化學檢測技術在電力設備帶電檢測中的應用

李 臻，龔尚昆，萬 濤

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

化學檢測技術在電力設備帶電檢測中的應用

李 臻，龔尚昆，萬 濤

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

介紹了電力設備帶電檢測中常用的化學成分檢測技術，包括油中溶解氣體分析技術，腐蝕性硫及銅離子檢測技術及SF6分解產物檢測技術。并對化學檢測方法的發展方向進行了展望。

油中溶解氣體；腐蝕性硫；銅離子；SF6分解產物

作為一種有效的帶電檢測方法，化學成分檢測在電力設備的帶電檢測中發揮著愈來愈大的作用。其分析的快速性、準確性及實用性為電網的穩定運行和故障診斷提供了堅實的保障。常用的化學成分檢測技術包括絕緣油成分分析技術和SF6氣體狀態檢測技術。絕緣油成分分析技術指的是通過對于油中組分的成分分析來對絕緣油的性能進行狀態評價與故障診斷，包括油中溶解氣體分析技術，腐蝕性硫及銅離子檢測技術等。而SF6氣體狀態檢測技術則指的是通過分析SF6氣體狀態來對設備進行狀態評價與故障診斷，主要指SF6分解產物檢測。

1 油中溶解氣體分析技術

油中溶解氣體分析技術具有分析速度快、分析結果準確、分析效果出色及便于在線監測等優點。而且油中溶解氣體分析一般不需要設備停電，并對設備早期缺陷的檢測非常靈敏且有效，因此該方法已被作為國家標準及行業標準在全國推廣實施。

1.1 油中溶解氣體檢測技術

1.1.1 離線檢測方法

離線檢測方法按照工作原理分為氣相色譜法、光聲光譜法及紅外光譜法等。①氣相色譜法利用混合氣體中各物質在兩相間分配系數的差別，當溶質在兩相間發生相對移動時，不同分配系數的組分在色譜柱中的移動速度不同，從而使各組分得到分離。氣相色譜法具有分析速度快、分析結果準確、分析效果出色、靈敏度高及適用范圍廣的優點。②而光聲光譜技術的原理基于光聲效應，光聲效應是指氣體分子吸收能量后被激發到高能態，處于高能態的分子躍遷回低能態時會釋放一定量的熱量，使氣體溫度上升，進而產生壓力波。壓力波的強度與氣體的濃度正相關，故可通過檢測不同壓力波的強度來檢測不同的氣體組分。光聲光譜法不消耗被測氣體、檢測靈敏度高、檢測速度快且檢測范圍寬，且便于開發在線監測裝置。③紅外光譜法指利用不同物質對不同波長紅外光的選擇性吸收來進行分析的方法。紅外光譜法具有無需氣體分離、需要樣氣少、可定量分析、檢測時間短的優點。

1.1.2 在線監測方法

離線檢測方法無法及時檢測發展較快的故障，故在線監測方法成為國內外研究的熱點。在線監測要求儀器可靠性高，能長期穩定運行，原則上不允許出現誤報警〔1〕。在線監測設備盡可能在靠近油流動處安裝，使變壓器內部因故障產生的氣體盡快達到檢測器而被檢測。在線監測要求有一定的自動化程序。在線監測技術引入了多種智能算法，如灰色聚類分析、BP神經、粒子群算法等。王福忠等〔2〕基于人工免疫與模糊C均值聚類結合的電力變壓器故障診斷算法，通過分析變壓器油中溶解氣體來實現變壓器的故障診斷。

常用的在線監測方法為氣相色譜法和光聲光譜技術。多種氣體的在線監測能夠真實地反映油中溶解氣體的實時狀況，為故障的診斷提供有力的保障。

1.2 基于油中溶解氣體檢測技術的故障診斷

油中溶解氣體組分特征取決于故障發生的部位、絕緣材料、故障發生類型及能量。因此，可通過分析溶解氣體組分特征對故障進行診斷，如表1所示〔3〕。此外，還可通過計算氣體的相對含量來診斷變壓器的故障。比如基于[CH4]/[H2]、[C2H4]/[C2H6]、[C2H2]/[C2H4]的質量分數之比的三比值法〔4〕。該方法消除了油體積效應的影響，可靠地診斷故障狀態。

表1 特征氣體與變壓器異常現象的關系

2 腐蝕性硫及銅離子檢測技術

變壓器銅繞組的腐蝕通常是由于變壓器油中的腐蝕性硫導致，腐蝕性硫與銅反應生成能溶于變壓器油的配合物，然后遷移到繞組絕緣紙上分解產生硫化亞銅，這樣會增加絕緣紙的導電性和介損，從而在線匝間絕緣紙上產生過熱區域，導致繞組之間絕緣擊穿〔5〕。而隨著銅的腐蝕，油中銅離子的含量也明顯上升。萬濤等〔6〕通過研究硫化物在銅片表面的腐蝕過程發現，油中的銅離子與銅片表面硫含量的增長密切相關，銅片表面硫腐蝕和氧腐蝕存在競爭關系。根據銅含量的變化能夠有效監測變壓器銅腐蝕狀態。溶解在油中的銅會使變壓器油中T501消耗加速，油的氧化安定性下降迅速，這是造成油加速老化的重要原因〔7〕。

為解決此種問題，國網湖南省電力公司電力科學研究院〔8〕自主開發了腐蝕性硫脫除吸附劑和吸附處理裝置，并在湖南省推廣。結果表明，現場處理效果良好，能夠有效脫除腐蝕性硫、銅離子等有害物質，處理后的油品電氣性能和變壓器本體絕緣電阻大幅提升，且對油質無不良影響。

腐蝕性硫的檢測也有多種方法。目前，腐蝕性硫最常用的定性檢測方法是銅片試驗法，具有很高的檢出率，ASTM，IEC，ISO，GB等標準都采用此方法。國內外的研究人員同樣研究了多種硫含量的定量測定方法，譬如電感耦合等離子體法(ICP)、庫倫滴定法(ASTM D3120)等〔9〕測定變壓器油中總硫含量。而銅離子的檢測則多采用電感耦合等離子體法(ICP)和油料光譜法。

3 SF6分解產物檢測技術

SF6氣體絕緣設備在制造、安裝或運行時可能出現各種缺陷，進而發生放電(包括電弧放電、火花放電、局部放電等)或過熱故障，使得SF6氣體發生分解，降低設備的絕緣性能，同時危及運行檢修人員人身安全〔10〕。

近年來，針對SF6氣體絕緣設備的故障診斷技術有了很大發展，如脈沖電流法、超聲波法、特高頻(Ultra High Frequency，簡稱UHF)法和氣體分析法等檢測技術已大量應用于生產實際中。與其他方法相比，SF6氣體分析法不受電磁及噪聲干擾的影響，且可通過分析分解產物各組分的含量及產氣速率來判斷出故障的類型、嚴重程度及發展趨勢。故SF6氣體分析法成為了國內外SF6氣體絕緣設備診斷的研究熱點。

常用的SF6分解組分檢測方法包括檢測管法、紅外光譜法、化學傳感器法、氣相色譜法及光聲光譜法等。①檢測管法具有攜帶方便、操作簡便等優點。但其容易受到溫度、濕度和存放時間的影響，且對于大部分SF6分解組分還沒有對應的檢測管，故該方法只能作為一種輔助檢測方法。②紅外光譜法具有無需氣體分離、需要樣氣少、可定量分析、檢測時間短的優點，故可進行在線監測。然而，SF6及其部分分解氣體的吸收峰十分接近，存在交叉干擾現象，且吸收峰的強度與物質的含量不是嚴格的線性關系，不易準確定量。③化學傳感器法具有檢測速度快、效率高、操作簡便、便于實現自動在線檢測及診斷等突出優點。但是，電化學傳感器法只能檢測到SO2，H2S，CO和HF，而對SO2F2，SOF2，SF4，SOF4和CF4等則無法檢測。此外，各組分的響應信號可能出現交叉干擾，導致測試結果不夠準確。④氣相色譜法靈敏度高、定量準確、易于自動化。但檢測時間較長，難以做到連續在線監測，且不適于現場在線監測應用。雖然便攜式的氣相色譜儀現在已經得到廣泛的利用，但由于檢測的組分太少，且檢測時間過長、分離容易受到溫度影響等原因使檢測結果不理想。⑤光聲光譜法不消耗被測氣體、檢測靈敏度高、檢測速度快且檢測范圍寬，且便于開發在線監測裝置。唐炬等〔11〕研制了SF6分解組分檢測的光聲裝置，采用模擬電場的仿真手段來設計光聲池，并優化了光聲池的結構參數。測試結果表明，光聲信號響應與被測氣體組分的含量具有良好線性關系，對比測試表明，氣體的變化趨勢與氣相色譜儀結果具有良好的一致性。

4 存在問題及展望

隨著檢測手段的日趨完善、檢測精度日益提高，化學檢測技術在電網設備的帶電檢測中的應用愈發廣泛。然而，依然存在一定的問題亟待解決。

4.1 油中溶解氣體分析技術

油中溶解氣體分析技術及其故障診斷方法已較為成熟，并被廣泛應用。不過，由于離線檢測方式需要將油樣取回后在實驗室進行分析檢測，而油樣運輸過程中的振動會使得油中氣體濃度及相對含量發生變化，導致其結果出現一定偏差。

而在線監測技術還不成熟，其穩定性與可靠性仍需進一步發展與完善。油色譜在線監測設備普遍存在故障判據過于簡單化、絕對化等缺陷。因而，在線監測技術的主要研究方向應著眼于以下方面:①多種氣體的在線監測能夠真實地反映油中溶解氣體的實時狀況，為故障的診斷提供有力的保障。目前常規的在線色譜基本能滿足要求，不足的是測試周期長，設備維護困難等問題，因此目前重點發展方向應為開發能快速、準確和穩定的測試多種油中溶解氣體的在線監測技術。②故障診斷方法智能化。應結合多種數學方法，研究可準確、快速設備潛伏性故障的智能化故障診斷方法，如小波分析、神經網絡等。③數據庫大型化。應加強對于歷史檢測數據的積累、分析及總結，建立大型、快速、實時的數據庫。

4.2 腐蝕性硫及銅離子檢測技術

針對腐蝕性硫的檢測，依然缺乏可快速、準確地測定油中腐蝕性硫的方法及儀器。目前所采用的方法操作過程復雜，實驗條件要求較高，測試結果存在較大的誤差。因此，亟需開發可準確定量檢測腐蝕性硫的方法及儀器。此外，關于腐蝕性硫的反應機理仍然有很多方面值得進行研究，包括不同種類腐蝕性硫的腐蝕機理、不同含量腐蝕性硫的影響及腐蝕過程的影響因素及控制等。包括:①相對于實驗室條件，在電場的作用下，硫對銅導線的腐蝕情況更為復雜。因此，電老化條件下對變壓器油中腐蝕性硫的研究將成為未來研究的熱點。②油中氧氣濃度對Cu2S生成的影響尚不明確。氧氣是否參與Cu2S的生成尚無統一結論。其次，油中氧氣濃度不同，可能會影響Cu2S在絕緣紙表面的附著情況，但該說法缺乏合理的實驗模型對其進行證明。③關于含有腐蝕性硫的變壓器油的回收與處理將會是未來研究的熱點與重點。

4.3 SF6分解產物檢測技術

SF6作為絕緣氣體用于高壓電器設備的使用歷史不長，人們運用現代技術對它的研究較短，目前已取得一定的成果，但同樣還有很多問題值得進一步研究與探索。①關于SF6分解機理的研究依然未成熟，且SF6分解產物的含量與缺陷之間的關聯，還缺乏準確的判斷方法及標準。因此，如何建立SF6放電分解產物與絕緣缺陷類型之間的關系以及提取識別不同缺陷的分解氣體特征量是目前亟待解決的課題。還可從計算化學的角度來闡述SF6的分解過程，并進一步從微觀角度理解故障發生過程，指導故障類型判斷。②由于分解氣體的成份復雜、種類多、含量小、穩定性差，對于SF6氣體分解產物的檢測方法依然還未完善，尤其是缺乏可靠、穩定的在線檢測系統。針對此種情況，應著力開發應用高精度檢測儀器，如氣質聯用色譜，氦離子化檢測器色譜儀，加強對分解產物的精確分析。③吸附劑的存在會吸附因故障產生的分解產物組分，導致實際的分解產物組分含量變低，掩蓋了SF6電氣設備早期絕緣缺陷的嚴重程度，增加了誤判率。因此，需結合吸附劑位置、氣壓、溫度、水分等，深入研究吸附劑吸附硫化物、碳化物等分解產物的特性，獲取其吸附的原理與動力學過程，以提高故障判斷的準確性與客觀性。

5 結論

隨著電網技術的不斷發展，化學檢測方法因其快速性、準確性及實用性的優勢，必將為電網的穩定運行和故障診斷提供了堅實的保障。而新技術與新方法的不斷涌現，也會使化學檢測方法在帶電檢測中發揮愈來愈大的作用。

〔1〕賈瑞君.關于變壓器油中溶解氣體在線監測的綜述〔J〕.變壓器，2002，39(增刊1):39-45.

〔2〕王福忠，邵淑敏，董鵬飛.變壓器油中氣體組分含量在線監測與故障診斷〔J〕.河南理工大學學報(自然科學版)，2015，34(3):379-383.

〔3〕左新宇，付強.變壓器油中溶解氣體在線監測方法及故障判斷綜述〔J〕.廣東電力，2011，24(2):10-14.

〔4〕鄭朝暉.油中溶解氣體氣相色譜法診斷變壓器內部故障〔J〕.華北電力技術，2003(8):34-37.

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〔6〕萬濤，錢暉，馮兵，等.利用銅離子質量分數監測變壓器中硫腐蝕狀態的研究〔J〕.高電壓技術，2013，39(5):1 128-1 134.

〔7〕廖瑞金，周旋，楊麗君，等.銅對變壓器油熱老化影響的試驗分析〔J〕.高電壓技術，2013，39(5):1 128-1 134.

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〔11〕唐炬，朱黎明，劉帆，等.應用光聲技術的SF6分解組分檢測裝置研制〔J〕.高電壓技術，2011，37(6):1 313-1 320.

Application of chemical detection technology in electric power equipment live working inspection

LI Zhen，GONG Shangkun，WAN Tao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the chemical composition detection technology is introduced，including the dissolved gas analysis technology，the corrosive sulfur and copper ion detection technology，the detection technology of SF6decomposition products. And the development direction of chemical detection method is prospected.

dissolved gas in the oil；corrosive sulfur；copper ion；SF6decomposition products

TM855.1

B

1008-0198(2016)02-0020-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.02.004

2015-12-28 改回日期:2016-02-24