气体绝缘电力设备中SF6气体分解物的检测技术研究

闫大庆

（北京兆维电子（集团）有限责任公司，北京 100015）

随着我国电力需求的快速增长，电力系统的安全稳定运行的要求也在不断地提高。高电压大容量的SF6气体绝缘电力设备作为电能传输和分配的核心设备，技术含量高且投资大，其可靠性直接影响到电力系统的稳定。因此，高压、特高压变电站中的六氟化硫（SF6）气体绝缘电力设备有着举足轻重的地位。以往的运行经验和相关研究表明，SF6气体分解物的种类、含量等信息与SF6气体绝缘电气设备的运行状态关系密切相关。因此，可以通过SF6气体分解物来对设备的运行状态进行监测和故障诊断。通常，SF6气体分解物的含量在ppm量级，需要高灵敏度的气体检测技术来进行测量。本文对目前常见的几种高灵敏度的气体检测手段进行了分析、对比和总结。

1 气体检测技术分析

1.1 气相色谱法

气相色谱法(Gas Chromatography, GC)是利用混合物中不同物质在固定相和流动相分配系数的差别，使混合物中的物质组分经过反复多次的吸附和脱附的分配过程，使不同物质组分从色谱柱流出的时间不同而以达到分离的目的。气相色谱具有高分离效率和高灵敏等显著特点，是分离复杂混合组分的有效手段。气相色谱法是SF6气体分解物分析中最常用的方法，也是国际标准IEC 60480-2004和国家标准GB/T 8905-2012中推荐的检测方法，标准中推荐的气相色谱的方法可以检测SF6、SO2F2、SOF2、CF4、CO2、H2O 以及 SO2等组分。

气相色谱系统主要由气路系统（载气以及流量控制等）、进样系统、分离系统（色谱柱和柱温箱等）以及检测器和记录系统等几部分构成。

气路系统主要包括载气、载气净化、载气流量控制等部分，目的是为了提供稳定的具有一定流量的载气。载气通常是一些高纯度的惰性气体，要求不与分析物发生化学反应并不被固定相吸附，常见的载气包括氮气、氦气、氢气等等。进样系统主要包括进样器和汽化室，分析物通过进样器进入汽化室并汽化，之后随载气进入分离系统（色谱柱）。分离系统一般主要指色谱柱和柱温箱，前者是完成混合物样品分离的场所，后者为前者提供所需要重要的分离条件——温度。分离系统是气相色谱系统的核心部件。检测器是气相色谱系统的关键组成部分，它主要负责将一定浓度的分析物的化学表征转化为相应的电信号响应。常用的检测器包括热导检测器(TCD)，氢火焰离子化检测器(FID)，氦离子化检测器(HID)，质谱检测器(MSD)，电子捕获检测器(ECD)，脉冲放电氦离子化检测器(PDHID)，氮磷检测器(NPD)和火焰光度检测器(FPD)等，其中TCD和FID为一般气相色谱系统中最常见检测器，IEC60480-2004即推荐TCD和FID两种检测器用于检测SF6气体分解物。另外，由于SF6气体分解物中大多数为含硫化合物，因此对硫化物响应极其灵敏的FPD也可以作为SF6气体分解物的气相色谱检测器。一定浓度的化合物经过检测器后形成的电信号会被记录系统描绘形成色谱图。

以往气相色谱仪多为实验室的检测分析仪器，基本不具备便携性。因此，通常需要电力检修人员将在变电站采集的样品带回化验室进行分析。样品在保存和运输的过程中，有些分解气体组分会发生变化，导致气体含量改变从而不能准确地反映气体绝缘电气设备的运行状态。近年来，便携式的气相色谱仪问世，很大程度上提高了其便携性。然而便携性能的提升常常是通过部分检测灵敏度换取的，目前便携式气相色谱仪的检测精度通常比实验室的气相色谱仪有一定差距。

1.2 化学检测管法

化学检测管法的基本原理是使待测气体通过装有特定化学试剂及显色物质的玻璃管，待测气体与检测管中物质发生化学反应使检测管中物质颜色变化，而后根据颜色变化的深浅和显色部分的延伸长度来确定待测组分的含量。

上世纪70年代末80年代初，国外研究者成功研制了高灵敏度的HF等气体分解物的化学检测管——检测极限小于0.1ppm，之后形成产品开始在变电站中推广使用。我国在1994年也研制出可以检测SF6中SO2和HF的化学检测管。化学检测管法最大的优点就是检测简便，便携性极佳，灵敏度较高，且价格低廉。然而由于化学检测管通常只能检测SO2、HF和CO等少数几个气体组分，对其余大多数重要的化学性质稳定的分解气体组分，如SO2F2和CF4则无能为力。而且化学检测管在检测过程中容易受到温度、湿度、进样速率等多个因素的影响，因此该方法在实际工程应用中受到了很大的限制，通常只作为辅助的检测手段，或者现场快速简易检测中使用。

1.3 傅里叶变换红外吸收光谱法

傅里叶变换红外吸收光谱法（Fourier Transform Infrared spectrometer,FTIR)是基于气体分子对红外辐射的选择性吸收来实现气体样品的定性、定量分析。FTIR系统主要由红外光源、样品室、Michelson干涉仪、检测器和记录仪等构成，其中Michelson干涉仪是FTIR的核心部件。系统的结构示意图如图1所示。

当红外光透射过气体样品时，气体分子会有选择性地吸收红外光，而形成透射率（或吸光度）随波数（或波长）变化的红外吸收光谱。当吸收光程与吸光系数一定时，吸光度与气体组分浓度成正比，这是FTIR定量分析的理论基础。

FTIR具有覆盖气体种类多、无需分离气体样品和响应速度快等优点。但是，FTIR也有很多不足之处，比如：SF6气体分解物组分间不可避免的红外吸收光谱重叠会导致FTIR在检测时受到严重的交叉干扰，进而影响定性定量分析；FTIR容易受到周围环境（温度等因素）的影响，引入额外的测量误差；FTIR通常需要样品的量很大，这给实验室分析带来了较大的困难。

图1 FTIR检测系统的结构示意图

1.4 气敏传感器法

气敏传感器是利用被测气体组分的气敏特性将气体浓度量转化为对应的电信号响应。目前，用于检测SF6气体分解物的商品化气敏传感器多以电化学原理为基础，检测气体组分的种类主要是SOF2+SO2、HF、H2S和CO几种气体，而对其他重要的组分如SO2F2、SF4、SOF4、CO2和CF4等则无能为力，气体的检测种类十分有限。

近年来，用于检测SF6气体分解物的碳纳米管气敏传感器由于灵敏度高、响应速度快等突出的优点正逐渐引起了众多研究者的关注。气敏传感器法检测SF6气体分解物具有操作简单和检测时间短等优点。但其不足之处也很明显：气体组分之间交叉干扰十分严重，选择性差；长期运行容易出现较为严重的零点漂移现象，使得测量结果偏差较大；气敏传感器使用寿命通常较短。

1.5 离子迁移谱技术

离子迁移谱技术(Ion Mobility Spectrometry, IMS)是在上世纪70年代初发展起来的一种新的气体分离和检测手段。该技术是基于气相中不同的气体离子在电场中迁移速度的差异来对化学离子物质进行表征的一种分析技术。在基于分解气体的SF6气体绝缘开关设备的监测中，IMS主要是通过测定SF6分解气体的总含量来监测的SF6的纯度，进而对气体绝缘开关的性能恶化情况进行监测和预警。IMS对SF6分解气体进行检测的过程中，由于SF6的离子和分解气体的离子都在SF6的环境中，IMS的分辨率会有所下降，但可以通过离子迁移谱上主要离子峰的位移来鉴定气体组成的变化。

2 结语

目前，在电力行业中气相色谱法在SF6气体分解物的检测中最为广泛，但是气相色谱的检测灵敏度一般，便携性较差；傅里叶变换红外光谱技术灵敏度较高，可定性定量进行分析，但是价格昂贵而且多用于化验室，难以进行现场应用；检测管和气敏传感器便携性能非常好，精度较高，广泛应用与现场的气体分解无快速检测，但是在使用过程中容易出现零点漂移现象，即长期稳定性差。综上所述，几种检测技术手段各有所长，需要根据现场实际情况进行选择和应用。