六氟化硫气体分解产物检测技术

及应用

  周勋

六氟化硫（SF₆）电气设备在制造、现场安装和运行过程中，不可避免会在其内部产生一定的不良缺陷，如电极表面毛刺及划痕、自由导电微粒、悬浮导体、水分及SF₆气体分解等，这些问题的存在和发展对电气设备绝缘和机械特性带来不同程度的危害，严重时甚至造成装备设备故障，限于当前缺少对SF₆设备进行全面检测的有效手段，因此如何确保SF₆电气设备运行安全已成为一个学术及工程研究热点问题。

近年来，通过检测SF₆分解产物判断设备内部状况的方法逐渐受到现场人员的关注，其具有不受外界噪声和振动的干扰，适用于现场使用，且可能成为一种有效的在线监测手段。但相关研究结果表明，在SF₆电气设备内部故障时，放电分解组分复杂，分解产物含量相对较少，且不稳定，主要的SF₆气体分解产物有四氟化硫（SF₄）、二氧化硫（SO₂）、氟化亚硫酰（SOF₂）、二氟化硫酰（SO₂F₂）、四氟化亚硫酰（SOF₄）、十氟化硫（S₂F₁₀）及氟化氢（HF）等。SF₆气体物理、化学及复杂的分解特性均为现场SF₆分解物检测形成了一定的困难。

为提高SF₆气体分解产物检测准确度，能够根据不同试验目的和条件选择合适的检测方法，本文介绍了几种SF₆气体分解产物检测技术，如气体检测管法，气相色谱法，气体传感器，离子移动度计等等，还讨论了每种方法的现场应用需注意的情况。为今后的使用奠定基础。

1  气体检测管

我国1994年已研制出气体检测管，并取得了较好的检测效果，主要针对SO₂、HF和H₂S等几种气体，其工作原理是：通过检测装置^[1]（如图1所示）从高压电气设备中提取一定体积的SF₆气体，分别通过SO₂、HF、H₂S检测管，这些分解产物会在检测管中发生化学反应，并改变检测管颜色。由于反应机理不同，这三种分解产物不需要进行分离，可根据变色柱的长短，定量的读出SF₆气体中SO₂、HF和H₂S的浓度，其化学反应式分别如式(1)、式(2)、式(3)所示：

HF+NaOH=NaF+H₂O      紫红变黄       (1)

SO₂+I₂+2H₂O= H₂SO₄+2HI  蓝变白      (2)

 H₂S + Pb(CH₃COO)₂ → PbS +2CH₃COOH

白色变棕色  (3)

检测管能够检测到其体积分数10^-7级及以上的SO₂、HF或H₂S，使用简便。在现场试验时，将检测管装置接于设备逆止阀,开启阀门,SF₆气体流经检测管，测得分解气体浓度，实现GIS故障快速定位。但该方法往往容易受到温度、湿度和存放时间影响，并且不能检测其它主要分解气体，不能全面反应SF₆放电分解气体组分情况，限制了它的应用推广。

2  气相色谱法（GC）

色谱法本质在于色谱柱高选择性的高效分离作用和高灵敏度检测技术的结合。混合组份的样品在色谱柱中的分离依据是：同一时刻进入色谱柱的各组份，由于在流动相和固定相之间溶解、吸附、渗透或离子交换的不同，在两相之间进行反复多次（103～106）的分配，进而分离开来，最后按顺序流出色谱柱而进入检测器，在色谱数据处理机或工作站上显示出各组份的色谱行为和谱峰数值。

气相色谱法是流动相为气体的一类色谱分析法，通常由下列5个部分组成：①载气系统(包括气源和流量的调节与测量元件等)；②进样系统(包括进样装置和汽化室两部分)；③分离系统(主要是色谱柱)；④检测、记录系统(包括检测器和记录器)；⑤辅助系统(包括温控系统、数据处理系统等),如图2所示。

目前，气相色谱法是IEC60480-2004和GB/T 18867-2002共同推荐的检测方法，也是实验室用于SF₆放电分解气体组分检测的最常用方法。气相色谱仪可以同时检测其体积分数10^-8级及以上的CF₄、SF₆、SO₂F₂、SOF₂、SO₂、H₂O等气体组分。图3是典型的SF₆分解气体的色谱图^[2]。

图2  气相色谱仪组成、原理和流程示意图

但气色谱存在由于SO₂F₂与SF₆谱峰几乎重叠，降低了检测SO₂F₂的灵敏度，SOF₂与SF₄的保留时间很近，不易分离，对SO₂的检测比较困难、不能检测HF和SOF₄等缺点。色谱进样的特性决定了检测时间较长，不可能做到连续在线监测；采气和分析等过程渗入的水分使气体样品水解，影响检测结果；温度对色谱柱分离效果的影响以及色谱柱使用一段时间后需要清洗等固有特性决定了色谱技术对环境要求高，不适于现场在线监测应用。

3  气体传感器

该方法是利用化学气敏器件检测气体分解物。化学气敏传感器是利用对被测气体的形状或分子结构具有选择性俘获的功能(接受器功能)和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能(转换器功能)来工作的。气体传感器主要可分为：半导体型、电化学型、该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http://www.ems86.com总第573期2014年第41期-----转载须注名来源固体电解质和接触燃烧式气体传感器等。

基于碳纳米管（CNT）气体传感器的GIS分解气体检测法是近年来发展起来的一种新技术。相对其它气体传感器(如半导体气体传感器)而言，CNT气体传感器具有高感度高速响应，常温动作等优点。Suehiro J等发现CNT气体传感器对SF₆气体分解物具有非常高的感度，展现了巨大的潜力。

目前开发应用于现场检测的SF₆气体分解物分析仪检测方法均为电化学法，如SXT型数字式SF₆气体分解物分析仪、JH3000型SF₆电气设备分解产物检测仪等。电化学型气体传感器的主要优点是检测气体的灵敏度高，SO₂或SO₂+SOF₂，H₂S和HF的最小检知量均达到≤0.1μl/L。这类应用型分析仪在GIS故障诊断方面也发挥了一定作用，如2009年3月，对某电厂同批次的8台500kV罐式避雷器采用SF₆分解产物检测仪进行检测分析，发现7台避雷器的SO₂，H₂S含量很高，CO少量，现场判断认为气室存在严重放电故障，应尽快停电检修。早期故障的发现和故障位置的定位，为电力设备安全运行和工作人员安全提供了保障。

但是气体传感器存在对气体的选择性差的问题，如对SF₄，SO₂F₂，SOF₂和SOF₄等气体组分则无能为力。此外，部分气体传感器寿命较短，需定期更换，如HF气体传感器。

4 离子移动度计(IMS)

离子移动度计是一种对六氟化硫气体质量进行现场监测的新方法，它通过对设备中六氟化硫气体中总体杂质含量的测定，来反映设备中六氟化硫气体的劣化程度^[9]。

离子移动度计的基本原理为(如图5所示）待测气体经取样口进入离子化区，通过高压放电进行离子化，然后经过离子栅栏过滤进入电场区，残气由气体出口排出；在电场区内离子发生迁移，不同离子几何结构、电荷与质量各异，因而不同离子具有不同的迁移速度，到达法拉第极板的迁移时间也将不同，从而可以得到离子到达数目与迁移时间的波形图(离子迁移波谱）。将被测气体的离子迁移波谱与纯SF₆气体的离子迁移波谱进行对比，就能反映出被测气体含杂质的程度。

离子移动度计能测10^-6级的SF₆气体分解物杂质总量，但是易受实验环境条件影响，现场测试时每次测试前都必须重新进行参考气测量。此外，只能测量污染物的总量，不能对气体分解物具体分析，无法实现故障性质和位置的判断。

离子移动度计和以电化学型气体传感器为检测元件的SF₆气体分解物检测仪已有专业产品问世甚至现场应用，对SF₆电气设备的早期故障诊断发挥了一定作用。GC检测技术虽然在检测SF₆分解产物方面有很好的优势，但由于检测条件和价格等因素限制，目前仅局限于实验室使用。总结文中所述的4种检测技术优缺点，如表2所示。

在实验室或现场试验时，可结合表2，从试验要求，试验条件和检测技术经济性、可行性等方面综合考虑，以实现试验目的为准则，选取合适的SF₆气体分解产物检测技术。

（作者单位：海军装备部）