GIS局部放電的SF6分解物的檢測方法

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分解物檢測技術(shù)在檢測局部放電方面,具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、可在線監(jiān)測等優(yōu)點,具有良好應(yīng)用前景.從檢測原理到檢測手段,介紹了SF6分解物檢測的各種方法,著重對各種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了歸納和橫向比較,并對存在的一些關(guān)鍵問題進(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

作者簡介：通訊莫亦驊(1990-)，男， 在讀碩士，浙江紹興人.主要研究方向為SF6氣體分解物的光聲光譜分析系統(tǒng).E-mail:saiyaer_myh@163.com.

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

中圖分類號：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

隨著我國輸變電系統(tǒng)的電壓等級越來越高,電力傳輸和變電容量越來越大,這對電氣設(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,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)有的檢測方法有脈沖電流法、超聲波法、光測法、超/特高頻法等,但都有其弊端.脈沖電流法、超聲波法和光測法的抗干擾能力弱,精度不高,且超聲波法與光測法不能標(biāo)定放電量.雖然超高頻法具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點,但其模式識別和放電量標(biāo)定方面都存在問題.相比之下,六氟化硫(SF6)分解物檢測法具有直接、受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點.該方法的檢測對象直接來自于GIS氣室內(nèi)部,檢測結(jié)果可以直接反應(yīng)該時間節(jié)點下GIS的工作狀態(tài).此外,不同于基于電磁物理信號的檢測法,SF6分解物檢測法的抗干擾能力強(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)測量.

國外對SF6分解物檢測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)行實驗,檢測到分解產(chǎn)物為SF4,S2F10,SOF2,SO2.同時，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分解物中檢測到了HF.國內(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SF6電氣設(shè)備,并進(jìn)行了實驗研究,認(rèn)為若分解物中檢測出CF4,基本可以確定為固體絕緣存在問題.中國電力科學(xué)研究院自2006年起牽頭承擔(dān)了國家電網(wǎng)公司立項的多個SF6氣體分解產(chǎn)物檢測方面的科技項目,[2]并在國網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備隱患排查中成功實現(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4種GIS典型絕緣缺陷進(jìn)行了大量的局部放電試驗，基于實驗結(jié)果選取了特征氣體,并對其組分含量比值范圍進(jìn)行了編碼,以此檢測GIS內(nèi)部絕緣故障.

1局部放電的SF6分解物檢測原理

GIS缺陷故障分為內(nèi)部故障和外部故障兩種.常見故障主要來自于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.常見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，這些常見的缺陷會引起局部放電、火花放電、設(shè)備過熱等故障.[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,以及對故障的放電類型進(jìn)行識別.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)行故障缺陷的識別.[5-8]若能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測,則理論上可以實時監(jiān)測GIS內(nèi)部SF6氣體的狀況,及時預(yù)警和報警,降低GIS的維修費用,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.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、含量等方面也會存在差異,這就要求在PD環(huán)境下檢測分解物的設(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物,因此對其進(jìn)行定量檢測有一定難度.國內(nèi)外有多種方法用以檢測SF6分解物,[9-13]每種方法都具有其優(yōu)勢,同時也存在局限性.

2.1　電化學(xué)傳感器法

電化學(xué)傳感器是通過傳感器電極與被測氣體發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號的原理來工作的.氣體首先通過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.針對被測氣體而設(shè)計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產(chǎn)生電流,該電流與被測氣體體積分?jǐn)?shù)成正比.測量該電流或相應(yīng)的電壓信號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、操作簡單等優(yōu)點,但也存在缺陷,例如交叉干擾、零漂及溫漂、壽命不長等,因而在實際應(yīng)用時須定期校準(zhǔn)檢測儀器.目前,現(xiàn)場應(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)檢測管法

化學(xué)檢測管法是檢測人員從高壓電氣設(shè)備中直接獲得一定量的SF6氣體,分別通過SO2和HF檢測管.這些分解產(chǎn)物會在檢測管中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),改變試劑顏色,檢測人員可根據(jù)變色柱的長短,定量地讀出SF6氣體中SO2和HF的濃度.這種方法檢測簡便、量程范圍大、快速經(jīng)濟(jì)、攜帶方便，在現(xiàn)場檢測中應(yīng)用較廣.但由于檢測精度低,存在交叉干擾,筆者推薦用于粗測,以初步估測氣體含量范圍.

論專利獨占被許可人的訴權(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共同推薦的檢測方法，[9]也是目前國內(nèi)外用于SF6放電分解氣體組分檢測的常用方法.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,然后通過接在柱后面的檢測器依據(jù)組分的理化特性,將各個組分按順序檢測出來.氣相色譜儀可以同時檢測體積分?jǐn)?shù)低至10-6級的CF4，SF6，SO2F2，SOF2，SO2，H2O等氣體.氣相色譜法具有檢測組分多、檢測靈敏度高等優(yōu)點,目前主要用于實驗室分析.

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

2.4　紅外光譜法

紅外光譜法[14]是基于不同材料物質(zhì)會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.對紅外光譜進(jìn)行分析,可以對物質(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，還可對各個物質(zhì)進(jìn)行定量分析.紅外光譜法的檢測精度高,但需要非常敏感和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整工具,購買和維護(hù)費用昂貴，不適合現(xiàn)場檢測使用.

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)展起來的一種基于光聲效應(yīng)的光譜技術(shù).該方法可以通過檢測氣體對于光的吸收量而得到氣體的體積分?jǐn)?shù).具體來說，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,將入射光調(diào)制成光強(qiáng)周期性變化,則氣溫和氣壓也會隨之發(fā)生周期性變化.當(dāng)調(diào)制頻率在聲頻范圍內(nèi)時,氣壓便會產(chǎn)生周期性變化的聲信號,其強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān),此時便可定量檢測氣體濃度.實驗器材光聲光譜儀具有很高的靈敏度,量級一般在10-9~10-11級,由光源、調(diào)制器、光聲池、聲敏元件和信號處理系統(tǒng)組成.其系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1　光聲光譜檢測系統(tǒng)示意

光聲氣體傳感器在微量氣體探測方面具有靈敏度高、檢測范圍廣、響應(yīng)快、可在線監(jiān)測等優(yōu)點.使用光聲光譜法對氣體進(jìn)行檢測時,因其測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的交叉吸收干擾.這些優(yōu)點使得該方法在醫(yī)療診斷、食品制造、污染監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)報方面得到了廣泛的應(yīng)用.

2.6　分析與討論

雖然SF6分解物檢測方法已有很多,但就目前這些檢測手段來說,仍有很多問題需要解決.例如如何提高檢測精度和靈敏度，設(shè)備的精度和靈敏度差,將會導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤差,降低測量結(jié)果的可信度;對于檢測SF6氣體分解物的最終目的來說，還需要配套一個識別系統(tǒng)，即在檢測出特征氣體成分、含量,以及產(chǎn)氣速率后,需要經(jīng)過科學(xué)算法(如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等)來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)備放電故障類型或絕緣缺陷類型的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),高校企業(yè)科研單位大都只是在實驗室環(huán)境下開展相關(guān)的研究.換句話說,即還沒有建立起優(yōu)良可靠的監(jiān)測分析系統(tǒng),這使得上述方法無法在現(xiàn)場大量使用.

3結(jié)語

SF6氣體分解物檢測已成為本領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題和研究熱點,一些具有科研實力的國家和科研單位已對GIS中SF6氣體分解物檢測進(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原理,對于幾種主流分解物檢測方法進(jìn)行了分析和比較,發(fā)現(xiàn)其各具優(yōu)缺點.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可比擬的出色性能迅速發(fā)展中.同時，本文也指出了分解物檢測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,及時研究有效的檢測手段并將其投運,對保障我國電力安全、提高電力水平具有重要的現(xiàn)實意義.

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(編輯白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.012