SF6/N2混合氣體中特征分解產(chǎn)物檢測技術研究

曹 駿，袁小芳, 2，馬鳳翔，劉子恩，宋玉梅, 2，李建浩

[1.國網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學研究院，安徽 合肥 230022； 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230022； 3.朗析儀器(上海)有限公司，上海 201707]

1 前 言

六氟化硫(SF6)氣體以其優(yōu)良的絕緣和滅弧性能被廣泛應用于電氣設備中，但其溫室效應強，是京都議定書中禁止排放的6種氣體之一[1]。為響應國家節(jié)能減排的號召，助力國家早日實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，減少SF6等溫室氣體的使用和排放勢在必行。研究發(fā)現(xiàn)，SF6與氮氣按一定比例混合后，其絕緣強度會表現(xiàn)出較強的協(xié)同效應，使用低體積分數(shù)SF6的SF6/N2混合氣體具有良好的絕緣性能和一定的開合能力，并且可以降低對局部電場畸變的敏感程度、解決SF6氣體的液化問題，更能夠減少SF6氣體的排放和使用量[2]。目前，國網(wǎng)公司已開展多個SF6/N2GIS母線、隔離和接地開關試點工作，產(chǎn)生了極高的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

采用SF6/N2混合氣體的設備在發(fā)生局部放電或過熱時也會激發(fā)混合氣體分解，產(chǎn)生多種氣體分解產(chǎn)物。根據(jù)SF6電氣設備的經(jīng)驗，檢測及分析這些分解物是電氣設備運行狀態(tài)評估和故障診斷的一種重要手段[3]。武漢大學曾福平[4]和中國電科院季嚴松[5]研究了局部放電(partial discharge，PD)以及過熱(partial over-thermal，POT)情況下SF6/N2(30%/70%)的分解產(chǎn)物，其特征組分包括SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO2、NF3等。相較于強腐蝕性和酸性的SOF2、SO2F2、SO2、H2S，NF3更穩(wěn)定且毒性更低，不易被吸附劑吸附，更適合作為特征分解產(chǎn)物監(jiān)測設備狀態(tài)。

目前NF3氣體的檢測方法包括氣相色譜法、紅外氣體傳感器法以及熱裂解+電化學氣體檢測器法[6]。氣相色譜法操作復雜、響應時間長，現(xiàn)場使用干擾因素較多，且對檢測人員要求較高，因此不適合現(xiàn)場快速檢測使用。紅外氣體傳感器精度高、選擇性好，但NF3氣體的紅外吸收峰位置在840～960 cm-1和970～1 085 cm-1處[7]，與SF6氣體紅外吸收峰位置重疊[8]，因此，無法適用于SF6/N2混氣中NF3含量的準確檢測。NF3氣體性質穩(wěn)定，采用電化學方法難以直接檢測，通過超高溫熱裂解方法將NF3氣體轉化為氮氧化物，再利用電化學方法檢測氮氧化物以此反推NF3氣體含量，實現(xiàn)SF6/N2混氣中NF3氣體的快速檢測[9]。因此，本文研究了超高溫裂解+電化學原理的NF3檢測裝置在SF6/N2混合氣體系統(tǒng)中的檢測特性，并研究了NF3傳感器在不同情況下的響應特征，為SF6/N2混氣設備在線監(jiān)測儀器的研發(fā)提供基礎。

2 實驗裝置及方法

2.1 實驗設備及材料

根據(jù)系統(tǒng)測試需求，搭建了標準氣源、配氣系統(tǒng)和熱解單元為一體的測試平臺，并對平臺進行了準確性驗證。

2.1.1高溫裂解爐+電化學傳感器儀器

通過前期的調研，尋找到一臺高溫裂解爐+電化學傳感器的NF3測量儀，裝置外觀如圖1所示。儀器主要特點為：1.通過搭載智能傳感器可檢測特殊材料氣體、毒性氣體、可燃性氣體、氧氣等；2.通過更換傳感器，可變更氣體種類；3.采用大型字符LCD，清晰顯示氣體流速、濃度以及泵驅動狀態(tài)等儀器工作情況；4.通過搭載流量自動調節(jié)功能，減少了日常點檢的工時；5.體積小可搬動，通過連接商用電源[AC (100～240)±10% V]可隨處檢測。

圖1 氣體傳感器測量儀

2.1.2配氣儀

采用多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)，可配制試驗所需各種濃度的氣體，便于對儀器的準確性和重復性等進行檢測。多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)如圖2。

圖2 多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)

2.1.3標準氣源

采用氣體廠家配制的100 μL/L的NF3標準氣源，平衡氣為N2。

2.2 實驗內(nèi)容及步驟

1.通過管路將標準氣源、多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)和氣體傳感器測量儀連接，再連接尾氣處理系統(tǒng)；2.打開氣源、多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)和氣體傳感器測量儀，預熱儀器；3.利用多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)配制不同配比的NF3/N2氣體，檢測氣體傳感器對NF3氣體的最小檢測限和重復性；4.配制混氣比不同的SF6/N2，模擬實際情況中不同濃度的混氣比對NF3濃度檢測造成的影響；5.配制不同濃度的H2S和SO2混氣，模擬設備故障下分解產(chǎn)物對NF3濃度檢測的影響。

3 實驗結果

3.1 不同濃度標準氣體的檢測試驗

用純氮氣稀釋已知濃度的NF3(N2)100 μL/L氣體，儀器不同配比濃度下NF3/N2氣體中NF3含量檢測數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同配比濃度NF3/N2氣體中NF3的檢測數(shù)據(jù)

利用多組分動態(tài)配氣校驗系統(tǒng)對100 μL/L的NF3/N2混合氣體逐級稀釋，稀釋氣體為純氮氣。分別檢測25、20、15、10、7、5、3、2、1.5、1、0.8 、0.6、0.5 μL/L濃度NF3氣體，如圖3所示。

圖3 不同配比濃度NF3/N2氣體中NF3的檢測濃度

檢測結果表明，在高濃度下檢測器準確度(準確度=檢測濃度/實際配制濃度)為100%，當濃度逐漸降低時，傳感器準確度逐漸下降，配制濃度為5 μL/L時，檢測準確度為84%；配制濃度為1 μL/L時，檢測準確度僅為60%；配制濃度為0.5 μL/L時，檢測準確度僅為20%，檢測結果相較于實際值偏差較大，但傳感器對低濃度NF3氣體響應良好，且重復性較好。結果表明，高濃度氣體檢測時，傳感器準確度較高，低濃度氣體檢測時，檢測器偏差較大，但仍有響應，且整體檢測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，重復性好。

3.2 傳感器靈敏度的檢測試驗

響應時間是測試傳感器性能的一個非常重要的性能指標，在高溫熱裂解裝置裂解溫度為600℃，恒定流量為400 mL/min條件下，在傳感器中通入氣體濃度在5、10、30 μL/L的標準氣體，計入傳感器輸出的信號值，如圖4所示。

圖4 NF3傳感裝置響應時間特性曲線

由圖4可以看出，隨著NF3氣體濃度逐漸升高，產(chǎn)生的輸出信號逐漸加大，傳感裝置的響應速度也在逐漸加快。在整個量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的響應時間也基本在1.5 min內(nèi)，因此在使用時不需要等待，能夠做到及時檢測。

為進一步測試傳感裝置檢測限，采用從0.1 μL/L的NF3氣體濃度開始逐步增加濃度的方法。結果如圖5所示，當氣體濃度增加至0.5 μL/L時，傳感裝置能夠正常響應。可以證明，研制的氣體檢測裝置最低能夠檢測到0.5 μL/L的NF3氣體，對于低濃度的NF3氣體也實現(xiàn)了快速檢測。

圖5 不同的低濃度NF3氣體對傳感器的響應值

3.3 不同的SF6/N2混氣比對儀器的性能影響

考慮到SF6氣體可能會對NF3檢測有影響，先通入了純SF6氣體，發(fā)現(xiàn)儀器檢測數(shù)據(jù)為0，由此可見，SF6氣體未對該檢測儀器造成影響。

目前六氟化硫混合氣體裝置中SF6/N2的混比在3:7左右，配制了SF6/N2混氣在3:7比例下的不同濃度NF3的混氣，用該儀器檢測到的數(shù)據(jù)如圖6a所示。從檢測結果分析，30%的混氣SF6/N2未對混氣中NF3的檢測造成影響，可見傳感器只對NF3響應，不受混合氣體的影響。

為此，還分別配制其他不同比例的混合氣體，研究不同的SF6/N2混氣比對儀器的性能影響。配制了不同的SF6/N2的混氣比，在10%，15%，20%，25%，30%的混氣比的條件下，探究對不同濃度NF3的檢測結果的影響。結果如圖6b所示，配制10 μL/L的NF3氣體，分別在SF6/N2混氣比為10%，15%，20%，25%，30%的條件下進行檢測，計算傳感裝置準確度(準確度=檢測濃度/實際配制濃度)，不同混氣比例下的NF3濃度的檢測不受混氣比例的影響。由此可見，傳感器對NF3氣體的感應不受混氣比例的影響，達到NF3氣體的最小檢測濃度就可檢測出NF3氣體。

圖6 (a)30%的SF6/N2的混氣比對不同濃度的NF3的影響；(b)不同SF6/N2混氣比下檢測器的準確度

3.4 不同環(huán)境溫度對儀器的性能影響

SF6/N2混氣設備通常位于室外，室外溫度隨季節(jié)、天氣等因素變化較大，為檢測在不同環(huán)境溫度下儀器檢測準確性，通過配制5 μL/L的NF3，用空調模擬不同的環(huán)境溫度，分別測試15、20、25、30°C的不同室溫對檢測重復性的影響，測試結果如圖7所示。在每個環(huán)境溫度下進行4次檢測，繪制誤差棒圖，結果顯示，不同的環(huán)境溫度對傳感器影響較小，對儀器的檢測重復性基本無影響，檢測數(shù)據(jù)重復性良好。環(huán)境溫度對傳感器基本無影響的原因可能為傳感器采用熱裂解+電化學原理檢測NF3氣體含量，熱裂解溫度為600°C左右，遠遠高于室溫，故使用傳感器時環(huán)境溫度變化對傳感器使用無影響。

圖7 不同環(huán)境溫度對檢測數(shù)據(jù)的影響

3.5 不同的分解產(chǎn)物在一定的混氣比下對傳感器的影響

SF6/N2混氣設備在正常情況下不會有其他分解產(chǎn)物，但是在放電或發(fā)生故障時，會產(chǎn)生NF3、H2S和SO2等分解產(chǎn)物，為判斷H2S和SO2等分解產(chǎn)物是否對傳感器的檢測有影響，在混氣比為30%的SF6/N2混氣條件下，配制一定量的分解產(chǎn)物試驗是否會對NF3的檢測造成干擾，這里的NF3配制濃度在2 μL/L，結果如圖8所示。

圖8 不同的分解產(chǎn)物在一定的混氣比下對傳感器的影響

不同濃度的H2S、SO2以及H2S+SO2的混合氣體對混合氣SF6/N2中的2 μL/L的NF3未造成檢測干擾，這一檢測對混合氣體中分解產(chǎn)物的研究具有重大意義。

4 結 論

通過研究超高溫裂解+電化學原理的NF3檢測傳感器在SF6/N2混合氣體系統(tǒng)內(nèi)的檢測特性，對傳感器靈敏度、檢測限進行分析，該NF3傳感器響應時間小于1.5 min，且最小響應濃度為0.5 μL/L。同時，對環(huán)境溫度、混氣比例和其他分解產(chǎn)物等可能影響傳感器檢測準確度的因素進行了試驗研究。結果發(fā)現(xiàn)，傳感器使用環(huán)境溫度、混合氣體的混合比例和SF6/N2混合氣體中可能存在的不同分解產(chǎn)物未對NF3的檢測造成干擾。此項研究對于六氟化硫混合氣體中的NF3的檢測研究提供了科學依據(jù)，具有重大意義。