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摘要：本文主要介绍了变电站GIS设备中SF6分解物的组成成分及其产生原因，并详细介绍了移动式SF6在线监测系统及其主要技术指标，并对移动式SF6在线监测系统的优势进行了分析。本文详细介绍了一种以NDIR为核心的SF6分解物快速检测技术，为变电站GIS设备提供更高效、可靠的分析方法与监测技术。该套系统可以对任何GIS断路器等充气设备进行临时或长期的监测，可大大节约采购成本，提高监测工作的灵活性，对于GIS设备的管理和安全发挥了重要的作用。
关键词：SF6分解物；GIS设备；NDIR；在线监测
0 引言
SF6气体是由法国的两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，纯净的SF6气体是无毒、无色、无味、不可燃的,化学性质稳定，微溶于水、醇及醚[1]。正常运行时SF6分解物极少，200℃时在特定的金属如钢及硅钢存在下，能促使其缓慢分解。六氟化硫具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能。其耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料，六氟化硫以其良好的绝缘性能和灭弧性能，在断路器、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等中得到了广泛的应用。作为GIS的绝缘介质,SF6气体具有优良的绝缘和灭弧性能，可以极大地缩小设备尺寸，因此广泛应用于GIS和SF6断路器等设备中[2]。
图1 SF6、油、N2击穿电压比较
研究国内外电力设备最新的发展现状和研究动态，结合电网在线监测系统特点，发现采用移动式在线监测的方法较好，并且在国内外已有多年的成功应用经验[3-8]。此外，该在线监测系统可实现精确测量（10种以上气体组分）、功能齐全、方便携带安装、7*24小时实时在线监测、自动报警等功能。
1 SF6分解物的生成原因分析
SF6设备发生局部放电时，放电产生的电弧使SF6气体发生分解，会生成多种低氟硫化和物，均为毒性气体，而且对设备内的绝缘及金属材料有强腐蚀作用，破坏绝缘环境，最终造成GIS设备发生严重故障[9]。而不同缺陷引起的局部放电会产生不同的气体分解物，相应的气体分解物成份、含量以及产生速率等也有差异。这样使得通过分析气体分解物的组分来判断故障类型成为可能，并可以通过检测设备中SF6气体分解物组分及化合物，来判断绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势[10,11]。
SF6分解需要经过复杂的物理和化学过程，其分解过程影响因素有：水分含量、绝缘材料、金属材料、氧气含量等[12-17]。SF6分解的主要机理是，在各种绝缘缺陷引起的局部放电或故障的条件下，促使SF6气体分解，并与故障处附近的固体绝缘介质、微量水分或杂质等发生非常复杂的化学反应，生成各种氟化物和硫化物。
以下就影响因素中比较重要的水分含量和绝缘材料进行分析。
1.1水分的影响
SF6气体中含水量的多少，对电弧分解物成分和含量有极大影响[12-14]。由于该气体具有很好的灭弧功能和复合功能，因此在电弧熄灭后，绝大部分的分解产物又重新结合成稳定的SF6分子；但由于水分等杂质气体的存在，在放电结束后SF6气体复合过程受到了阻碍，生成一些低氟化物和硫化物气体。经分析可知气体中的水分主要来源于以下几方面：
（1）GIS设备设备在制造、安装、检修过程中都可能接触水分，水分会浸入到设备元件里；
（2）GIS设备的绝缘件带有质量分数为1×109～5×109分之一的水分，在运行过程中，受温度影响会缓慢地向外释放；
（3）虽然新SF6气体进行过干燥处理，其含水量在规程规定的范围之内，但其中仍然含有水分；
（4）SF6气瓶如果有水分或油污粘在阀门上，或未进行防潮处理、未放置阴凉干燥的专门场所，会造成检修补气时水分浸入到设备罐体中。
图2 SF6分解物转化关系
在放电区域，水分子被分解为O和HO，并与低氟硫化物发生初级化学反应，生成稳定的气体产物如SOF2，SOF4，并扩散到放电区外，与水继续发生缓慢的反应。SO2和HF溶于吸附在电极或绝缘材料表面的水形成强酸，腐蚀固体材料的表面。
1.2固体绝缘材料的影响
SF6电气设备内部绝缘材料，包括SF6气体和固体绝缘材料2类。固体绝缘材料因不同设备有所不同，在断路器中的绝缘材料有SF6气体和热固型环氧树脂制成的绝缘子、拉杆及灭弧室中的聚四氟乙烯、聚酯乙烯等；其他设备则除了热固型环氧树脂外，还有用作匝层间绝缘和电容层的聚脂乙烯和绝缘漆。SF6气体、热固型环氧树脂和聚四氟乙烯有很好的热稳定性，只有当温度超过500℃后才会开始分解，700℃后才会明显裂解；但若断路器内部存在局部放电、重燃和严重过热性故障时，将使故障区域的固体绝缘材料和SF6气体发生分解，产生硫化物、氟化物和碳化物。
2 移动式SF6在线监测系统介绍及主要技术指标
红外吸收光谱法，又称作红外分光光度法，是利用物质对红外电磁辐射具有选择性吸收的特性来对物质进行定性定量分析的方法[18]。由于光辐射在气体中传播的过程中，气体分子会对其进行吸收、散射而使光辐射衰减，不同气体特征吸收光谱不同，会在某一特定波段吸收特性最强，从而利用该特性对气体分子进行检测。非分光红外测量 SF6 气体浓度的方法，也是基于光谱吸收原理。
图3 红外吸收光法基本设备结构
引入非分光红外（NDIR）检测技术，确定移动式在线监测系统组成及技术方向，针对不同的GIS断路器设备进行现场安装及可靠性运行试验，对原型机持续进行开发和改进。选取典型的健康设备和缺陷设备进行比较测试，以现场测试的数据及情况对原型机进行改进，积累测试数据，综合分析比较检测结果，结合以往的检测判据，全面评估本套系统的各项技术指标，以完善本套移动式SF6在线监测系统。
2.1移动式SF6在线监测系统介绍
可移动式SF6连续监测系统，可实现每天24小时、每周7天、全年365天连续监测。适用于GIS断路器设备SF6分解产物综合分析的便捷、可靠、经济的检测技术和设备；评估对比现有各种检测技术，验证了基于非分光红外法（NDIR）的SF6分解物在线监测设备的优越性、经济性和可靠性；以现有先进技术和设备为基础，增加了适用于特高压GIS断路器的移动式监测技术。
图4 在线监测系统软件分析图谱样例
2.2主要技术指标：
在线监测装置连接成功后，便可自动检测进气口压力，自动启动SF6分析程序。按预选的次数进行循环，并在分析后，将气体打回气室。可同时连接至少3个气室，对相同气样最多可进行5次循环测试。在全自动模式下，设备在完成所选择的循环次数后，把检测过的气体打回气室。操作者可对所有测量结果进行浏览和储存，也可设置报警参数。本套系统的各项技术指标如下：
1）具备实验室级别的检测分析能力，当外部电源出现故障后可提供8小时电池续航时间；
2）完全符合所有IEC和CIGRE标准测量方法；
3）预设IEC和CIGRE标准测量方法，可增加3种自定义测量方法；
4）只消耗250cc的SF6，可适用于低压断路器；
5）可在极低气压下操作：0.1Bar～10Bar，可对压力进行监控；
6）内建压力调节与测量功能；
7）检测之后的气体可打回气室，无需补气；
8）快速分析模式下每次循环只需5分钟；
9）可选多种传感器，可对S02进行高低量程精确测量。
3 移动式SF6在线监测系统的优势
在国网公司关于开展现代化智能电网应用的要求下，对设备监测和维护提出了更高的要求。SF6断路器、GIS组合电器等充气设备变电站在无人值守的情况下缺少必要的应对措施，应对SF6断路器、GIS等充气设备进行必要的在线实时监测，为预防设备故障，减少环境污染做准备。研究一套新型智能在线监测系统不仅是对于智能电网监测的高要求，还对方便运行维护应用、保护环境方面都有相当大的作用和意义。该技术具有以下优势：
1）非分光红外（NDIR）监测技术的优点是分辨率高、响应速度快、检测时间短、无需气体分离、需要样气少，对SF6分解气体组分既能定性又能定量地分析，可形成在线监测系统。
2）采用非分光红外（NDIR）监测技术和可移动式设备，降低设备安装的成本与风险，并可灵活的安排监测时间与地点；
3）集成SF6纯度、微水、分解物等10种测量组分，提高监测效率，并实现SF6“零排放”的效果；
4）通过采取多通道监测技术，一套监测设备可同时连接多台GIS和断路器，降低使用成本，延长使用寿命；
5）采用先进的4G技术，实现数据的实时监控与回传，及时响应突发故障；
6）积累非分光红外（NDIR）技术在GIS开关设备SF6分解产物的实际使用经验，为今后的全面推广应用提供示范作用。
4 结论
移动式SF6在线监测系统通过测试SF6气体分解物的含量来诊断设备内部是否存在故障及故障的性质。有助于变电站运维人员能够及时发现设备的内部隐患，评估缺陷的危险性，避免事故的发生以及故障的快速修复。以NDIR为核心的SF6分解物快速检测技术，为GIS设备提供更高效、可靠的分析方法与监测技术。满足GIS设备使用过程中对检测效率、多组分、移动式在线监测及安全性的要求。使用该套系统可以对任何GIS断路器等充气设备进行临时或长期的监测，可大大节约采购成本，提高监测工作的灵活性。对于GIS设备的管理和安全发挥了重要的作用，具有巨大的经济效益和社会效益。
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作者简介：
张振伟（1992－），男（满族），黑龙江省海伦市，单位;国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，主要从事特高压变电站二次保护的运行维护及检修工作。
张旖珊（1992－），女（汉族），河南省南阳市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，主要从事特高压变电站二次保护的运行维护及检修工作。
张烈（1979－），男（汉族），内蒙古自治区通辽市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，工程师，主要从事特高压变电站检修专业管理工作。
吕振东（1978－），男（汉族），内蒙古自治区呼伦贝尔市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司，助理工程师，主要从事特高压变电站运行维护管理工作。
论文作者:张振伟,张旖珊,张烈,吕振东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/12
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