SF_6气体检测技术的研究进展及发展趋势

SF_6气体检测技术的研究进展及发展趋势

高莲君陈海翔徐先新

（国网兰州供电公司甘肃省兰州市730000）

摘要：自从1900年法国发现SF_6气体以来，由于SF_6气体有优良的绝缘、灭弧性能，在气体绝缘电力设备（气体绝缘金属封闭开关GIS，气体绝缘输电线路GIL等）中一直被作为绝缘介质使用。但是，作为绝缘气体使用的SF_6气体对地球变暖有影响，该气体的大气变暖系数约为CO2气体的22200倍。自从充入气体绝缘电力设备中的SF_6气体被指定为大气变暖气体之一以来，已经强化了SF_6气体的管理，以往的管理标准为1%/a，IEC62271-2003标准已修订为0.5%/a，从世界发展的动向来看，今后的管理标准也将更加严格。因此，对它的检测技术需要高度重视。

关键词：SF_6气体；检测技术；研究进展；发展趋势；分析

引言：GIS（气体绝缘组合电器）因具有结构紧凑、占地面积小、易于维护、绝缘性能优良、可靠性高等优点而被广泛应用于高电压领域，并且国内特高压交流输电系统全部采用GIS设备。但是GIS内部由于制造、安装、运输和试验时部件的松动、接触不良引起电极浮动，绝缘老化、各种活动导电微粒等缺陷都可能导致不同程度的局部放电。GIS设备内部发生局部放电时，会使得SF_6气体分解产生多种类型的低氟硫化物，然后进一步与电极、绝缘材料以及微氧、微水等发生反应生成稳定的分解产物。

1.SF_6气体放电分解影响因素

1.1微水的影响

SF_6电气设备中的运行气体都不可避免地含有微量的水分，其对SF_6气体分解过程有极大的影响。SF_6的大多数分解物都能和水分产生水解反应，Hirooka等人进行了湿度对SF_6分解过程影响方面的研究，发现当SF_6没有水汽时，检测到少量的SF4，SO2F2，S2F2等硫化物；当放电环境有微水存在时，主要的分解产物为WF6，SOF2，SO2F2，CF4，SF4等。Labor-slowikowska等人的研究成果发现在电弧电流1kA条件下，微水含量较高时，SOF2和SO2是检测到的主要分解产物，且没有检测到SO2F2和SOF4。

1.2微氧的影响

在SF_6气体合成制备过程中残存少量氧气，或者是SF_6气体加压充装运输过程中也会混入氧气。SauersI等人进行了微氧对分解产物的影响研究，发现SO2F2和SOF4的含量随氧气的增加而增加，对SOF2的影响很小；PradayrolC等人发现微氧的存在会减少SF4，SO2F2S2F10，S2O2F10，S2OF10等产物，增加SO2F2和SOF4的产气量。

1.3电极材料的影响

Tokuyama等人研究了电极材料对分解情况的影响，在15种电极材料下进行SF_6放电分解实验，电弧电流为800A，电压为127kV，压强为3个大气压，发现SF_6气体在铝和锌电极下的分解速率分别是铜和银电极材料的100倍。有学者认为不同电极下SF_6分解特性的差异性可能是由于不同金属材料的熔点及电导率不同。

1.4放电故障类型

国内外的研究机构对SF_6气体在电弧、火花和电晕放电类型下的分解产物进行了大量研究。在电弧放电作用下，产生的SF_6气体分解产物主要有SOF2，SO2，H2S及HF等；在火花放电中形成的SF_6气体分解产物主要是SOF2，SO2F2，SO2，H2S及HF等，但与电弧放电相比，SO2F2/SOF2比值有所增加，能够检测到S2F10或S2OF10组分。电晕放电下的SF_6气体分解产物主要是SOF2和SO2F2，SO2F2/SOF2比值较前2种放电下的更高。

1.5放电能量

大量研究表明：不管哪种形式的放电，SF_6分解产物的含量都与放电能量大致成比例，并且当发生高能量放电时将产生大量的分解气体，生成局部放电下很少出现的SF4和CF4等气体成分。目前普遍认为通过检测SOF2和SO2F2组分比例可分析放电剧烈程度，放电越剧烈，放电能量越大，SOF2/SO2F2比值增大。

2.光学检测技术

2.1激光成像技术

激光出现在20世纪60年代，由于其高亮度、单色性和很好的相干性被广泛应用于各个领域。如今，激光成像检漏仪因其非接触式、灵敏度高、远距离和仪器便携等优点，已被大量应用于高压设备中SF_6气体泄漏检测中。激光成像技术的基本原理是向需检测的设备发射激光，将反射或反向散射的一部分激光在探测设备上进行成像处理，最后生成视频影像。当激光成像技术应用于SF_6气体检漏系统中时，若被测设备没有SF_6气体泄漏，则在检测影像中所产生的背景图像与摄像机拍摄的图像相同；当发生SF_6气体泄漏时，SF_6吸收特定波长（10.6μｍ）的红外激光，从而反射回来的激光强度减弱，因此在影像中会形成阴影区域，由此判定SF_6气体泄漏分布情况并对泄漏量进行检测。

2.2红外吸收光谱技术

2.2.1傅里叶变换红外吸收光谱技术

傅里叶变换红外吸收光谱技术是将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术相结合的一种新型技术。其基本原理：光源发出的光被分束器分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜，两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉；干涉光在分束器会合后通过样品池，然后含有样品信息的干涉光到达检测器，再通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到吸光度－波数（或波长）的红外吸收光谱图。相比于传统的色散光谱学方法，傅里叶变换红外吸收光谱技术在信噪比、分辨率、探测速度和可检测组分种类等方面更有优势，在SF_6泄漏气体检测和SF_6分解产物的组分分析中得到较好的应用。在国外，瑞士高压实验室的Piemontesi等使用光程长度为0.185m的气体池研究H2O和O2对SF_6分解组分的影响，通过针－板电极放电后，利用傅里叶变换红外吸收光谱技术检测到了S2F10等10种分解组分，实验结果发现H2O和O2的存在会减少S2F10的含量。

2.2.2非色散红外吸收光谱技术

非色散红外吸收光谱技术（NDIR）的基本原理：采用两个窄带滤光片进行滤光，一个作为测量，一个作为参比，然后经探测器对比两个检测信号，可得被测气体吸收红外光的大小从而得出浓度。Yuan等设计了一种基于NDIR的高灵敏度的SF_6气体浓度检测仪，测量范围可达0-50ppm（1ppm=10-6），精度为0.1ppm，对于设备的密封性检测有着实际的意义。

总结：SF_6气体绝缘设备在我国110kV及以上电压等级的输电网中得到了广泛应用，特别是特高压交流输电系统全部采用GIS设备，设备内部的绝缘状态监测是亟待解决的关键问题之一，寻求一种能有效准确反映设备内部状态的方法显得尤为重要。SF_6分解产物检测技术已成为SF_6气体绝缘设备状态监测和故障诊断的新技术和有效手段。

参考文献：

[1]王刘芳，刘伟，祁炯，苏镇西，邵丽骅.六氟化硫混合绝缘气体电气设备检测技术的研究及现场应用[J].安徽化工，2017，43（03）：75-79.

[2]贺春贵.GIS开关SF_6分解气体CO浓度便携式激光检测技术研究[D].中国科学技术大学，2017.

[3]陈英，苏镇西，马凤翔，程伟，徐霄筱，朱峰.电气设备中SF_6混合气体混气比检测技术的研究[J].高压电器，2016，52（12）：178-183.

[4]程伟，苏镇西，马凤翔，朱峰，刘子恩，王海飞，刘添天.SF_6混合绝缘气体电气设备中气体泄漏检测技术研究[J].高压电器，2016，52（12）：146-150.

[5]李勇.基于光声光谱技术的SF_6气体检测及应用研究[D].西南科技大学，2015.