氦离子检测器在微量SF6分解产物浓度检测中的应用分析

郑东升，连鸿松，林 坦，陈 然（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，350007）



氦离子检测器在微量SF6分解产物浓度检测中的应用分析

郑东升，连鸿松，林 坦，陈 然
（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，350007）

摘要：在SF6电气设备发生故障时，会导致SF6分解，产生气体分解产物，可以利用对SF6分解产物浓度的检测，来诊断SF6电气设备故障。虽然检测SF6分解产物浓度的方法有多种，但要实现对微量SF6分解产物准确检测非常困难，本文阐述氦离子检测器在微量SF6分解产物检测方面的应用。

关键词：氦离子检测器；SF6分解产物；SF6电气设备故障诊断

1 SF6分解产物浓度检测方法与难点

1.1SF6分解产物浓度检测方法

在科学技术的不断进步之下，SF6分解产物浓度检测的技术手段越来有多，常用的主要有比色管法、电化学法、实验室气相色谱质谱检测法、动态离子分析法以及傅里叶红外线光谱法、现场便携气相色谱法等，其中，现场便携气相色谱法综合了实验室台式气相色谱准确性高、重复性好和比色管法、电化学法现场使用方便、快捷的优势，具有更好的应用效果。

（1）SF6分解产物浓度检测难点

首先，在SF6气体绝缘设备中，SF6含量很高（几乎接近100%），由于故障因素产生的SF6分解产物含量很低，不容易被准确检测。

其次，在SF6气体分解产物中，有许多种产物的化学性质并不稳定，比如氟化物和硫化物，遇到水、空气时，都会发生化学反应，改变SF6分解产物的成分和浓度，比如SOF2在水作用下会产生HF、SO2；HF则容易与金属、绝缘材料等发生反应，形成氟化物，对SF6气体分解物的检测带来不便。

2 氦离子化检测器的工作原理与优势

2.1工作原理

氦离子化检测器（PDHID）包括两个组成部分，分别是放电室与电离室，放电室的电离源是来自氦中稳定、低功率的脉冲放电，脉冲电压作用于放电电极上之后，电极之间会出现放电现象，产生高能紫外光束；同时，在电极的放电作用下，高纯氦气中的氦原子（He）会被激发生成氦离子（He+）（24.5eV）与亚稳态氦原子（He*）（19.8eV）。

放电室的高能紫外光束会与He*一起进入到电离室中，在两者单独或者共同作用下，使进入电离室的色谱柱分离后气体中的被测组分发生电离，电离的离子会被电离室中的电极吸收生产电流，电流大小与被测组分浓度成正比，对电流进行放大处理后就能够得到被测组分浓度的谱峰信号。

在整个检测器工作过程中，存在的反应有：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´。在上述反应式中，He++、He*+分别是处于激发态的氦离子与亚稳态氦原子，e、e´分别是高能电子和降低能后的电子；AB是被测组分的分子或原子。

2.2优势

氦离子化检测器是一种非放射性检测器，在气体杂质检测的灵敏度方面，PDHID可以达到5ppb级（ng/g），是唯一能够实现ppb级检测的检测器，而氩离子检测器（ArD）、氧化锆检测器（ZrO2）以及热导检测器（TCD）分别只能实现0.05ppm、0.1ppm以及5ppm以上浓度杂质的检测。

在通用性方面，PDHID与TCD都属于通用型检测器，但PDHID对于各种无机物、有机物都有灵敏度很高的正响应，对绝大多数高纯气体中微量杂质气体检测都较为适用。ArD和ZrO2都是选择性检测器，前者检测的对象只是氩气组分，后者只能检测气体的四种杂质，分别是CO、CH4、O2、H2。

3 氦离子化检测器在SF6气体分解产物检测中的应用

3.1高纯SF6气体的杂质分析

氦离子化检测器则能够对SF6分解产物中的各种微量成分都可以作出线性响应，可以满足高纯SF6气体的杂质分析的需求。以某SF6分解产物体积检测实验为例，TCD、FID以及PDHID的检测结果如表1和表2所示。

表1：三种检测器检测结果对比

表2：PDHID中各种气体检测限（单位：ppb）

3.2氦离子化检测器在微量SF6分解产物检测中的应用

在SF6电气设备故障中，SF6分解产物的组分有十多种，PDHID氦离子化检测器对其均有良好的响应，检测时必须先对目标组分进行有效分离，因此，色谱分离系统的分离度高低决定着SF6分解产物检测的成败。目前对SF6分解产物的色谱分离有许多种流程，不同的流程分离效果差别很大，下面介绍一种新的使用氦离子化检测器SF6分解产物的色谱分离流程：

该系统检测流程见图一：该分离系统采用3路进样分析，通过已设置好的时间程序全程自动控制阀切换，实现各组分的有效分离；

首先，第一路样气进样后，样品由十通阀1经定量管切入进样气路，经硅胶柱1与硅胶柱2分离出CF4、CO2、C2F6、C3F8等组分先进入检测器1检测，然后切换十通阀1进行反吹将硅胶柱1中高浓度的SF6组分排空，同时载气将硅胶柱2中分离出的C4F10、SO2F2、H2S、COS等组分样带入检测器1检测。

其次，第二路样气通过十通阀2经定量管切入进样气路，经硅胶柱3与5A分子筛柱分离保留时间在SF6前的永久性气体如H2、O2、N2、CO等；再切换十通阀2进行反吹将硅胶柱3中的SF6组分排空。

图一

最后，第三路样气通过六通阀1经定量管切入进样气路，待样品中的SF6组分保留时间过后，将六通阀2从排空状态切换至检测器2回路，进入毛细管柱分离出的CS2、SO2等组分流入检测器2中进行检测。

在气路系统中，3路样气是同时取样，但进样的时间是依据整个组分分布顺序排列的。同时分离过程中需要切除SF6组分，以避免高含量SF6对C3F8、SO2F2等组分的干扰，提高C3F8、SO2F2等组分检测的灵敏度，实现组分在有效分离条件下的快速分析，为实验测试提供重大便利。

图二 设备状态控制图

在气路系统中，搭载了4个切换阀与5个色谱分析柱，在两个PDHID检测器的组合下，实现一次进样能对多种组分进行同时检测，也使原本用单一的检测器分析时需要几个小时的组分，实现快速出峰。把该气路系统应用于便携设备，较传统的台式色谱仪在样品气提取方面更为便利，样品消耗量降低，对组分检测带来巨大的便利，对一些地理位置偏远的变电站的故障测试提供更为便利的检测。

在软件分析系统中，通过PC机进行下位机的设备状态控制，实现整体的过程控制（过程控制见图二），从而进行组分的分离；图三、图四是氦离子检测器样品检测色谱图谱及检测数据；

图三 氦离子化检测器样品检测色谱图谱

图四 氦离子化检测器样品检测数据

4 结语

综上所述氦离子化检测器对微量SF6分解产物检测有着较好的效果，几乎能检测SF6电气设备内气体的所有组分，且检出限可达到10-9级，在灵敏度、通用性等方面都高于其它方法，对提高微量SF6分解产物检测水平和保障SF6电气设备安全运行有重要意义。

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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