法對(duì)SO2，SOF2，SF4,CO等氣體均有較好的檢測(cè)效果[7]。然而對(duì)SF6的重要分解產(chǎn)物SiF4進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于SiF4性質(zhì)活潑，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段(如電化學(xué)分析法、氣相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用等)存在一定的局限性，目前尚無(wú)較好的解決辦法[8]。紅外光譜法是常用的無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)環(huán)境為常溫常壓，分析速度快、重現(xiàn)性好，可以很好地保持樣品的真實(shí)性[9-11]。本文采用傅立葉紅外光譜法對(duì)分解產(chǎn)物SiF4進(jìn)行了研究并成功用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1傅立葉紅外光譜法對(duì)SiF4的檢測(cè)原理

通過(guò)對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行分析，尋找該物質(zhì)在混合氣中的特征吸收譜帶，制作出標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)，正常狀況下，設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行條件不會(huì)生成SiF4，SiF4來(lái)源于含有SiO2填充物的絕緣材料與SF6氣體分解物HF的反應(yīng)。因此，檢測(cè)和分析SiF4可有效判斷設(shè)備內(nèi)絕緣材料的受損情況。SiF4的主要生成途徑如下：

SF6氣體分解:

SF6→S+SF2+SF4+F

(1)

SF6+O2→SO2+SOF2+F

(2)

HF分解產(chǎn)物來(lái)源:

SF4+H2O→SOF2+HF

(3)

SOF2+H2O→SO2+HF

(4)

SiF4分解產(chǎn)物來(lái)源:

SiO2+HF→SiF4+H2O

(5)

在上述反應(yīng)式中，SF6在高溫電弧作用下生成大量的S和F的單原子及其離子狀態(tài)[12]；在高溫條件下SF6與O2反應(yīng)，產(chǎn)生SO2，SOF2和F；F與設(shè)備內(nèi)的含碳物質(zhì)或金屬作用生成相應(yīng)的氟化物；生成的部分氟化物與H2O反應(yīng)產(chǎn)生HF；HF作用于含有SiO2的絕緣材料生成SiF4。

1.2儀器與試樣

1.2.1儀器Bruker FT-IR TENSOR 27紅外光譜儀，配有10 cm長(zhǎng)的防腐氣體池，用高純氮?dú)鈱?duì)氣體池進(jìn)行吹掃，并用真空泵進(jìn)行樣品的置換，防止外界空氣對(duì)樣品產(chǎn)生干擾，提高紅外檢測(cè)的可靠性。在氣體池閥門(mén)上配有電子壓力表，以顯示池內(nèi)樣品的壓力。采用雙角鏡耦合、動(dòng)鏡扭擺式干涉儀，其優(yōu)點(diǎn)在于靜鏡和動(dòng)鏡均采用立體角鏡，保證入射光線(xiàn)與出射光線(xiàn)的絕對(duì)平行，避免外界震動(dòng)的干擾，發(fā)生光線(xiàn)的偏移。MCT檢測(cè)器由寬帶頻的半導(dǎo)體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合制成。

1.2.2試樣標(biāo)準(zhǔn)樣品Ⅰ：純四氟化硅(99%)；標(biāo)準(zhǔn)樣品Ⅱ：采用純六氟化硫(99.999%，SF6)和氦氣(99.9%)為底氣，配制不同濃度的四氟化硅氣體。樣品配制采用靜態(tài)配氣法，樣品容器是底部裝有壓力表的750 mL特制鋼瓶，內(nèi)部有聚四氟乙烯涂層，防止樣品發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算出配制不同樣品濃度所需標(biāo)準(zhǔn)樣品的體積。用微量注射器分別取1，2 mL的純SiF4，加入抽真空的樣品瓶，再分別加入純SF6和He，控制瓶中壓力為0.3 MPa。可得氦氣為底氣的樣品濃度為1 000 μL/L；再將500 μL/L以SF6為底氣的樣品分步稀釋得濃度分別為5，10，20，50，100，200 μL/L的樣品。

1.3檢測(cè)條件

掃描范圍為4 500～500 cm-1，分辨率為0.5 cm-1，檢出限為1 μL/L，掃描次數(shù)為100次，樣品在密封氣體池中壓力為0.1～0.105 MPa。

2　結(jié)果與討論

2.1定性分析

采用上述方法對(duì)純SF6氣體、以He為底氣的SiF4標(biāo)準(zhǔn)氣、以SF6為底氣的SiF4標(biāo)準(zhǔn)氣以及試樣進(jìn)行分析(圖1)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣與標(biāo)準(zhǔn)氣的吸收峰位置、形狀和峰的相對(duì)強(qiáng)度均相同，即以SF6為底氣的標(biāo)準(zhǔn)氣中明顯存在SiF4?？梢源_定波數(shù)1 000～1 040 cm-1處是SiF4的紅外特征吸收譜帶，且峰形窄便于區(qū)分。

SF6氣體分解物(如SO2，HF,H2S,CO2和礦物油等)一般均在百萬(wàn)分之一數(shù)量級(jí)，其各自的紅外吸收譜帶位置遠(yuǎn)離SiF4吸收位置。SO2吸收譜帶位置在1 375 cm-1附近分布范圍為80 cm-1；HF吸收譜帶位置在4 150 cm-1附近分布范圍為100 cm-1；H2S吸收譜帶位置在3 793 cm-1附近；CO2吸收譜帶位置在1 375 cm-1附近分布范圍為100 cm-1；礦物油吸收譜帶位置在2 980 cm-1附近。可以看出幾種氣體的吸收譜帶互不重疊，且從圖1中可以看出SiF4吸收譜帶窄，故其紅外譜圖不會(huì)受其它氣體的影響。

2.2定量分析

由于儀器分辨率較高，以SF6氣體為背景的SiF4標(biāo)樣，濃度在10 μL/L以上時(shí)，吸收峰形較好，吸光度-濃度關(guān)系不偏離Beer定律[13]。SiF4特征吸收峰強(qiáng)度高，無(wú)明顯干擾峰，所以采用外標(biāo)法對(duì)其進(jìn)行定量分析。將不同濃度的上述樣品通入池中，經(jīng)掃描分析得到圖譜部分放大(圖2)，不同濃度的SiF4紅外吸收峰強(qiáng)度不同，但吸收峰均在1 031 cm-1處達(dá)到最強(qiáng)，將此處峰高值作為分析峰值[14]。根據(jù)配制樣品的分析結(jié)果，峰高中包含SF6氣體的吸收峰高，故標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)截距不為零，得SiF4濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程為y=0.000 98x+0.112 49(r2=0.998 8)。方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)線(xiàn)性較好，線(xiàn)性范圍為10～500 μL/L，可以滿(mǎn)足定量要求。

2.3重復(fù)性分析

為驗(yàn)證定量分析的可靠性，測(cè)定了不同濃度值(20,50,100 μL/L)的樣品，每一樣品平行測(cè)定5次，濃度為20 μL/L時(shí)，測(cè)試結(jié)果最高值為17.3 μL/L，最低值為16.1 μL/L，平均值為16.7 μL/L；濃度為50 μL/L時(shí)，測(cè)試結(jié)果最高值為48.7 μL/L，最低值為45.5 μL/L，平均值為47.2 μL/L；濃度為100 μL/L時(shí)，測(cè)試結(jié)果最高值為109.3 μL/L，最低值為104.9 μL/L，平均值為107.7 μL/L。計(jì)算得出誤差分別為0.165，0.056，0.077；相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.8%，3.0%，1.8%，說(shuō)明該方法有良好的重現(xiàn)性[15]，可滿(mǎn)足對(duì)SiF4分析要求。

2.4可靠性驗(yàn)證

采用氟離子選擇電極法對(duì)紅外光譜法的可靠性加以驗(yàn)證，按照DL/T918-2005《六氟化硫氣體中可水解氟化物含量測(cè)定法》檢測(cè)，分別測(cè)定了不同濃度值(0，20，50，100 μL/L)的樣品，根據(jù)SiF4與堿反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，計(jì)算得出其濃度誤差范圍在15%以?xún)?nèi)。驗(yàn)證了紅外光譜法對(duì)SiF4檢測(cè)的有效性。

2.5樣品分析

對(duì)某變電站運(yùn)行的110 kV GIS斷路器母線(xiàn)刀閘氣室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有分解物異常，采用本法對(duì)樣品進(jìn)行分析。通過(guò)與相鄰氣室的數(shù)據(jù)對(duì)比，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，認(rèn)定其為故障氣室。由于SF6氣體吸收強(qiáng)度高，不易觀(guān)察分解物的吸收峰情況，對(duì)結(jié)果(圖3)中波數(shù)1 050～1 000 cm-1段SiF4吸收位置進(jìn)行放大。

圖3結(jié)果顯示，在故障樣品中發(fā)現(xiàn)含有SiF4的吸收峰，并有含硫的分解物生成，由反應(yīng)方程(1)～(5)推出SiF4的生成過(guò)程。說(shuō)明有含硅元素的絕緣材料受損，將SiF4的吸收峰值帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程進(jìn)行計(jì)算，得出濃度值為48.5 μL/L，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，推斷設(shè)備內(nèi)部絕緣材料存在異常發(fā)熱潛伏性故障。將樣品返廠(chǎng)解體印證，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子有局部受熱現(xiàn)象，推測(cè)原因?yàn)樵撆枳犹盍喜捎肧iO2，由于制造工藝及制作材料欠佳，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在大電流開(kāi)斷時(shí)，盆式絕緣子受異常電弧侵蝕，SiO2填料與SF6氣體分解發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其性能下降，發(fā)生了零部件的燒蝕。

3　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)SF6中SiF4氣體的分析，建立了紅外光譜對(duì)實(shí)際故障氣樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法，其檢測(cè)結(jié)果很好地反映了設(shè)備內(nèi)部的故障情況，說(shuō)明采用此方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)SiF4氣體的定量分析。研究表明，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行及內(nèi)部故障作用，SF6內(nèi)部及其與周?chē)h(huán)境發(fā)生著復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，不同的故障會(huì)有不同的表現(xiàn)形式和分解產(chǎn)物生成。SiF4的存在及其含量變化，可以反映出設(shè)備內(nèi)含硅元素絕緣部件的受損程度。本方法可有效地檢測(cè)出設(shè)備內(nèi)部此類(lèi)型的潛伏性故障，對(duì)設(shè)備運(yùn)行工況的判斷具有重要意義。

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Application of Infrared Spectroscopy Method in Diagnosis on Potential Fault of Damaged Silicon Insulator in SF6Electrical Equipment

YANG Ren1*,WANG Jin-xing1,LEI Yong-qian2,GAO Chao1，ZHANG Wan-jun1，YANG Ding-ge1

(1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi'an710054,China；2.China National Analytical Center(Guangzhou),Guangzhou510070,China)

SiF4was qualitatively and quantitatively analyzed by Fourier transferred infrared spectroscopy.The linear range for the method was 10-500 μL/L,and the detection limit was 1 μL/L.The method was applied in the potential fault diagnosis of SF6gas insulated switch,and the effectiveness of the SiF4in the diagnosis of the internal conditions in the equipment was verified.

high voltage insulation equipment；Fourier infrared spectroscopic analysis；SF6decomposition product;SiF4detection

2016-01-12；

2016-02-03

楊韌，高級(jí)工程師，研究方向：高壓電器，Tel：029-89698407，E-mail：yangren1970@263.net

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.024

O657.33；S219.033

A

1004-4957(2016)08-1058-04