氣體絕緣電力設(shè)備中SF6氣體分解物的檢測技術(shù)研究

閆大慶

（北京兆維電子（集團）有限責(zé)任公司，北京 100015）

隨著我國電力需求的快速增長，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的要求也在不斷地提高。高電壓大容量的SF6氣體絕緣電力設(shè)備作為電能傳輸和分配的核心設(shè)備，技術(shù)含量高且投資大，其可靠性直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，高壓、特高壓變電站中的六氟化硫（SF6）氣體絕緣電力設(shè)備有著舉足輕重的地位。以往的運行經(jīng)驗和相關(guān)研究表明，SF6氣體分解物的種類、含量等信息與SF6氣體絕緣電氣設(shè)備的運行狀態(tài)關(guān)系密切相關(guān)。因此，可以通過SF6氣體分解物來對設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和故障診斷。通常，SF6氣體分解物的含量在ppm量級，需要高靈敏度的氣體檢測技術(shù)來進行測量。本文對目前常見的幾種高靈敏度的氣體檢測手段進行了分析、對比和總結(jié)。

1 氣體檢測技術(shù)分析

1.1 氣相色譜法

氣相色譜法(Gas Chromatography, GC)是利用混合物中不同物質(zhì)在固定相和流動相分配系數(shù)的差別，使混合物中的物質(zhì)組分經(jīng)過反復(fù)多次的吸附和脫附的分配過程，使不同物質(zhì)組分從色譜柱流出的時間不同而以達到分離的目的。氣相色譜具有高分離效率和高靈敏等顯著特點，是分離復(fù)雜混合組分的有效手段。氣相色譜法是SF6氣體分解物分析中最常用的方法，也是國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60480-2004和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8905-2012中推薦的檢測方法，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的氣相色譜的方法可以檢測SF6、SO2F2、SOF2、CF4、CO2、H2O 以及 SO2等組分。

氣相色譜系統(tǒng)主要由氣路系統(tǒng)（載氣以及流量控制等）、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)（色譜柱和柱溫箱等）以及檢測器和記錄系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。

氣路系統(tǒng)主要包括載氣、載氣凈化、載氣流量控制等部分，目的是為了提供穩(wěn)定的具有一定流量的載氣。載氣通常是一些高純度的惰性氣體，要求不與分析物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并不被固定相吸附，常見的載氣包括氮氣、氦氣、氫氣等等。進樣系統(tǒng)主要包括進樣器和汽化室，分析物通過進樣器進入汽化室并汽化，之后隨載氣進入分離系統(tǒng)（色譜柱）。分離系統(tǒng)一般主要指色譜柱和柱溫箱，前者是完成混合物樣品分離的場所，后者為前者提供所需要重要的分離條件——溫度。分離系統(tǒng)是氣相色譜系統(tǒng)的核心部件。檢測器是氣相色譜系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它主要負(fù)責(zé)將一定濃度的分析物的化學(xué)表征轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號響應(yīng)。常用的檢測器包括熱導(dǎo)檢測器(TCD)，氫火焰離子化檢測器(FID)，氦離子化檢測器(HID)，質(zhì)譜檢測器(MSD)，電子捕獲檢測器(ECD)，脈沖放電氦離子化檢測器(PDHID)，氮磷檢測器(NPD)和火焰光度檢測器(FPD)等，其中TCD和FID為一般氣相色譜系統(tǒng)中最常見檢測器，IEC60480-2004即推薦TCD和FID兩種檢測器用于檢測SF6氣體分解物。另外，由于SF6氣體分解物中大多數(shù)為含硫化合物，因此對硫化物響應(yīng)極其靈敏的FPD也可以作為SF6氣體分解物的氣相色譜檢測器。一定濃度的化合物經(jīng)過檢測器后形成的電信號會被記錄系統(tǒng)描繪形成色譜圖。

以往氣相色譜儀多為實驗室的檢測分析儀器，基本不具備便攜性。因此，通常需要電力檢修人員將在變電站采集的樣品帶回化驗室進行分析。樣品在保存和運輸?shù)倪^程中，有些分解氣體組分會發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體含量改變從而不能準(zhǔn)確地反映氣體絕緣電氣設(shè)備的運行狀態(tài)。近年來，便攜式的氣相色譜儀問世，很大程度上提高了其便攜性。然而便攜性能的提升常常是通過部分檢測靈敏度換取的，目前便攜式氣相色譜儀的檢測精度通常比實驗室的氣相色譜儀有一定差距。

1.2 化學(xué)檢測管法

化學(xué)檢測管法的基本原理是使待測氣體通過裝有特定化學(xué)試劑及顯色物質(zhì)的玻璃管，待測氣體與檢測管中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使檢測管中物質(zhì)顏色變化，而后根據(jù)顏色變化的深淺和顯色部分的延伸長度來確定待測組分的含量。

上世紀(jì)70年代末80年代初，國外研究者成功研制了高靈敏度的HF等氣體分解物的化學(xué)檢測管——檢測極限小于0.1ppm，之后形成產(chǎn)品開始在變電站中推廣使用。我國在1994年也研制出可以檢測SF6中SO2和HF的化學(xué)檢測管?；瘜W(xué)檢測管法最大的優(yōu)點就是檢測簡便，便攜性極佳，靈敏度較高，且價格低廉。然而由于化學(xué)檢測管通常只能檢測SO2、HF和CO等少數(shù)幾個氣體組分，對其余大多數(shù)重要的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的分解氣體組分，如SO2F2和CF4則無能為力。而且化學(xué)檢測管在檢測過程中容易受到溫度、濕度、進樣速率等多個因素的影響，因此該方法在實際工程應(yīng)用中受到了很大的限制，通常只作為輔助的檢測手段，或者現(xiàn)場快速簡易檢測中使用。

1.3 傅里葉變換紅外吸收光譜法

傅里葉變換紅外吸收光譜法（Fourier Transform Infrared spectrometer,FTIR)是基于氣體分子對紅外輻射的選擇性吸收來實現(xiàn)氣體樣品的定性、定量分析。FTIR系統(tǒng)主要由紅外光源、樣品室、Michelson干涉儀、檢測器和記錄儀等構(gòu)成，其中Michelson干涉儀是FTIR的核心部件。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

當(dāng)紅外光透射過氣體樣品時，氣體分子會有選擇性地吸收紅外光，而形成透射率（或吸光度）隨波數(shù)（或波長）變化的紅外吸收光譜。當(dāng)吸收光程與吸光系數(shù)一定時，吸光度與氣體組分濃度成正比，這是FTIR定量分析的理論基礎(chǔ)。

FTIR具有覆蓋氣體種類多、無需分離氣體樣品和響應(yīng)速度快等優(yōu)點。但是，F(xiàn)TIR也有很多不足之處，比如：SF6氣體分解物組分間不可避免的紅外吸收光譜重疊會導(dǎo)致FTIR在檢測時受到嚴(yán)重的交叉干擾，進而影響定性定量分析；FTIR容易受到周圍環(huán)境（溫度等因素）的影響，引入額外的測量誤差；FTIR通常需要樣品的量很大，這給實驗室分析帶來了較大的困難。

圖1 FTIR檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 氣敏傳感器法

氣敏傳感器是利用被測氣體組分的氣敏特性將氣體濃度量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號響應(yīng)。目前，用于檢測SF6氣體分解物的商品化氣敏傳感器多以電化學(xué)原理為基礎(chǔ)，檢測氣體組分的種類主要是SOF2+SO2、HF、H2S和CO幾種氣體，而對其他重要的組分如SO2F2、SF4、SOF4、CO2和CF4等則無能為力，氣體的檢測種類十分有限。

近年來，用于檢測SF6氣體分解物的碳納米管氣敏傳感器由于靈敏度高、響應(yīng)速度快等突出的優(yōu)點正逐漸引起了眾多研究者的關(guān)注。氣敏傳感器法檢測SF6氣體分解物具有操作簡單和檢測時間短等優(yōu)點。但其不足之處也很明顯：氣體組分之間交叉干擾十分嚴(yán)重，選擇性差；長期運行容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的零點漂移現(xiàn)象，使得測量結(jié)果偏差較大；氣敏傳感器使用壽命通常較短。

1.5 離子遷移譜技術(shù)

離子遷移譜技術(shù)(Ion Mobility Spectrometry, IMS)是在上世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新的氣體分離和檢測手段。該技術(shù)是基于氣相中不同的氣體離子在電場中遷移速度的差異來對化學(xué)離子物質(zhì)進行表征的一種分析技術(shù)。在基于分解氣體的SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測中，IMS主要是通過測定SF6分解氣體的總含量來監(jiān)測的SF6的純度，進而對氣體絕緣開關(guān)的性能惡化情況進行監(jiān)測和預(yù)警。IMS對SF6分解氣體進行檢測的過程中，由于SF6的離子和分解氣體的離子都在SF6的環(huán)境中，IMS的分辨率會有所下降，但可以通過離子遷移譜上主要離子峰的位移來鑒定氣體組成的變化。

2 結(jié)語

目前，在電力行業(yè)中氣相色譜法在SF6氣體分解物的檢測中最為廣泛，但是氣相色譜的檢測靈敏度一般，便攜性較差；傅里葉變換紅外光譜技術(shù)靈敏度較高，可定性定量進行分析，但是價格昂貴而且多用于化驗室，難以進行現(xiàn)場應(yīng)用；檢測管和氣敏傳感器便攜性能非常好，精度較高，廣泛應(yīng)用與現(xiàn)場的氣體分解無快速檢測，但是在使用過程中容易出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，即長期穩(wěn)定性差。綜上所述，幾種檢測技術(shù)手段各有所長，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇和應(yīng)用。