楊 勇， 徐 華， 吳金木， 劉 石， 張 靜

（1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310008；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000 4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司培訓(xùn)中心，杭州 310016）

SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

楊 勇1， 徐 華2， 吳金木3， 劉 石1， 張 靜4

（1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310008；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江 臺(tái)州 318000 4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司培訓(xùn)中心，杭州 310016）

通過介紹SF6氣體放電分解機(jī)理及影響因素，對(duì)目前常用的氣相色譜法、紅外吸收光譜法、氣體檢測(cè)管法、電化學(xué)傳感器法等多種SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方法的研究進(jìn)行綜述，分析各種檢測(cè)技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，得出在不同的試驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件下，應(yīng)選擇合適的檢測(cè)方法。最后，提出了研究中有待進(jìn)一步解決的問題和可能的發(fā)展方向。

GIS；SF6氣體分解產(chǎn)物；檢測(cè)技術(shù)；氣相色譜法；紅外吸收光譜法

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）因具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、易于維護(hù)、絕緣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高電壓領(lǐng)域，并且國(guó)內(nèi)特高壓交流輸電系統(tǒng)全部采用GIS設(shè)備[1]。但是GIS內(nèi)部由于制造、安裝、運(yùn)輸和試驗(yàn)時(shí)部件的松動(dòng)、接觸不良引起電極浮動(dòng)，絕緣老化、各種活動(dòng)導(dǎo)電微粒等缺陷都可能導(dǎo)致不同程度的局部放電。GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)使得SF6氣體分解產(chǎn)生多種類型的低氟硫化物，然后進(jìn)一步與電極、絕緣材料以及微氧、微水等發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的分解產(chǎn)物[2]。

SF6分解產(chǎn)物會(huì)加速GIS內(nèi)絕緣的老化和金屬電極表面的腐蝕，加重局部放電的程度，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引發(fā)絕緣故障，甚至造成系統(tǒng)事故。不同種類的絕緣缺陷引起的局部放電會(huì)產(chǎn)生不同的分解組分，可以通過檢測(cè)GIS分解產(chǎn)物組分含量及其變化趨勢(shì)來診斷設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷的類型、總體放電水平、絕緣受損程度，從而為GIS故障診斷和狀態(tài)維修提供有效依據(jù)[3]。SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方法具有受外界環(huán)境干擾小、靈敏度高、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)，因此從20世紀(jì)90年代開始，該方法已成為運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的有效手段[4]。

在SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)中，SF6氣體復(fù)雜的特性對(duì)分解產(chǎn)物的檢測(cè)分析造成了困難[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)開展了廣泛研究，氣相色譜法、紅外吸收光譜法、氣體檢測(cè)管法、電化學(xué)傳感器法等方法開始被廣泛地應(yīng)用于SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測(cè)，這些方法能夠?qū)^大多數(shù)分解產(chǎn)物進(jìn)行精確檢測(cè)，但各有優(yōu)劣，迄今為止還沒有找到一種方法能全面準(zhǔn)確地測(cè)定SF6氣體分解產(chǎn)物。隨著SF6氣體分解機(jī)理、分解產(chǎn)物檢測(cè)方法、不同條件下的分解特性及影響因素等方面的深入研究，建立一種有效、可靠的SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)方法是今后的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)[6]。

1 SF6 氣體放電分解機(jī)理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SF6氣體放電分解機(jī)理展開了大量研究工作，目前在SF6氣體放電過程和影響因素方面初步達(dá)成了一致。SF6氣體放電基本過程如下：SF6氣體首先分解為SF5，SF4，SF3，SF2等低氟硫化物，其中大部分分解產(chǎn)物可快速?gòu)?fù)合還原為SF6，少量活性亞分解產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步與氣室中的O2，H2O及絕緣材料或金屬電極等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成 CO，CO2，CF4，SF4，SOF4，SOF2，SO2F2，SO2，S2F10，S2O2F10等化合物。SF6氣體放電分解與還原過程如圖1所示。

圖1 SF6氣體分解過程

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)SF6氣體的放電分解機(jī)制還未明確，最有影響力的是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的 R.J. Van Brunt在20世紀(jì)90年代提出的“區(qū)域反應(yīng)模型”，如圖2所示。該模型將氣體絕緣設(shè)備內(nèi)的電暈放電分為輝光區(qū)、離子遷移區(qū)和主氣室放電區(qū)3個(gè)反應(yīng)區(qū)域。輝光區(qū)內(nèi)SF6，H2O，O2等分子受到電子撞擊而發(fā)生分裂，生成SF5，SF4，SF2，F(xiàn)，O，OH等粒子，這些粒子相互反應(yīng)生成 SOF4，HF，SOF2，S2F10，S2OF10等多種產(chǎn)物。離子遷移區(qū)內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)是SF6，SF5，F(xiàn)等粒子捕獲電子形成SF6-，SF5-，F(xiàn)-等負(fù)離子，這些負(fù)離子進(jìn)一步與SOF4，SO2發(fā)生反應(yīng)，這些反應(yīng)對(duì)于最終分解產(chǎn)物影響較小。主氣室內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)是從輝光區(qū)擴(kuò)散至此的SF4，SF2，SOF4等較穩(wěn)定的產(chǎn)物與該區(qū)域內(nèi)H2O，O2等微量雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成SO2F2，SOF2，HF等穩(wěn)定的分解產(chǎn)物。

圖2 區(qū)域反應(yīng)模型

區(qū)域反應(yīng)模型詳細(xì)闡述了SF6氣體在電暈放電下的分解機(jī)理及過程，然而該模型是針對(duì)電暈放電條件下提出的，存在很大局限性。在其他放電條件下，SF6氣體的分解機(jī)理尚未明確，需要進(jìn)一步研究。

大量研究表明：不管哪種形式的放電，SF6氣體放電分解產(chǎn)物的量與放電能量大致呈線性關(guān)系。在局部放電下，采用針-板結(jié)構(gòu)，電極材料主要為銅、鋁和鎢等，產(chǎn)生的主要分解產(chǎn)物是SOF2，SO2F2，SOF4，SF4，SO2等氣體組分。在火花放電下，SF6氣體主要分解產(chǎn)物與局部放電一致，但是SOF2/SO2F2比值有所增加。在大電流電弧下產(chǎn)生大量分解氣體，其中SOF2的含量與電弧能量呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，SOF2/SO2F2比值更高。在環(huán)氧盆式絕緣子的電弧試驗(yàn)中還會(huì)出現(xiàn)局部放電下很少出現(xiàn)的CF4和H2S組分。

因此可以通過檢測(cè)SOF2和SO2F2組分比例分析放電劇烈程度，通過CF4和H2S組分大小可判斷固體絕緣的狀態(tài)。

2 SF6 氣體放電分解影響因素

SF6氣體的分解過程相當(dāng)復(fù)雜，主要影響因素有：微水、微氧、電極材料、放電故障類型、放電能量等。

2.1 微水的影響

SF6電氣設(shè)備中的運(yùn)行氣體都不可避免地含有微量的水分，其對(duì)SF6氣體分解過程有極大的影響。SF6的大多數(shù)分解物都能和水分產(chǎn)生水解反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

當(dāng)SF6含水量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)SOF2，SO2F2，HF等物質(zhì)，抑制SOF4。同時(shí)HF，H2SO3都具有腐蝕性，會(huì)嚴(yán)重腐蝕電氣設(shè)備。

Hirooka等人進(jìn)行了濕度對(duì)SF6分解過程影響方面的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SF6沒有水汽時(shí)，檢測(cè)到少量的SF4，SO2F2，S2F2等硫化物；當(dāng)放電環(huán)境有微水存在時(shí)，主要的分解產(chǎn)物為 WF6，SOF2，SO2F2，CF4，SF4等。Labor-slowikowska等人的研究成果發(fā)現(xiàn)在電弧電流1 kA條件下，微水含量較高時(shí)，SOF2和SO2是檢測(cè)到的主要分解產(chǎn)物，且沒有檢測(cè)到SO2F2和SOF4。

2.2 微氧的影響

在SF6氣體合成制備過程中殘存少量氧氣，或者是SF6氣體加壓充裝運(yùn)輸過程中也會(huì)混入氧氣。Sauers I等人進(jìn)行了微氧對(duì)分解產(chǎn)物的影響研究，發(fā)現(xiàn)SO2F2和SOF4的含量隨氧氣的增加而增加，對(duì)SOF2的影響很小；Pradayrol C等人發(fā)現(xiàn)微氧的存在會(huì)減少SF4，SO2F2S2F10，S2O2F10，S2OF10等產(chǎn)物，增加SO2F2和SOF4的產(chǎn)氣量。

2.3 電極材料的影響

Tokuyama等人研究了電極材料對(duì)分解情況的影響，在15種電極材料下進(jìn)行SF6放電分解實(shí)驗(yàn)，電弧電流為800 A，電壓為127 kV，壓強(qiáng)為3個(gè)大氣壓，發(fā)現(xiàn)SF6氣體在鋁和鋅電極下的分解速率分別是銅和銀電極材料的100倍。有學(xué)者認(rèn)為不同電極下SF6分解特性的差異性可能是由于不同金屬材料的熔點(diǎn)及電導(dǎo)率不同。

2.4 放電故障類型

國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)對(duì)SF6氣體在電弧、火花和電暈放電類型下的分解產(chǎn)物進(jìn)行了大量研究。在電弧放電作用下，產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物主要有SOF2，SO2，H2S及HF等；在火花放電中形成的SF6氣體分解產(chǎn)物主要是SOF2，SO2F2，SO2，H2S及HF等，但與電弧放電相比，SO2F2/SOF2比值有所增加，能夠檢測(cè)到S2F10或S2OF10組分。電暈放電下的SF6氣體分解產(chǎn)物主要是 SOF2和SO2F2，SO2F2/SOF2比值較前2種放電下的更高。

2.5 放電能量

大量研究表明：不管哪種形式的放電，SF6分解產(chǎn)物的含量都與放電能量大致成比例，并且當(dāng)發(fā)生高能量放電時(shí)將產(chǎn)生大量的分解氣體，生成局部放電下很少出現(xiàn)的SF4和CF4等氣體成分。目前普遍認(rèn)為通過檢測(cè)SOF2和SO2F2組分比例可分析放電劇烈程度，放電越劇烈，放電能量越大，SOF2/SO2F2比值增大。

3 SF6 分解產(chǎn)物檢測(cè)方法

SF6分解產(chǎn)物常用的檢測(cè)方法有：氣體檢測(cè)管法、氣相色譜法、電化學(xué)傳感器法、紅外吸收光譜法等。

3.1 氣體檢測(cè)管法

被測(cè)氣體與檢測(cè)管內(nèi)填充的化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成特定的化合物，使檢測(cè)管顏色發(fā)生變化，檢測(cè)管的變色長(zhǎng)度與流過檢測(cè)管氣體的濃度和體積成比例，控制待測(cè)氣體流過檢測(cè)管的總體積和測(cè)量檢測(cè)管的變色長(zhǎng)度，便可計(jì)算出待測(cè)組分的含量[7]。利用氣體檢測(cè)管技術(shù)的SF6分解產(chǎn)物快速檢測(cè)裝置如圖3所示，可用來檢測(cè)SF6氣體分解產(chǎn)物中SO2，HF，H2S等雜質(zhì)的含量，其化學(xué)反應(yīng)式分別見（5）—（7）[8]。式（5）會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色變成白色現(xiàn)象；式（6）出現(xiàn)紫紅色變?yōu)辄S色現(xiàn)象；式（7）出現(xiàn)白色變成棕色現(xiàn)象。

圖3 SF6分解產(chǎn)物快速檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

利用氣體檢測(cè)管法的SF6分解產(chǎn)物快速檢測(cè)裝置在國(guó)外的使用非常普遍。P.Pilzecker等人利用檢測(cè)管成功測(cè)定了在不同局部放電類型下SF6氣體分解產(chǎn)物中HF和SO2的濃度，同時(shí)提出該方法存在不同氣體之間交叉干擾的缺點(diǎn)[9]。國(guó)內(nèi)于1994年研制成功并投入商業(yè)應(yīng)用。文獻(xiàn)[10-11]介紹了可快速測(cè)定SF6氣體酸度和SO2的檢測(cè)管的研制，結(jié)果表明該檢測(cè)管操作簡(jiǎn)單，使用方便，適宜于現(xiàn)場(chǎng)使用。文獻(xiàn)[12]通過多種條件的選擇試驗(yàn)研制出H2S檢測(cè)管，其顯色長(zhǎng)度與H2S濃度呈線性相關(guān)。

氣體檢測(cè)管法測(cè)量范圍大，操作簡(jiǎn)單，分析快速，適應(yīng)性較好，具有攜帶方便、不需維護(hù)等特點(diǎn)，但檢測(cè)精度較低，受環(huán)境因素影響較大，不能全面反映SF6氣體分解產(chǎn)物組分情況[13]，因此僅適用于SF6氣體分解產(chǎn)物含量的粗測(cè)，很少用于SF6氣體分解產(chǎn)物組分及含量的學(xué)術(shù)研究。

3.2 氣相色譜法

氣相色譜法是目前國(guó)內(nèi)外用于SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)的最常用方法，該方法也是唯一被IEC60480-2004和 GB/T 18905-2012共同推薦的。氣相色譜法的基本原理是：由載氣把樣品帶入色譜柱，利用樣品中各組分在色譜柱中的氣相和固定相間的分配系數(shù)不同，將樣品在兩相中反復(fù)多次分配進(jìn)行分離，然后再通過檢測(cè)器對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析，顯示出各組分的色譜行為和譜峰數(shù)值。圖4是IEC給出的典型SF6分解氣體的色譜圖[14]。

圖4 SF6分解氣體的色譜

氣相色譜儀結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)記錄系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。目前用于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物的氣相色譜儀主要有2種檢測(cè)器配置，即TCD（熱導(dǎo)檢測(cè)器）與FPD（火焰光度檢測(cè)器）并聯(lián)和雙PDD（氦離子化檢測(cè)器）并聯(lián)。采用TCD與FPD并聯(lián)配置的氣相色譜儀可檢測(cè)SF6氣體中的 SO2，SOF2，H2S，空氣，CO2，CF4和C3F8等成分。采用雙PDD檢測(cè)配置的氣相色譜儀可檢測(cè)O2，N2，CO，CF4，CO2，C2F6，SO2F2，H2S，C3F8，COS，SOF2，SO2和CS2。

圖5 氣相色譜儀結(jié)構(gòu)

R.Hergli等人綜合比較了幾種SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇氣相色譜法作為研究微水對(duì)局部放電下SF6分解特征組分的影響[15]。文獻(xiàn)[16]利用氣相色譜法檢測(cè)電力設(shè)備中SF6在不同溫度下的分解產(chǎn)物，結(jié)果表明：隨著受熱溫度上升，氣體分解產(chǎn)物的含量隨之增加。文獻(xiàn)[17]介紹了采用氣相色譜儀定量分析絕緣子持續(xù)沿面放電下SF6的主要分解產(chǎn)物為SO2F2，S2OF10，SO2和CF4。

文獻(xiàn)[18]采用氣相色譜儀，利用TCD與FPD串聯(lián)檢測(cè)法，對(duì)SF6-CO2混合氣體火花放電后的分解產(chǎn)物進(jìn)行了準(zhǔn)確定性定量分析。文獻(xiàn)[12]建立了氣相色譜定量檢測(cè)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了SF6特征分解組分 SOF2，SO2F2，CF4和 CO2的分離檢測(cè)。重慶大學(xué)唐炬等人借助氣相色譜儀對(duì)比分析了在固定金屬突出物和自由導(dǎo)電微粒2種常見絕緣缺陷下的SF6分解特性[19]。廣東電網(wǎng)公司周永言等人利用雙通道氣相色譜—脈沖氦離子化檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)SF6電力設(shè)備中17種常見的氣體組分（CO，CF4，CH4，CO2，C2F6，C2H2，COS，C2H4，C2H6，H2S，SO2F2，C3F8，C3H6，C3H8，CS2，SO2，S2OF10）的定性定量分析，但無法分離C2H4與C2H6，C3H6與C3H8[20]。文獻(xiàn)[21]針對(duì)氣相色譜法所得的SF6氣體分解產(chǎn)物分析結(jié)果中不可避免存在背景信號(hào)干擾和組分信號(hào)相重疊的問題，采取化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)對(duì)色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行背景扣除和重疊組分分離的優(yōu)化處理以及初步的分解組分定量分析。

國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明：氣相色譜法可對(duì)氣體樣品中的硫化物、含鹵素化合物和電負(fù)性化合物等物質(zhì)響應(yīng)靈敏，檢測(cè)精度可達(dá)μL/L級(jí)，但對(duì)某些腐蝕性能或反應(yīng)性能較強(qiáng)的物質(zhì)如HF氣體的分析難以實(shí)現(xiàn)；且色譜的進(jìn)樣檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、色譜柱分離效果易受環(huán)境影響。因此，該方法通常適用于實(shí)驗(yàn)室分析，不適合應(yīng)用于開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體分解產(chǎn)物的現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。

3.3 電化學(xué)傳感器法

電化學(xué)傳感器技術(shù)是利用被測(cè)氣體在高溫催化劑作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，改變傳感器輸出的電信號(hào)，從而確定被測(cè)氣體成分及其含量。典型的電化學(xué)傳感器如圖6所示，由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器[22]。擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氣體在工作電極表面發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，對(duì)電極發(fā)生與之相對(duì)的逆反應(yīng)，在外部電路上形成電流。測(cè)量該電流即可確定被測(cè)氣體的濃度。

圖6 典型電化學(xué)傳感器

目前，已投入商業(yè)運(yùn)行的傳感器可檢測(cè)出SO2，H2S和CO等氣體組分（尚缺乏檢測(cè)CF4等其他組分的傳感器）。工作極的反應(yīng)方程式為：

文獻(xiàn)[23]介紹了基于電化學(xué)傳感器技術(shù)的SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)儀校準(zhǔn)和檢測(cè)方法，并對(duì)檢測(cè)過程中遇到的一些問題進(jìn)行了討論。史會(huì)軒等人通過分析SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)分解產(chǎn)物的產(chǎn)生規(guī)律和特點(diǎn)，研制了一套基于實(shí)時(shí)檢測(cè)SF6電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)SO2電化學(xué)傳感器在SF6電氣設(shè)備在線檢測(cè)中的應(yīng)用，通過優(yōu)化流動(dòng)氣體取樣結(jié)構(gòu)，提高了SO2檢測(cè)準(zhǔn)確度，該系統(tǒng)作為國(guó)內(nèi)首例，已在遵義變電站1臺(tái)電流互感器和1臺(tái)斷路器上成功應(yīng)用[24]。陳小環(huán)等人發(fā)現(xiàn)采用電化學(xué)傳感器技術(shù)的某型號(hào)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀存在氣體相互干擾的結(jié)構(gòu)缺陷，未能把H2和CO分離開來，導(dǎo)致把H2的量計(jì)算到CO的體積分?jǐn)?shù)里面，造成CO體積分?jǐn)?shù)不準(zhǔn)確，提出在可以檢測(cè)SO2，H2S，CO的基礎(chǔ)上，有必要增加H2傳感器[25]。文獻(xiàn)[8]通過溫度補(bǔ)償、流量補(bǔ)償和交叉干擾處理，對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)，使得H2S和SO2濃度檢測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于2.0%，CO相對(duì)誤差小于0.9%，應(yīng)用該檢測(cè)儀成功發(fā)現(xiàn)某海濱變電站運(yùn)行15年的GIS氣室內(nèi)已發(fā)生局部放電且腐蝕嚴(yán)重。

通常采用這種分析方法設(shè)計(jì)而成的電化學(xué)傳感器，優(yōu)點(diǎn)比較顯著、檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、響應(yīng)時(shí)間一般小于50 s、體積小，基本滿足SF6氣體分解產(chǎn)物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求，與計(jì)算機(jī)配合使用，被廣泛應(yīng)用于SF6氣體分解產(chǎn)物自動(dòng)在線檢測(cè)診斷和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但應(yīng)用中需解決傳感器在不同氣體之間的交叉干擾問題，分析儀器的溫漂特性和壽命衰減趨勢(shì)，校準(zhǔn)儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性等性能指標(biāo)，以確保SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果的可靠性和有效性。

3.4 紅外吸收光譜法

紅外吸收光譜法的原理是一束紅外光穿過樣品氣體時(shí)，由于樣品氣體對(duì)紅外光的吸收，光強(qiáng)被削弱，透過光與發(fā)射光的比值對(duì)波長(zhǎng)的函數(shù)構(gòu)成了樣品氣體的紅外吸收光譜。光譜圖中吸收峰的峰值、峰面積、形狀與該物質(zhì)濃度之間呈線性關(guān)系[26]。特定氣體的紅外吸收光譜會(huì)在其吸收波長(zhǎng)處出現(xiàn)尖峰，根據(jù)峰的大小、形狀、峰面積、出峰位置，可以對(duì)氣體組分進(jìn)行定性和定量分析。到目前為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)紅外吸收光譜法在SF6氣體分解產(chǎn)物分析中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。

H.M.Heise等人提出了采用紅外吸收技術(shù)檢測(cè)SF6分解產(chǎn)物，來判斷SF6電氣設(shè)備內(nèi)部絕緣情況[27]。Yul Martin等人利用紅外吸收光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)SF6氣體在正極性放電時(shí)的分解組分SF4和SOF2的體積分?jǐn)?shù)比負(fù)極性放電明顯多[28]。Kurte R采用紅外吸收光譜技術(shù)，用0.1 m光程氣體池對(duì)SF6分解組分進(jìn)行分析，給出了SO2，SO2F2，SOF2和SOF4等幾種特征分解產(chǎn)物的光譜圖[29]。瑞士高壓實(shí)驗(yàn)室M.Piemontesi采用0.175 m的光程氣體池研究H2O和O2對(duì)SF6分解組分的影響，檢測(cè)分解產(chǎn)物組分 SF4，S2F10，SOF2，SO2F2，SOF4，SiF4，COF2，CF4，CO和HF，研究發(fā)現(xiàn)H2O和O2的存在均有利于減少S2F10的含量[30]。

國(guó)內(nèi)對(duì)紅外吸收光譜法的研究起步相對(duì)較晚，張鳴超等人于20世紀(jì)90年代采用紅外吸收光譜技術(shù)，分析SF6以及SF6/N2，SF6/空氣混合氣體火花放電前后的成分，測(cè)得了放電后生成的物質(zhì)，并討論了放電生成物形成的機(jī)理分析，提出H2O和O2對(duì)SF6及混合氣體放電生成物的形成起著很重要的作用，必須嚴(yán)格控制GIS中的H2O和O2的含量[17]。目前重慶大學(xué)張曉星等人對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物的紅外光譜特性進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[31]介紹了為提高紅外吸收光譜技術(shù)檢測(cè)靈敏度，基于懷特池原理，利用3個(gè)凹面反射鏡組成共軛系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光路的多次反射，在有效增加光程長(zhǎng)的同時(shí)盡量減少光能損耗，設(shè)計(jì)了與傅里葉變換紅外光譜儀匹配的20 m光程長(zhǎng)氣體池。分別用長(zhǎng)短光程氣體池進(jìn)行SF6局部放電分解組分的紅外檢測(cè)，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，20 m長(zhǎng)光程氣體池檢測(cè)組分種類多，精度和信噪比高。文獻(xiàn)[32]利用紅外吸收光譜法對(duì)SF6局部放電分解組分進(jìn)行檢測(cè)分析，成功檢測(cè)到SOF2，SO2F2，SO2，SOF4，SF4等氣體，且在不同的時(shí)段檢測(cè)到了不同的組分種類和體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)，且 SOF2，SO2F2和SO2這3種氣體的規(guī)律性強(qiáng)，可以作為SF6放電分解的特征氣體，根據(jù)它們的變化情況可診斷GIS內(nèi)部的放電程度。

紅外吸收光譜法具有無需氣體分離、需要樣氣少、能有效降低干擾等優(yōu)點(diǎn)，紅外光譜譜圖可以直觀反映各氣體組分的變化情況，并且檢測(cè)過程中不會(huì)改變被測(cè)氣體成分，可形成在線檢測(cè)系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是：SF6是強(qiáng)電負(fù)性氣體，吸收紅外光厲害，會(huì)影響其它氣體的吸收峰，且部分分解氣體的吸收峰之間也存在交叉干擾現(xiàn)象，必須使用標(biāo)準(zhǔn)氣體得到參考圖譜對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行校正。

3.5 其他檢測(cè)方法

對(duì)SF6分解產(chǎn)物的分析也可采用質(zhì)譜法、碳納米管氣敏傳感器法。質(zhì)譜法是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)將運(yùn)動(dòng)的離子按質(zhì)荷比分離后進(jìn)行檢測(cè)的方法，測(cè)出離子準(zhǔn)確質(zhì)量即可以確定SF6氣體分解產(chǎn)物的含量。該方法具有精確可靠、靈敏度高、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但是儀器價(jià)格昂貴，不便現(xiàn)場(chǎng)使用。碳納米管氣敏傳感器法是利用碳納米管材料的電導(dǎo)會(huì)隨著設(shè)備內(nèi)部放電嚴(yán)重程度呈線性變化的原理，因此可以利用碳納米管氣敏傳感器對(duì)設(shè)備內(nèi)部的放電情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法準(zhǔn)確度不高，而且只能識(shí)別單一的氣體組分，難以單獨(dú)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4 結(jié)論

SF6氣體絕緣設(shè)備在我國(guó)110 kV及以上電壓等級(jí)的輸電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是特高壓交流輸電系統(tǒng)全部采用GIS設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)是亟待解決的關(guān)鍵問題之一，尋求一種能有效準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的方法顯得尤為重要。SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)已成為SF6氣體絕緣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的新技術(shù)和有效手段?，F(xiàn)有4種常用的SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)結(jié)果見表1。

表1 4種SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

目前常用的SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)方法都存在各自的不足之處，且技術(shù)也不夠成熟，很難應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)SF6氣體絕緣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)?；诂F(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）基于現(xiàn)有方法，合理配置檢測(cè)設(shè)備參數(shù)并優(yōu)化抗干擾性數(shù)學(xué)算法彌補(bǔ)現(xiàn)有設(shè)備的不足之處，提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。

（2）通過多技術(shù)聯(lián)合診斷的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合診斷，達(dá)到靈敏度高、檢測(cè)速度快、檢測(cè)氣體組分全面等目的。

（3）積極研究新型SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)，使檢測(cè)儀器智能化及小型化。

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（本文編輯：徐 晗）

Research Status and Development of SF6Decomposition Products Detection Technology

YANG Yong1，XU Hua2，WU Jinmu3，LIU Shi1，ZHANG Jing4

（1.State Gird Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Gird Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310008，China；3.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318000，China；4.State Grid Zhejiang Training Center，Hangzhou 310016，China）

By introducing discharge decomposition mechanism and influencing factors of SF6，the paper elaborates on the research of common SF6decomposition products detection methods such as gas chromatography，infrared spectrometry，gas detector tube，electrochemical sensor and so on；furthermore，it analyzes the principles，merits and demerits of the detection methods and concludes that the appropriate detection methods should be chosen in accordance with the different test purposes and conditions.In the end，the remaining problems in the research and the possible development direction are presented.

GIS；SF6decomposition products；detection technology；gas chromatography；infrared spectrometry

TM835.4

A

1007-1881（2016）10-0015-07

2016-05-16

楊 勇（1988），男，工程師，從事高壓試驗(yàn)工作。