电气设备中混合绝缘气体检测技术研究

朱 峰，马凤翔，苏镇西，祁 炯，程 伟，刘 伟，陈 英，徐霄筱

(1.国家电网有限公司六氟化硫气体特性分析与净化处理技术重点实验室，安徽 合肥 230022；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

六氟化硫(SF6)气体具有优越的绝缘和灭弧性能，广泛应用于电力行业，是封闭式组合电器(GIS)中不可或缺的绝缘气体。但SF6气体又是一种典型的温室气体，温室系数为CO2的2.39万倍，每年电力行业向大气排放的SF6气体相当于1.2亿吨CO2，产生严重的温室效应[1]。在《京都议定书》和《巴黎协定》中，SF6均被列为六种禁止排放的温室气体之一[2]。随着我国电力行业的蓬勃发展，SF6使用量剧增，节能减排任务任重而道远[3]，寻找环境友好型SF6替代气体研究也成为国内外的研究重点之一[4]。

在没有一种气体可以完全替代SF6的情况下，在SF6中加入N2、CF4、普通空气等，构成二元混合气体，显现出多方面的优越性[5]。采用SF6/N2混合气体既可以有效解决高寒地区SF6气体液化问题，对于SF6气体含量为60%的SF6/N2气体，液化温度可以达到-40℃以下。而且，对于气量大的工程，采用SF6混合绝缘气体带来可观的经济效益，如混气比为50%/50%的SF6/N2可使气体费用减少40%[6]。

随着SF6混合气体的推广应用，相应的电气设备检测、状态评价技术也成为了研究的焦点之一。相对于纯SF6检测技术，混合气体的检测还处于初步阶段，需要对SF6混合绝缘气体的检测运维技术进行深入研究，混合气体设备的检测项目包括混合比检测、湿度检测、泄漏检测和分解产物检测[7]。

1 混合比检测

1.1 检测方法的选择

国内混合比检测研究还比较少，混合比检测可以借鉴SF6纯度检测，测试方法包括气相色谱法、密度测量法、热传导法等。气相色谱法利用载气通过色谱柱将混合气体分离开，各组分分别通过检测器转变为电信号。气相色谱测量精度高，但造价也较高，对运行环境要求高，不适宜大规模现场测量。密度测量法利用不同气体在一定流速下，产生不同压力的原理进行测量，但需要的管道很长(60-90m)、测量滞后、校准费用高、精度低，不适宜现场测量。热导检测法是根据不同气体具有不同导热系数的原理间接测量气体纯度的方法，热导检测具有体积小、功耗低、进样量少、响应迅速等优点，但需要控温系统和恒温环境保证测量的准确性。

通过以上比较，在建立恒温装置保证试验环境条件下，选择热导检测法进行混合比测量。在SF6纯度检测技术的基础上，采用微流量热传导研制混合气体混合比分析仪，实现对混合绝缘气体SF6/CF4、SF6/N2、SF6/Air中各气体组分的混合比检测。

图1 混合气体纯度分析仪

微流量热导传感器集成金属薄膜热敏元件和膜加热测量电阻，通过气体扩散作用采集样气进行检测。热导传感器的热丝具有电阻随温度变化的特性，加热丝加热到一定温度，载气通过时热丝的一部分热量被载气带走，热丝的温度下降。在这个动态过程中，热丝的电阻值和热丝内部电流发生变化，传感器输出信号与载气含量成比例关系，由此进行气体含量测量。其中，彼此之间无化学作用的多种组分，混合气体的热导率可近似表达为各组分热导率的加权平均值。

在检测过程中需保持传感器的工作温度不变，为了实现热导气体传感器恒温检测，须在传感器的温度随气体浓度(亦即气体热导系数)变化时，改变传感器的工作电流(即采用可变电流源)，从而基于传感器工作电流的变化与被测气体导热系数的关系，实现气体含量检测。

1.2 检测方法的应用

仪器：混合气体纯度分析仪、SMF06-5型动态配气仪(配制不同浓度的混合气体，标定后检测混合气体组分含量)。

样气：SF6气体(纯度≥99.99%)、CF4气体(≥99.99%)。

使用动态配气仪配置不同混合比例标准气体，利用混合气体纯度仪对不同混合比例的SF6/CF4、SF6/Air混合气体进行检测，试验结果如图2所示。

图2 混合气体SF6/CF4检测结果

实验分析表明：SF6/CF4气体组分检测值与实际值误差均小于1.5%。分析使用的气体流量小于100mL/min，稳定时间小于2min，不需要外接电源，适合现场快速分析。

2 湿度检测

2.1 检测方法的选择

设备中微量水分的含量是SF6电气设备的重要指标之一，当水分含量增大，SF6设备的灭弧能力、绝缘强度都会下降，同时对设备的安全运行造成重大影响[8]。

目前，微量水分含量的测量主要有露点法、阻容法、电解法[9]、色谱法[10]等。露点法和阻容法使用较为普遍。冷镜式露点法是目前应用较为普遍的方法之一，准确度较高，其测量可靠性、稳定性、重复性均高于其原理的仪器。冷镜式露点仪的工作原理是基于测量气体中水蒸气的分压。当被测气体以一定的流量通过露点仪的传感器时，半导体制冷器会冷却传感器的镜面。当镜面降到一定温度时，气体中的水蒸气会在镜面的表面结露或结霜，在达到热力学平衡状态时测得的镜面温度为被测气体的露点或霜点值。整个测量过程由光电平衡系统自动控制，是一种通用的湿度标准测量方法。使用露点仪测量气体湿度时，需注意气体液化现象[11]。图3为常用的露点法镜面露点仪。

图3 DP19镜面露点仪

阻容法湿度仪一般是指以湿敏电容或湿敏电阻为感湿元件、测量气体中水蒸气含量的仪器仪表，常用于低湿范围的测量。湿度传感器主要由电极、感湿材料和电极基底等部分组成。感湿材料一般为高分子活性聚合物薄膜，能够吸收水蒸气，其电参数(如电容、电阻、介电常数或频率等)与周围环境的水蒸气含量具有某种函数关系。测量电路测量湿敏元件电参数的改变，并换算成相应的露点值。阻容法湿度仪比较明显的缺点是容易发生漂移，需每年校准一次，或者重新修正仪器的工作曲线。这类露点仪可以制作成便携式或防爆型，适合于现场检测或长时间在线监测。图4为阻容法湿度传感器结构，图5为常用阻容法精密露点仪。

图4 阻容法湿度传感器结构

与电解法等方法不同的是：在常压下，冷镜面露点仪和阻容法湿度仪测试的结果均只与气体当中水蒸气的分压有关，与气体的种类、气体的混合比例等无关。利用这一特点，将现有的冷镜面露点仪和阻容法湿度仪直接应用于混合气体湿度检测。

图5 ATSP 907D精密露点仪

2.2 检测方法的应用

仪器：DP19镜面露点仪(露点法)、SDP3000精密露点仪(阻容法)。

样气：SF6气体(≥99.99%)、CF4气体(≥99.99%)。

利用实验室研发的湿度密度发生装置配置不同水分含量的混合气体SF6/CF4，混气比分别为1∶1、2∶3、3∶2，采用阻容法和镜面法检测混合气体中的水分含量(环境温度20℃)，检测结果如表1：

表1 露点法、阻容法数据对比

分析结果可知，SF6/CF4混合比为1∶1、2∶3、3∶2时，检测结果均与配气设定标准值接近，且两种检测方法测得的试验结果接近，误差<±1℃。由此推断：现有的阻容法和镜面露点仪均可用于混合气体中微量水分检测。需要注意是：现场露点法和阻容法的测试结果需结合环境温度，用六氟化硫湿度折算表计算到20℃情况下对设备状态进行分析。

3 泄漏检测

3.1 检测方法的选择

GIS电气设备在长期运行过程中，会因为制造的缺陷、腐蚀等因素造成混合气体的泄漏、系统压力降低，严重时会使得设备的绝缘强度和灭弧能力降低。同时，也造成环境的污染。

参考纯SF6气体检漏技术，对混合气体的泄漏检测技术进行研究。目前使用的方法包括：抽真空检漏法、肥皂气泡法、包扎法、“卤素效应”检漏法、热岛检漏法、激光成像检漏法、红外成像法等。其中，“卤素效应”检漏法和激光成像法是目前使用较为广泛的方法。 (1)所谓“卤素效应”是指金属铂在一定温度下发生正离子发射，遇到卤素SF6气体时，正离子发射量激增，这种发射特性称为“卤素效应”，可以实现定量检漏，也可以用于混合气体检测。但这种方法有一定的局限性，只能测定特定区域的SF6气体，但当有风就不能进行检漏，受环境的制约性较大[12]。

(2)红外检漏法利用SF6气体吸收特定波长的红外光的特性，使SF6气体和空气呈现不同的红外影像，将肉眼看不见的SF6气体，利用红外成像的原理显现出来。红外检漏法有很多优点，如：避免直接接触，实现带电检测，保护人员安全；准确定位并以图片形式保存泄漏位置；采用红外接收，不需要外接电源，设备体积小操作方便，对天气、环境要求低；成像时间短，工作效率高。

红外带电检测，可以避免因停电造成损失，同时检测可以保持一定的检测距离，检测快速高效、图像清晰、检测结果可靠，且目前纯SF6气体泄漏检测应用较多的技术就是红外成像检漏法。综合考虑多种因素，采用红外成像检漏法开展混合气体泄漏检测技术的研究。

3.2 检测技术的应用

仪器：GF-306红外成像检漏仪，SMF06-5型动态配气仪，LSP01-1A标准泄漏源。

样气：SF6气体(≥99.99%)，CF4气体(≥99.99%)，N2(≥99.99%)。

图6 GF-306红外成像检漏仪 图7 LSP01-1A标准泄漏源

利用SMF06-5型动态配气仪，配置不同浓度的混合气体，利用红外成像检漏仪进行检测。表2为检测距离为1m和5m时红外成像仪检测SF6/N2混合气体的实验结果；表3为在距离3米、背景温度30℃、无风的条件下，测试不同比例的混合气体泄漏检测限；表4为不同风速对泄露检测限值的影响。

表2 SF6/N2混合气体红外检漏仪检测结果

表3 不同浓度比例的混合气体泄漏检测限值

表4 风速对泄漏检测限值影响

实验结果表明：混合气体中仅含有2%的SF6气体时，仍可以利用红外成像检漏仪检测到泄漏，但纯CF4和N2在红外检漏仪下不可见。同时，在3米距离不同含量SF6均可以达到很低的检测下限。风速对泄漏检测的效果有较大影响，为了达到理想的检漏效果，尽量选择无风天气进行现场检漏。

4 分解产物检测4.1 检测方法的选择

SF6分解产物检测不受电磁噪声和振动影响，同时适用于过热故障检测，是诊断局部放电的重要手段[13]。但SF6分解产物(如H2S、CO2、CO、SO2等)的含量和设备状态之间非简单对应关系，分解产物含量低，受多种因素的影响，有必要研制高灵敏度、高准确率的仪器，准确分析分解物的含量和变化趋势，保障设备的安全运行。混合气体设备加入CF4、N2、空气等，其分解产物的检测与纯SF6存在一定区别，但可以借鉴纯SF6分解产物检测技术：SF6分解产物检测技术研究表明，分解产物的定量检测与背景气密切相关，背景气的不同可能成倍影响分解产物的检测结果，需对分解产物的定量分析结果进行改进和完善；混合气体中含有大量的CF4、N2等气体，可能参与反应，使得其分解产物可能与SF6分解产物存在差异。因此有必要开展混合气体分解产物检测技术研究。

现有的检测技术主要包括：检测管技术、红外光谱法、电化学传感器法、气相色谱法(GC)等。

(1)检测管法常用于定性分析SO2、H2S、HF等组分，利用检测管内填充物于组分发生化学反应产生变色，检测管变色长度与物质的浓度成正比读取变色柱的刻度进行定量分析。检测管法操作简单方便，但容易受湿度、温度的影响，检测物质单一，不适合电气设备的全面诊断。

(2)红外光谱法可检测SO2、HF、SF4、SOF2、SOF4、CO、SO2F2、CF4、S2F10、SiF4、COS、CO2、H2O等多个组分[14]。其检测基本原理为：利用样品对红外光的吸收进行定性分析，红外光的吸收量与待测气体浓度之间呈线性关系，依据朗伯-比尔定律对SF6分解产物各组分进行定量分析。该方法检测时间短，但SF6分解产物的含量很低，而红外光源一般较弱，使得微量气体的检测困难，气体中SF6背景气体浓度较大且吸收峰较宽，与部分分解产物的吸收峰十分接近，可能存在峰重叠的交叉干扰现象，影响气体组分的定量分析结果，且检测下限较高。

(3)电化学传感器法的主要检测组分为SO2、H2S和CO，其工作原理为：传感器内置化学气敏器件，具有对被测气体的形状或分子结构选择性俘获的功能(接收器功能)和将俘获的化学能量有效转化为电信号的功能，利用待测物质的浓度与电信号间的特定关系就可以进行定量分析[15,16]。目前常见的用于现场分解产物检测分析的均为电化学传感器法。当样气通过检测器时，发生电极反应形成电信号，从而进行定量分析。该方法检测快速、灵敏度高，对SO2、H2S和CO的最小检知量均达到≤0.1μL/L，适用于现场特定组分的定量分析检测，是目前普遍应用的分解产物检测方。但使用电化学传感器法进行混合气体检测时必须先知道混合气体的种类和比例。

(4)气相色谱法(GC)。气相色谱分离的原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数，待测样品进入色谱柱后，各组分在固定相与流动相间的溶解、吸附等作用力不同，在两相中进行反复多次的分配(溶解、吸附)，使得原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而使各组分彼此分离，按流出顺序进入检测器检测后，在工作站形成色谱流出曲线，进行定量分析。常见的用于SF6气体分析的色谱分两种：1)采用热导检测器(TCD)分析的色谱仪，主要检测SF6、CF4、Air、CO2、C3F8等组分含量。该方法分析时采用氦气或氢气做载气，检测组分有限，难以实现硫化物的检测，不适用于混合气体分解产物检测。2)采用氦离子检测器(PDHID)分析的色谱仪，能实现对所有SF6分解产物的检测，且检测精度高，是目前SF6分解产物色谱分析推荐使用的检测器[17,18]。

由于分析时，SO2、H2S、SOF2、SOF4等组分含量很低，SF6背景气体的浓度较大，影响检测精度，通过研发多色谱柱、多切割技术的氦离子化气相色谱仪，结合余切、切割、反吹、正吹、色谱串联进样等技术，切除SF6和其他混合气体背景的干扰，提高了分解产物检测的精度，可用于混合气体分解产物检测。图8为多切割的氦离子气相色谱仪气路流程图。

图8 气路流程图

4.2 检测方法的应用

仪器：GC-9560-HG便携式氦离子化气相色谱仪(SF6/CF4混合气体专用)。

载气：氦气。

驱动器：空气。

标气：SF6多种分解产物的标气(平衡气为氦气)，包括多种无机物和有机物。

样气：SF6/CF4故障气体。

实验采取以He为平衡气的标样对气相色谱进行标定，标定谱图如图9、图10所示，保留时间及标定浓度如表5；用标定后的设备对混合故障气体进行检测，检测谱图如图11、图12所示。

图9 气相色谱A通道标准物谱图

图10 气相色谱B通道标准物谱图

表5 标气中各组分气体浓度与保留时间

图11 A通道故障气体谱图

分析可知，SF6/CF4混合气体氦离子化气相色谱仪可以检测包括H2、O2、N2、CH4、CO、CO2、C2F6、C3F8等14种杂质气体，其中H2、O2、N2、CH4、CO2、C3F8是新气中可检测到的物质，其他气体多为设备出现故障时会出现的特征气体。例如，在设备出现故障后，设备内出现图11、图12中所示CO、CO2、SOF2、SO2，含量分别为6ppmv、20ppmv、283ppmv、35ppmv。微量的故障杂质气体的出现就证明设备曾出现局部放电过热[19，20]。

但气相色谱在标定后只能测已知成分气体，且标定时使用的是以He为底气的标准气体，与实际的混合气体设备中以SF6/CF4的故障气体有一定的差别，仪器在气体切割上存在不同。当使用仪器测试SF6/N2混合故障气体时，也需要改变色谱柱和气路进行改造来实现气体的分离和检测。

5 结论

(1)采用微流量热传导法研制的混合气体纯度测试仪具有体积小、功耗低、进样量少、响应迅速等优点。仪器的检测误差≤0.5%，检测结果准确可靠，满足运行设备的带电检测需求。

(2)试验证明，阻容法和镜面法均适用于混合气体的湿度检测，检测温度<±1℃，检测时间短，检测结果精准可靠，适合现场快速检测。

(3)通过开展混合气体泄漏检测实验，实验表明红外成像检漏仪可实现检测混合气体泄漏检测，同时具有较低的检测下限，适用现场环境。

(4)采用氦离子检测器的混合气体分解产物检测仪，可以实现多种混合绝缘气体分解产物的定量分析检测，有效的判断设备故障。

GIL、GIS非灭弧气室使用SF6/N2替代纯SF6，高纬度地区使用SF6/CF4混合气体成为目前的趋势。混合绝缘气体检测技术的研究有助于混合气体设备的推广，减少SF6温室气体的使用和排放，也填补了国内混合绝缘气体检测方面的一些空白。