鄭東升，連鴻松，林 坦，陳 然（國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，350007）

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氦離子檢測器在微量SF6分解產(chǎn)物濃度檢測中的應(yīng)用分析

鄭東升，連鴻松，林 坦，陳 然
（國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，350007）

摘要：在SF6電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，會導(dǎo)致SF6分解，產(chǎn)生氣體分解產(chǎn)物，可以利用對SF6分解產(chǎn)物濃度的檢測，來診斷SF6電氣設(shè)備故障。雖然檢測SF6分解產(chǎn)物濃度的方法有多種，但要實(shí)現(xiàn)對微量SF6分解產(chǎn)物準(zhǔn)確檢測非常困難，本文闡述氦離子檢測器在微量SF6分解產(chǎn)物檢測方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氦離子檢測器；SF6分解產(chǎn)物；SF6電氣設(shè)備故障診斷

1 SF6分解產(chǎn)物濃度檢測方法與難點(diǎn)

1.1SF6分解產(chǎn)物濃度檢測方法

在科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步之下，SF6分解產(chǎn)物濃度檢測的技術(shù)手段越來有多，常用的主要有比色管法、電化學(xué)法、實(shí)驗(yàn)室氣相色譜質(zhì)譜檢測法、動態(tài)離子分析法以及傅里葉紅外線光譜法、現(xiàn)場便攜氣相色譜法等，其中，現(xiàn)場便攜氣相色譜法綜合了實(shí)驗(yàn)室臺式氣相色譜準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好和比色管法、電化學(xué)法現(xiàn)場使用方便、快捷的優(yōu)勢，具有更好的應(yīng)用效果。

（1）SF6分解產(chǎn)物濃度檢測難點(diǎn)

首先，在SF6氣體絕緣設(shè)備中，SF6含量很高（幾乎接近100%），由于故障因素產(chǎn)生的SF6分解產(chǎn)物含量很低，不容易被準(zhǔn)確檢測。

其次，在SF6氣體分解產(chǎn)物中，有許多種產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)并不穩(wěn)定，比如氟化物和硫化物，遇到水、空氣時(shí)，都會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變SF6分解產(chǎn)物的成分和濃度，比如SOF2在水作用下會產(chǎn)生HF、SO2；HF則容易與金屬、絕緣材料等發(fā)生反應(yīng)，形成氟化物，對SF6氣體分解物的檢測帶來不便。

2 氦離子化檢測器的工作原理與優(yōu)勢

2.1工作原理

氦離子化檢測器（PDHID）包括兩個(gè)組成部分，分別是放電室與電離室，放電室的電離源是來自氦中穩(wěn)定、低功率的脈沖放電，脈沖電壓作用于放電電極上之后，電極之間會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，產(chǎn)生高能紫外光束；同時(shí)，在電極的放電作用下，高純氦氣中的氦原子（He）會被激發(fā)生成氦離子（He+）（24.5eV）與亞穩(wěn)態(tài)氦原子（He*）（19.8eV）。

放電室的高能紫外光束會與He*一起進(jìn)入到電離室中，在兩者單獨(dú)或者共同作用下，使進(jìn)入電離室的色譜柱分離后氣體中的被測組分發(fā)生電離，電離的離子會被電離室中的電極吸收生產(chǎn)電流，電流大小與被測組分濃度成正比，對電流進(jìn)行放大處理后就能夠得到被測組分濃度的譜峰信號。

在整個(gè)檢測器工作過程中，存在的反應(yīng)有：e+He→He*+e′；e+He→He++2e′；He*+He*→He++He+e′；He++AB→He+AB++e′；He*+AB→He+AB++e′；e+AB→AB++2e′。在上述反應(yīng)式中，He++、He*+分別是處于激發(fā)態(tài)的氦離子與亞穩(wěn)態(tài)氦原子，e、e′分別是高能電子和降低能后的電子；AB是被測組分的分子或原子。

2.2優(yōu)勢

氦離子化檢測器是一種非放射性檢測器，在氣體雜質(zhì)檢測的靈敏度方面，PDHID可以達(dá)到5ppb級（ng/g），是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)ppb級檢測的檢測器，而氬離子檢測器（ArD）、氧化鋯檢測器（ZrO2）以及熱導(dǎo)檢測器（TCD）分別只能實(shí)現(xiàn)0.05ppm、0.1ppm以及5ppm以上濃度雜質(zhì)的檢測。

在通用性方面，PDHID與TCD都屬于通用型檢測器，但PDHID對于各種無機(jī)物、有機(jī)物都有靈敏度很高的正響應(yīng)，對絕大多數(shù)高純氣體中微量雜質(zhì)氣體檢測都較為適用。ArD和ZrO2都是選擇性檢測器，前者檢測的對象只是氬氣組分，后者只能檢測氣體的四種雜質(zhì)，分別是CO、CH4、O2、H2。

3 氦離子化檢測器在SF6氣體分解產(chǎn)物檢測中的應(yīng)用

3.1高純SF6氣體的雜質(zhì)分析

氦離子化檢測器則能夠?qū)F6分解產(chǎn)物中的各種微量成分都可以作出線性響應(yīng)，可以滿足高純SF6氣體的雜質(zhì)分析的需求。以某SF6分解產(chǎn)物體積檢測實(shí)驗(yàn)為例，TCD、FID以及PDHID的檢測結(jié)果如表1和表2所示。

表1：三種檢測器檢測結(jié)果對比

表2：PDHID中各種氣體檢測限（單位：ppb）

3.2氦離子化檢測器在微量SF6分解產(chǎn)物檢測中的應(yīng)用

在SF6電氣設(shè)備故障中，SF6分解產(chǎn)物的組分有十多種，PDHID氦離子化檢測器對其均有良好的響應(yīng)，檢測時(shí)必須先對目標(biāo)組分進(jìn)行有效分離，因此，色譜分離系統(tǒng)的分離度高低決定著SF6分解產(chǎn)物檢測的成敗。目前對SF6分解產(chǎn)物的色譜分離有許多種流程，不同的流程分離效果差別很大，下面介紹一種新的使用氦離子化檢測器SF6分解產(chǎn)物的色譜分離流程：

該系統(tǒng)檢測流程見圖一：該分離系統(tǒng)采用3路進(jìn)樣分析，通過已設(shè)置好的時(shí)間程序全程自動控制閥切換，實(shí)現(xiàn)各組分的有效分離；

首先，第一路樣氣進(jìn)樣后，樣品由十通閥1經(jīng)定量管切入進(jìn)樣氣路，經(jīng)硅膠柱1與硅膠柱2分離出CF4、CO2、C2F6、C3F8等組分先進(jìn)入檢測器1檢測，然后切換十通閥1進(jìn)行反吹將硅膠柱1中高濃度的SF6組分排空，同時(shí)載氣將硅膠柱2中分離出的C4F10、SO2F2、H2S、COS等組分樣帶入檢測器1檢測。

其次，第二路樣氣通過十通閥2經(jīng)定量管切入進(jìn)樣氣路，經(jīng)硅膠柱3與5A分子篩柱分離保留時(shí)間在SF6前的永久性氣體如H2、O2、N2、CO等；再切換十通閥2進(jìn)行反吹將硅膠柱3中的SF6組分排空。

圖一

最后，第三路樣氣通過六通閥1經(jīng)定量管切入進(jìn)樣氣路，待樣品中的SF6組分保留時(shí)間過后，將六通閥2從排空狀態(tài)切換至檢測器2回路，進(jìn)入毛細(xì)管柱分離出的CS2、SO2等組分流入檢測器2中進(jìn)行檢測。

在氣路系統(tǒng)中，3路樣氣是同時(shí)取樣，但進(jìn)樣的時(shí)間是依據(jù)整個(gè)組分分布順序排列的。同時(shí)分離過程中需要切除SF6組分，以避免高含量SF6對C3F8、SO2F2等組分的干擾，提高C3F8、SO2F2等組分檢測的靈敏度，實(shí)現(xiàn)組分在有效分離條件下的快速分析，為實(shí)驗(yàn)測試提供重大便利。

圖二 設(shè)備狀態(tài)控制圖

在氣路系統(tǒng)中，搭載了4個(gè)切換閥與5個(gè)色譜分析柱，在兩個(gè)PDHID檢測器的組合下，實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)樣能對多種組分進(jìn)行同時(shí)檢測，也使原本用單一的檢測器分析時(shí)需要幾個(gè)小時(shí)的組分，實(shí)現(xiàn)快速出峰。把該氣路系統(tǒng)應(yīng)用于便攜設(shè)備，較傳統(tǒng)的臺式色譜儀在樣品氣提取方面更為便利，樣品消耗量降低，對組分檢測帶來巨大的便利，對一些地理位置偏遠(yuǎn)的變電站的故障測試提供更為便利的檢測。

在軟件分析系統(tǒng)中，通過PC機(jī)進(jìn)行下位機(jī)的設(shè)備狀態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)整體的過程控制（過程控制見圖二），從而進(jìn)行組分的分離；圖三、圖四是氦離子檢測器樣品檢測色譜圖譜及檢測數(shù)據(jù)；

圖三 氦離子化檢測器樣品檢測色譜圖譜

圖四 氦離子化檢測器樣品檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

綜上所述氦離子化檢測器對微量SF6分解產(chǎn)物檢測有著較好的效果，幾乎能檢測SF6電氣設(shè)備內(nèi)氣體的所有組分，且檢出限可達(dá)到10-9級，在靈敏度、通用性等方面都高于其它方法，對提高微量SF6分解產(chǎn)物檢測水平和保障SF6電氣設(shè)備安全運(yùn)行有重要意義。

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The helium ion detector using the decomposition analysis of product concentration in the detection of trace SF6

Zheng Dongsheng，Lian Hongsong，Lin Tan，Chen Ran
（In Fujian Province Electric Power Company Electric Power Research Institute， 350007）

Abstract：In the event of the failure of SF6 electrical equipment，will lead to the SF6 decomposition，produce gas decomposition products，can be used to detect SF6 decomposition product concentration，SF6 electrical equipment fault diagnosis.Although there are many methods to detect the SF6 concentration of the decomposition products，but to achieve the accurate detection of trace SF6 decomposition products is very difficult， the helium ion detector used in the detection of decomposition products of SF6.

Keywords：helium ion detector；SF6 decomposition products；fault diagnosis of electrical equipment SF6