李 臻，龔尚昆，萬(wàn) 濤

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在電力設(shè)備帶電檢測(cè)中的應(yīng)用

李 臻，龔尚昆，萬(wàn) 濤

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

介紹了電力設(shè)備帶電檢測(cè)中常用的化學(xué)成分檢測(cè)技術(shù)，包括油中溶解氣體分析技術(shù)，腐蝕性硫及銅離子檢測(cè)技術(shù)及SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)。并對(duì)化學(xué)檢測(cè)方法的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

油中溶解氣體；腐蝕性硫；銅離子；SF6分解產(chǎn)物

作為一種有效的帶電檢測(cè)方法，化學(xué)成分檢測(cè)在電力設(shè)備的帶電檢測(cè)中發(fā)揮著愈來(lái)愈大的作用。其分析的快速性、準(zhǔn)確性及實(shí)用性為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障診斷提供了堅(jiān)實(shí)的保障。常用的化學(xué)成分檢測(cè)技術(shù)包括絕緣油成分分析技術(shù)和SF6氣體狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。絕緣油成分分析技術(shù)指的是通過(guò)對(duì)于油中組分的成分分析來(lái)對(duì)絕緣油的性能進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障診斷，包括油中溶解氣體分析技術(shù)，腐蝕性硫及銅離子檢測(cè)技術(shù)等。而SF6氣體狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)則指的是通過(guò)分析SF6氣體狀態(tài)來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障診斷，主要指SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)。

1 油中溶解氣體分析技術(shù)

油中溶解氣體分析技術(shù)具有分析速度快、分析結(jié)果準(zhǔn)確、分析效果出色及便于在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。而且油中溶解氣體分析一般不需要設(shè)備停電，并對(duì)設(shè)備早期缺陷的檢測(cè)非常靈敏且有效，因此該方法已被作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在全國(guó)推廣實(shí)施。

1.1 油中溶解氣體檢測(cè)技術(shù)

1.1.1 離線檢測(cè)方法

離線檢測(cè)方法按照工作原理分為氣相色譜法、光聲光譜法及紅外光譜法等。①氣相色譜法利用混合氣體中各物質(zhì)在兩相間分配系數(shù)的差別，當(dāng)溶質(zhì)在兩相間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，不同分配系數(shù)的組分在色譜柱中的移動(dòng)速度不同，從而使各組分得到分離。氣相色譜法具有分析速度快、分析結(jié)果準(zhǔn)確、分析效果出色、靈敏度高及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。②而光聲光譜技術(shù)的原理基于光聲效應(yīng)，光聲效應(yīng)是指氣體分子吸收能量后被激發(fā)到高能態(tài)，處于高能態(tài)的分子躍遷回低能態(tài)時(shí)會(huì)釋放一定量的熱量，使氣體溫度上升，進(jìn)而產(chǎn)生壓力波。壓力波的強(qiáng)度與氣體的濃度正相關(guān)，故可通過(guò)檢測(cè)不同壓力波的強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)不同的氣體組分。光聲光譜法不消耗被測(cè)氣體、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快且檢測(cè)范圍寬，且便于開(kāi)發(fā)在線監(jiān)測(cè)裝置。③紅外光譜法指利用不同物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)紅外光的選擇性吸收來(lái)進(jìn)行分析的方法。紅外光譜法具有無(wú)需氣體分離、需要樣氣少、可定量分析、檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 在線監(jiān)測(cè)方法

離線檢測(cè)方法無(wú)法及時(shí)檢測(cè)發(fā)展較快的故障，故在線監(jiān)測(cè)方法成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在線監(jiān)測(cè)要求儀器可靠性高，能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，原則上不允許出現(xiàn)誤報(bào)警〔1〕。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備盡可能在靠近油流動(dòng)處安裝，使變壓器內(nèi)部因故障產(chǎn)生的氣體盡快達(dá)到檢測(cè)器而被檢測(cè)。在線監(jiān)測(cè)要求有一定的自動(dòng)化程序。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)引入了多種智能算法，如灰色聚類分析、BP神經(jīng)、粒子群算法等。王福忠等〔2〕基于人工免疫與模糊C均值聚類結(jié)合的電力變壓器故障診斷算法，通過(guò)分析變壓器油中溶解氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器的故障診斷。

常用的在線監(jiān)測(cè)方法為氣相色譜法和光聲光譜技術(shù)。多種氣體的在線監(jiān)測(cè)能夠真實(shí)地反映油中溶解氣體的實(shí)時(shí)狀況，為故障的診斷提供有力的保障。

1.2 基于油中溶解氣體檢測(cè)技術(shù)的故障診斷

油中溶解氣體組分特征取決于故障發(fā)生的部位、絕緣材料、故障發(fā)生類型及能量。因此，可通過(guò)分析溶解氣體組分特征對(duì)故障進(jìn)行診斷，如表1所示〔3〕。此外，還可通過(guò)計(jì)算氣體的相對(duì)含量來(lái)診斷變壓器的故障。比如基于[CH4]/[H2]、[C2H4]/[C2H6]、[C2H2]/[C2H4]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比的三比值法〔4〕。該方法消除了油體積效應(yīng)的影響，可靠地診斷故障狀態(tài)。

表1 特征氣體與變壓器異常現(xiàn)象的關(guān)系

2 腐蝕性硫及銅離子檢測(cè)技術(shù)

變壓器銅繞組的腐蝕通常是由于變壓器油中的腐蝕性硫?qū)е?，腐蝕性硫與銅反應(yīng)生成能溶于變壓器油的配合物，然后遷移到繞組絕緣紙上分解產(chǎn)生硫化亞銅，這樣會(huì)增加絕緣紙的導(dǎo)電性和介損，從而在線匝間絕緣紙上產(chǎn)生過(guò)熱區(qū)域，導(dǎo)致繞組之間絕緣擊穿〔5〕。而隨著銅的腐蝕，油中銅離子的含量也明顯上升。萬(wàn)濤等〔6〕通過(guò)研究硫化物在銅片表面的腐蝕過(guò)程發(fā)現(xiàn)，油中的銅離子與銅片表面硫含量的增長(zhǎng)密切相關(guān)，銅片表面硫腐蝕和氧腐蝕存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。根據(jù)銅含量的變化能夠有效監(jiān)測(cè)變壓器銅腐蝕狀態(tài)。溶解在油中的銅會(huì)使變壓器油中T501消耗加速，油的氧化安定性下降迅速，這是造成油加速老化的重要原因〔7〕。

為解決此種問(wèn)題，國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院〔8〕自主開(kāi)發(fā)了腐蝕性硫脫除吸附劑和吸附處理裝置，并在湖南省推廣。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)處理效果良好，能夠有效脫除腐蝕性硫、銅離子等有害物質(zhì)，處理后的油品電氣性能和變壓器本體絕緣電阻大幅提升，且對(duì)油質(zhì)無(wú)不良影響。

腐蝕性硫的檢測(cè)也有多種方法。目前，腐蝕性硫最常用的定性檢測(cè)方法是銅片試驗(yàn)法，具有很高的檢出率，ASTM，IEC，ISO，GB等標(biāo)準(zhǔn)都采用此方法。國(guó)內(nèi)外的研究人員同樣研究了多種硫含量的定量測(cè)定方法，譬如電感耦合等離子體法(ICP)、庫(kù)倫滴定法(ASTM D3120)等〔9〕測(cè)定變壓器油中總硫含量。而銅離子的檢測(cè)則多采用電感耦合等離子體法(ICP)和油料光譜法。

3 SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)

SF6氣體絕緣設(shè)備在制造、安裝或運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)各種缺陷，進(jìn)而發(fā)生放電(包括電弧放電、火花放電、局部放電等)或過(guò)熱故障，使得SF6氣體發(fā)生分解，降低設(shè)備的絕緣性能，同時(shí)危及運(yùn)行檢修人員人身安全〔10〕。

近年來(lái)，針對(duì)SF6氣體絕緣設(shè)備的故障診斷技術(shù)有了很大發(fā)展，如脈沖電流法、超聲波法、特高頻(Ultra High Frequency，簡(jiǎn)稱UHF)法和氣體分析法等檢測(cè)技術(shù)已大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。與其他方法相比，SF6氣體分析法不受電磁及噪聲干擾的影響，且可通過(guò)分析分解產(chǎn)物各組分的含量及產(chǎn)氣速率來(lái)判斷出故障的類型、嚴(yán)重程度及發(fā)展趨勢(shì)。故SF6氣體分析法成為了國(guó)內(nèi)外SF6氣體絕緣設(shè)備診斷的研究熱點(diǎn)。

常用的SF6分解組分檢測(cè)方法包括檢測(cè)管法、紅外光譜法、化學(xué)傳感器法、氣相色譜法及光聲光譜法等。①檢測(cè)管法具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但其容易受到溫度、濕度和存放時(shí)間的影響，且對(duì)于大部分SF6分解組分還沒(méi)有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)管，故該方法只能作為一種輔助檢測(cè)方法。②紅外光譜法具有無(wú)需氣體分離、需要樣氣少、可定量分析、檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，故可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。然而，SF6及其部分分解氣體的吸收峰十分接近，存在交叉干擾現(xiàn)象，且吸收峰的強(qiáng)度與物質(zhì)的含量不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，不易準(zhǔn)確定量。③化學(xué)傳感器法具有檢測(cè)速度快、效率高、操作簡(jiǎn)便、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線檢測(cè)及診斷等突出優(yōu)點(diǎn)。但是，電化學(xué)傳感器法只能檢測(cè)到SO2，H2S，CO和HF，而對(duì)SO2F2，SOF2，SF4，SOF4和CF4等則無(wú)法檢測(cè)。此外，各組分的響應(yīng)信號(hào)可能出現(xiàn)交叉干擾，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確。④氣相色譜法靈敏度高、定量準(zhǔn)確、易于自動(dòng)化。但檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，難以做到連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，且不適于現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。雖然便攜式的氣相色譜儀現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的利用，但由于檢測(cè)的組分太少，且檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、分離容易受到溫度影響等原因使檢測(cè)結(jié)果不理想。⑤光聲光譜法不消耗被測(cè)氣體、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快且檢測(cè)范圍寬，且便于開(kāi)發(fā)在線監(jiān)測(cè)裝置。唐炬等〔11〕研制了SF6分解組分檢測(cè)的光聲裝置，采用模擬電場(chǎng)的仿真手段來(lái)設(shè)計(jì)光聲池，并優(yōu)化了光聲池的結(jié)構(gòu)參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，光聲信號(hào)響應(yīng)與被測(cè)氣體組分的含量具有良好線性關(guān)系，對(duì)比測(cè)試表明，氣體的變化趨勢(shì)與氣相色譜儀結(jié)果具有良好的一致性。

4 存在問(wèn)題及展望

隨著檢測(cè)手段的日趨完善、檢測(cè)精度日益提高，化學(xué)檢測(cè)技術(shù)在電網(wǎng)設(shè)備的帶電檢測(cè)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。然而，依然存在一定的問(wèn)題亟待解決。

4.1 油中溶解氣體分析技術(shù)

油中溶解氣體分析技術(shù)及其故障診斷方法已較為成熟，并被廣泛應(yīng)用。不過(guò)，由于離線檢測(cè)方式需要將油樣取回后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)，而油樣運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)使得油中氣體濃度及相對(duì)含量發(fā)生變化，導(dǎo)致其結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。

而在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還不成熟，其穩(wěn)定性與可靠性仍需進(jìn)一步發(fā)展與完善。油色譜在線監(jiān)測(cè)設(shè)備普遍存在故障判據(jù)過(guò)于簡(jiǎn)單化、絕對(duì)化等缺陷。因而，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要研究方向應(yīng)著眼于以下方面:①多種氣體的在線監(jiān)測(cè)能夠真實(shí)地反映油中溶解氣體的實(shí)時(shí)狀況，為故障的診斷提供有力的保障。目前常規(guī)的在線色譜基本能滿足要求，不足的是測(cè)試周期長(zhǎng)，設(shè)備維護(hù)困難等問(wèn)題，因此目前重點(diǎn)發(fā)展方向應(yīng)為開(kāi)發(fā)能快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測(cè)試多種油中溶解氣體的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。②故障診斷方法智能化。應(yīng)結(jié)合多種數(shù)學(xué)方法，研究可準(zhǔn)確、快速設(shè)備潛伏性故障的智能化故障診斷方法，如小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。③數(shù)據(jù)庫(kù)大型化。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累、分析及總結(jié)，建立大型、快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 腐蝕性硫及銅離子檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)腐蝕性硫的檢測(cè)，依然缺乏可快速、準(zhǔn)確地測(cè)定油中腐蝕性硫的方法及儀器。目前所采用的方法操作過(guò)程復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件要求較高，測(cè)試結(jié)果存在較大的誤差。因此，亟需開(kāi)發(fā)可準(zhǔn)確定量檢測(cè)腐蝕性硫的方法及儀器。此外，關(guān)于腐蝕性硫的反應(yīng)機(jī)理仍然有很多方面值得進(jìn)行研究，包括不同種類腐蝕性硫的腐蝕機(jī)理、不同含量腐蝕性硫的影響及腐蝕過(guò)程的影響因素及控制等。包括:①相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件，在電場(chǎng)的作用下，硫?qū)︺~導(dǎo)線的腐蝕情況更為復(fù)雜。因此，電老化條件下對(duì)變壓器油中腐蝕性硫的研究將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。②油中氧氣濃度對(duì)Cu2S生成的影響尚不明確。氧氣是否參與Cu2S的生成尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。其次，油中氧氣濃度不同，可能會(huì)影響Cu2S在絕緣紙表面的附著情況，但該說(shuō)法缺乏合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)其進(jìn)行證明。③關(guān)于含有腐蝕性硫的變壓器油的回收與處理將會(huì)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

4.3 SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)

SF6作為絕緣氣體用于高壓電器設(shè)備的使用歷史不長(zhǎng)，人們運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)它的研究較短，目前已取得一定的成果，但同樣還有很多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究與探索。①關(guān)于SF6分解機(jī)理的研究依然未成熟，且SF6分解產(chǎn)物的含量與缺陷之間的關(guān)聯(lián)，還缺乏準(zhǔn)確的判斷方法及標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何建立SF6放電分解產(chǎn)物與絕緣缺陷類型之間的關(guān)系以及提取識(shí)別不同缺陷的分解氣體特征量是目前亟待解決的課題。還可從計(jì)算化學(xué)的角度來(lái)闡述SF6的分解過(guò)程，并進(jìn)一步從微觀角度理解故障發(fā)生過(guò)程，指導(dǎo)故障類型判斷。②由于分解氣體的成份復(fù)雜、種類多、含量小、穩(wěn)定性差，對(duì)于SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測(cè)方法依然還未完善，尤其是缺乏可靠、穩(wěn)定的在線檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)此種情況，應(yīng)著力開(kāi)發(fā)應(yīng)用高精度檢測(cè)儀器，如氣質(zhì)聯(lián)用色譜，氦離子化檢測(cè)器色譜儀，加強(qiáng)對(duì)分解產(chǎn)物的精確分析。③吸附劑的存在會(huì)吸附因故障產(chǎn)生的分解產(chǎn)物組分，導(dǎo)致實(shí)際的分解產(chǎn)物組分含量變低，掩蓋了SF6電氣設(shè)備早期絕緣缺陷的嚴(yán)重程度，增加了誤判率。因此，需結(jié)合吸附劑位置、氣壓、溫度、水分等，深入研究吸附劑吸附硫化物、碳化物等分解產(chǎn)物的特性，獲取其吸附的原理與動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以提高故障判斷的準(zhǔn)確性與客觀性。

5 結(jié)論

隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)檢測(cè)方法因其快速性、準(zhǔn)確性及實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)，必將為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障診斷提供了堅(jiān)實(shí)的保障。而新技術(shù)與新方法的不斷涌現(xiàn)，也會(huì)使化學(xué)檢測(cè)方法在帶電檢測(cè)中發(fā)揮愈來(lái)愈大的作用。

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Application of chemical detection technology in electric power equipment live working inspection

LI Zhen，GONG Shangkun，WAN Tao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the chemical composition detection technology is introduced，including the dissolved gas analysis technology，the corrosive sulfur and copper ion detection technology，the detection technology of SF6decomposition products. And the development direction of chemical detection method is prospected.

dissolved gas in the oil；corrosive sulfur；copper ion；SF6decomposition products

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0020-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.004

2015-12-28 改回日期:2016-02-24