红外光谱法在SF6电气设备硅绝缘受损潜伏性故障诊断中的应用

杨　韧，汪金星，雷永乾，高　超，张万军，杨鼎革

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西　西安　710054；2.中国广州分析测试中心，广东　广州　510070)



红外光谱法在SF6电气设备硅绝缘受损潜伏性故障诊断中的应用

杨韧1*，汪金星1，雷永乾2，高超1，张万军1，杨鼎革1

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安710054；2.中国广州分析测试中心，广东广州510070)

利用红外光谱法对SF6设备故障气体中的SiF4进行定性、定量检测，该方法的线性范围为10～500 μL/L，检出限为1 μL/L，此方法可以较理想地判断出设备内含硅元素绝缘材料的受损情况。应用于现场SF6气体绝缘开关类设备的潜伏性故障诊断，验证了分解产物SiF4对设备内部工况诊断的有效性。

高压绝缘设备；红外光谱分析；SF6气体分解产物；SiF4检测

SF6气体绝缘强度高，具有优良的灭弧性能，因此在电气设备中得到了广泛应用[1]，当设备内存在缺陷或发生事故后，会有多种SF6气体分解产物生成。SF6电气设备在开断时产生电弧，导致部分SF6气体分解，正常情况下温度降低后，分解物又还原成SF6气体[2-3]。随着运行年限的增长或本身的缺陷，当设备发生放电、过热等故障时，金属材料、固体绝缘材料、空气等与SF6气体发生反应，生成含硫或含氟化合物。研究表明，分解产物的组分以及含量与设备的潜伏性故障存在直接关系[4]。对SF6气体分解产物的组分进行及时测定和分析，可有效反映SF6电气设备内部的运行情况[5]。SiF4是SF6气体的分解产物之一，并具有良好的指向性。目前运行电压等级为126 kV的SF6电气设备中，大多数采用硅填充的绝缘材料。当设备内绝缘材料局部产生放电或过热时，生成的SF6气体分解物与硅材料反应生成SiF4[6]，此过程伴有含硫化合物生成。因此对SiF4含量进行检测可以判断出设备内硅绝缘材料的受损情况，了解设备内部运行工况。

目前SF6气体分解产物的检测方法主要有气相色谱法、红外光谱法、检测管法和电化学传感器法，其中红外光谱分析法对SO2，SOF2，SF4,CO等气体均有较好的检测效果[7]。然而对SF6的重要分解产物SiF4进行检测时，由于SiF4性质活泼，传统的检测手段(如电化学分析法、气相色谱法、气质联用等)存在一定的局限性，目前尚无较好的解决办法[8]。红外光谱法是常用的无损检测方法，检测环境为常温常压，分析速度快、重现性好，可以很好地保持样品的真实性[9-11]。本文采用傅立叶红外光谱法对分解产物SiF4进行了研究并成功用于现场设备的故障诊断。

1　实验部分

1.1傅立叶红外光谱法对SiF4的检测原理

通过对SF6气体分解产物的标准样品进行分析，寻找该物质在混合气中的特征吸收谱带，制作出标准曲线。根据实验研究和理论推导，正常状况下，设备内部运行条件不会生成SiF4，SiF4来源于含有SiO2填充物的绝缘材料与SF6气体分解物HF的反应。因此，检测和分析SiF4可有效判断设备内绝缘材料的受损情况。SiF4的主要生成途径如下：

SF6气体分解:

SF6→S+SF2+SF4+F

(1)

SF6+O2→SO2+SOF2+F

(2)

HF分解产物来源:

SF4+H2O→SOF2+HF

(3)

SOF2+H2O→SO2+HF

(4)

SiF4分解产物来源:

SiO2+HF→SiF4+H2O

(5)

在上述反应式中，SF6在高温电弧作用下生成大量的S和F的单原子及其离子状态[12]；在高温条件下SF6与O2反应，产生SO2，SOF2和F；F与设备内的含碳物质或金属作用生成相应的氟化物；生成的部分氟化物与H2O反应产生HF；HF作用于含有SiO2的绝缘材料生成SiF4。

1.2仪器与试样

1.2.1仪器Bruker FT-IR TENSOR 27红外光谱仪，配有10 cm长的防腐气体池，用高纯氮气对气体池进行吹扫，并用真空泵进行样品的置换，防止外界空气对样品产生干扰，提高红外检测的可靠性。在气体池阀门上配有电子压力表，以显示池内样品的压力。采用双角镜耦合、动镜扭摆式干涉仪，其优点在于静镜和动镜均采用立体角镜，保证入射光线与出射光线的绝对平行，避免外界震动的干扰，发生光线的偏移。MCT检测器由宽带频的半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合制成。

1.2.2试样标准样品Ⅰ：纯四氟化硅(99%)；标准样品Ⅱ：采用纯六氟化硫(99.999%，SF6)和氦气(99.9%)为底气，配制不同浓度的四氟化硅气体。样品配制采用静态配气法，样品容器是底部装有压力表的750 mL特制钢瓶，内部有聚四氟乙烯涂层，防止样品发生反应。根据理想气体状态方程计算出配制不同样品浓度所需标准样品的体积。用微量注射器分别取1，2 mL的纯SiF4，加入抽真空的样品瓶，再分别加入纯SF6和He，控制瓶中压力为0.3 MPa。可得氦气为底气的样品浓度为1 000 μL/L；再将500 μL/L以SF6为底气的样品分步稀释得浓度分别为5，10，20，50，100，200 μL/L的样品。

1.3检测条件

扫描范围为4 500～500 cm-1，分辨率为0.5 cm-1，检出限为1 μL/L，扫描次数为100次，样品在密封气体池中压力为0.1～0.105 MPa。

2　结果与讨论

2.1定性分析

采用上述方法对纯SF6气体、以He为底气的SiF4标准气、以SF6为底气的SiF4标准气以及试样进行分析(图1)。对比发现，试样与标准气的吸收峰位置、形状和峰的相对强度均相同，即以SF6为底气的标准气中明显存在SiF4。可以确定波数1 000～1 040 cm-1处是SiF4的红外特征吸收谱带，且峰形窄便于区分。

SF6气体分解物(如SO2，HF,H2S,CO2和矿物油等)一般均在百万分之一数量级，其各自的红外吸收谱带位置远离SiF4吸收位置。SO2吸收谱带位置在1 375 cm-1附近分布范围为80 cm-1；HF吸收谱带位置在4 150 cm-1附近分布范围为100 cm-1；H2S吸收谱带位置在3 793 cm-1附近；CO2吸收谱带位置在1 375 cm-1附近分布范围为100 cm-1；矿物油吸收谱带位置在2 980 cm-1附近。可以看出几种气体的吸收谱带互不重叠，且从图1中可以看出SiF4吸收谱带窄，故其红外谱图不会受其它气体的影响。

2.2定量分析

由于仪器分辨率较高，以SF6气体为背景的SiF4标样，浓度在10 μL/L以上时，吸收峰形较好，吸光度-浓度关系不偏离Beer定律[13]。SiF4特征吸收峰强度高，无明显干扰峰，所以采用外标法对其进行定量分析。将不同浓度的上述样品通入池中，经扫描分析得到图谱部分放大(图2)，不同浓度的SiF4红外吸收峰强度不同，但吸收峰均在1 031 cm-1处达到最强，将此处峰高值作为分析峰值[14]。根据配制样品的分析结果，峰高中包含SF6气体的吸收峰高，故标准曲线截距不为零，得SiF4浓度的标准曲线方程为y=0.000 98x+0.112 49(r2=0.998 8)。方法的标准曲线线性较好，线性范围为10～500 μL/L，可以满足定量要求。

2.3重复性分析

为验证定量分析的可靠性，测定了不同浓度值(20,50,100 μL/L)的样品，每一样品平行测定5次，浓度为20 μL/L时，测试结果最高值为17.3 μL/L，最低值为16.1 μL/L，平均值为16.7 μL/L；浓度为50 μL/L时，测试结果最高值为48.7 μL/L，最低值为45.5 μL/L，平均值为47.2 μL/L；浓度为100 μL/L时，测试结果最高值为109.3 μL/L，最低值为104.9 μL/L，平均值为107.7 μL/L。计算得出误差分别为0.165，0.056，0.077；相对标准偏差(RSD)为2.8%，3.0%，1.8%，说明该方法有良好的重现性[15]，可满足对SiF4分析要求。

2.4可靠性验证

采用氟离子选择电极法对红外光谱法的可靠性加以验证，按照DL/T918-2005《六氟化硫气体中可水解氟化物含量测定法》检测，分别测定了不同浓度值(0，20，50，100 μL/L)的样品，根据SiF4与碱反应转化率，计算得出其浓度误差范围在15%以内。验证了红外光谱法对SiF4检测的有效性。

2.5样品分析

对某变电站运行的110 kV GIS断路器母线刀闸气室进行现场检测时，发现有分解物异常，采用本法对样品进行分析。通过与相邻气室的数据对比，并综合考虑现场设备运行情况，认定其为故障气室。由于SF6气体吸收强度高，不易观察分解物的吸收峰情况，对结果(图3)中波数1 050～1 000 cm-1段SiF4吸收位置进行放大。

图3结果显示，在故障样品中发现含有SiF4的吸收峰，并有含硫的分解物生成，由反应方程(1)～(5)推出SiF4的生成过程。说明有含硅元素的绝缘材料受损，将SiF4的吸收峰值带入标准曲线方程进行计算，得出浓度值为48.5 μL/L，结合设备现场运行情况，推断设备内部绝缘材料存在异常发热潜伏性故障。将样品返厂解体印证，发现盆式绝缘子有局部受热现象，推测原因为该盆子填料采用SiO2，由于制造工艺及制作材料欠佳，随着运行时间的延长，在大电流开断时，盆式绝缘子受异常电弧侵蚀，SiO2填料与SF6气体分解发生反应，导致其性能下降，发生了零部件的烧蚀。

3　结　论

本文通过对SF6中SiF4气体的分析，建立了红外光谱对实际故障气样品进行检测的方法，其检测结果很好地反映了设备内部的故障情况，说明采用此方法可实现对SiF4气体的定量分析。研究表明，现场设备由于长时间运行及内部故障作用，SF6内部及其与周围环境发生着复杂的反应过程，不同的故障会有不同的表现形式和分解产物生成。SiF4的存在及其含量变化，可以反映出设备内含硅元素绝缘部件的受损程度。本方法可有效地检测出设备内部此类型的潜伏性故障，对设备运行工况的判断具有重要意义。

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Application of Infrared Spectroscopy Method in Diagnosis on Potential Fault of Damaged Silicon Insulator in SF6Electrical Equipment

YANG Ren1*,WANG Jin-xing1,LEI Yong-qian2,GAO Chao1，ZHANG Wan-jun1，YANG Ding-ge1

(1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi'an710054,China；2.China National Analytical Center(Guangzhou),Guangzhou510070,China)

SiF4was qualitatively and quantitatively analyzed by Fourier transferred infrared spectroscopy.The linear range for the method was 10-500 μL/L,and the detection limit was 1 μL/L.The method was applied in the potential fault diagnosis of SF6gas insulated switch,and the effectiveness of the SiF4in the diagnosis of the internal conditions in the equipment was verified.

high voltage insulation equipment；Fourier infrared spectroscopic analysis；SF6decomposition product;SiF4detection

2016-01-12；

2016-02-03

杨韧，高级工程师，研究方向：高压电器，Tel：029-89698407，E-mail：yangren1970@263.net

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.024

O657.33；S219.033

A

1004-4957(2016)08-1058-04