SF6/N2混合气体中特征分解产物检测技术研究

曹 骏，袁小芳, 2，马凤翔，刘子恩，宋玉梅, 2，李建浩

[1.国网安徽省电力公司 电力科学研究院，安徽 合肥 230022； 2.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽 合肥 230022； 3.朗析仪器(上海)有限公司，上海 201707]

1 前 言

六氟化硫(SF6)气体以其优良的绝缘和灭弧性能被广泛应用于电气设备中，但其温室效应强，是京都议定书中禁止排放的6种气体之一[1]。为响应国家节能减排的号召，助力国家早日实现“碳达峰、碳中和”目标，减少SF6等温室气体的使用和排放势在必行。研究发现，SF6与氮气按一定比例混合后，其绝缘强度会表现出较强的协同效应，使用低体积分数SF6的SF6/N2混合气体具有良好的绝缘性能和一定的开合能力，并且可以降低对局部电场畸变的敏感程度、解决SF6气体的液化问题，更能够减少SF6气体的排放和使用量[2]。目前，国网公司已开展多个SF6/N2GIS母线、隔离和接地开关试点工作，产生了极高的经济和环境效益。

采用SF6/N2混合气体的设备在发生局部放电或过热时也会激发混合气体分解，产生多种气体分解产物。根据SF6电气设备的经验，检测及分析这些分解物是电气设备运行状态评估和故障诊断的一种重要手段[3]。武汉大学曾福平[4]和中国电科院季严松[5]研究了局部放电(partial discharge，PD)以及过热(partial over-thermal，POT)情况下SF6/N2(30%/70%)的分解产物，其特征组分包括SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO2、NF3等。相较于强腐蚀性和酸性的SOF2、SO2F2、SO2、H2S，NF3更稳定且毒性更低，不易被吸附剂吸附，更适合作为特征分解产物监测设备状态。

目前NF3气体的检测方法包括气相色谱法、红外气体传感器法以及热裂解+电化学气体检测器法[6]。气相色谱法操作复杂、响应时间长，现场使用干扰因素较多，且对检测人员要求较高，因此不适合现场快速检测使用。红外气体传感器精度高、选择性好，但NF3气体的红外吸收峰位置在840～960 cm-1和970～1 085 cm-1处[7]，与SF6气体红外吸收峰位置重叠[8]，因此，无法适用于SF6/N2混气中NF3含量的准确检测。NF3气体性质稳定，采用电化学方法难以直接检测，通过超高温热裂解方法将NF3气体转化为氮氧化物，再利用电化学方法检测氮氧化物以此反推NF3气体含量，实现SF6/N2混气中NF3气体的快速检测[9]。因此，本文研究了超高温裂解+电化学原理的NF3检测装置在SF6/N2混合气体系统中的检测特性，并研究了NF3传感器在不同情况下的响应特征，为SF6/N2混气设备在线监测仪器的研发提供基础。

2 实验装置及方法

2.1 实验设备及材料

根据系统测试需求，搭建了标准气源、配气系统和热解单元为一体的测试平台，并对平台进行了准确性验证。

2.1.1高温裂解炉+电化学传感器仪器

通过前期的调研，寻找到一台高温裂解炉+电化学传感器的NF3测量仪，装置外观如图1所示。仪器主要特点为：1.通过搭载智能传感器可检测特殊材料气体、毒性气体、可燃性气体、氧气等；2.通过更换传感器，可变更气体种类；3.采用大型字符LCD，清晰显示气体流速、浓度以及泵驱动状态等仪器工作情况；4.通过搭载流量自动调节功能，减少了日常点检的工时；5.体积小可搬动，通过连接商用电源[AC (100～240)±10% V]可随处检测。

图1 气体传感器测量仪

2.1.2配气仪

采用多组分动态配气校验系统，可配制试验所需各种浓度的气体，便于对仪器的准确性和重复性等进行检测。多组分动态配气校验系统如图2。

图2 多组分动态配气校验系统

2.1.3标准气源

采用气体厂家配制的100 μL/L的NF3标准气源，平衡气为N2。

2.2 实验内容及步骤

1.通过管路将标准气源、多组分动态配气校验系统和气体传感器测量仪连接，再连接尾气处理系统；2.打开气源、多组分动态配气校验系统和气体传感器测量仪，预热仪器；3.利用多组分动态配气校验系统配制不同配比的NF3/N2气体，检测气体传感器对NF3气体的最小检测限和重复性；4.配制混气比不同的SF6/N2，模拟实际情况中不同浓度的混气比对NF3浓度检测造成的影响；5.配制不同浓度的H2S和SO2混气，模拟设备故障下分解产物对NF3浓度检测的影响。

3 实验结果

3.1 不同浓度标准气体的检测试验

用纯氮气稀释已知浓度的NF3(N2)100 μL/L气体，仪器不同配比浓度下NF3/N2气体中NF3含量检测数据如表1。

表1 不同配比浓度NF3/N2气体中NF3的检测数据

利用多组分动态配气校验系统对100 μL/L的NF3/N2混合气体逐级稀释，稀释气体为纯氮气。分别检测25、20、15、10、7、5、3、2、1.5、1、0.8 、0.6、0.5 μL/L浓度NF3气体，如图3所示。

图3 不同配比浓度NF3/N2气体中NF3的检测浓度

检测结果表明，在高浓度下检测器准确度(准确度=检测浓度/实际配制浓度)为100%，当浓度逐渐降低时，传感器准确度逐渐下降，配制浓度为5 μL/L时，检测准确度为84%；配制浓度为1 μL/L时，检测准确度仅为60%；配制浓度为0.5 μL/L时，检测准确度仅为20%，检测结果相较于实际值偏差较大，但传感器对低浓度NF3气体响应良好，且重复性较好。结果表明，高浓度气体检测时，传感器准确度较高，低浓度气体检测时，检测器偏差较大，但仍有响应，且整体检测数据较为稳定，重复性好。

3.2 传感器灵敏度的检测试验

响应时间是测试传感器性能的一个非常重要的性能指标，在高温热裂解装置裂解温度为600℃，恒定流量为400 mL/min条件下，在传感器中通入气体浓度在5、10、30 μL/L的标准气体，计入传感器输出的信号值，如图4所示。

图4 NF3传感装置响应时间特性曲线

由图4可以看出，随着NF3气体浓度逐渐升高，产生的输出信号逐渐加大，传感装置的响应速度也在逐渐加快。在整个量程范围内，系统的响应时间也基本在1.5 min内，因此在使用时不需要等待，能够做到及时检测。

为进一步测试传感装置检测限，采用从0.1 μL/L的NF3气体浓度开始逐步增加浓度的方法。结果如图5所示，当气体浓度增加至0.5 μL/L时，传感装置能够正常响应。可以证明，研制的气体检测装置最低能够检测到0.5 μL/L的NF3气体，对于低浓度的NF3气体也实现了快速检测。

图5 不同的低浓度NF3气体对传感器的响应值

3.3 不同的SF6/N2混气比对仪器的性能影响

考虑到SF6气体可能会对NF3检测有影响，先通入了纯SF6气体，发现仪器检测数据为0，由此可见，SF6气体未对该检测仪器造成影响。

目前六氟化硫混合气体装置中SF6/N2的混比在3:7左右，配制了SF6/N2混气在3:7比例下的不同浓度NF3的混气，用该仪器检测到的数据如图6a所示。从检测结果分析，30%的混气SF6/N2未对混气中NF3的检测造成影响，可见传感器只对NF3响应，不受混合气体的影响。

为此，还分别配制其他不同比例的混合气体，研究不同的SF6/N2混气比对仪器的性能影响。配制了不同的SF6/N2的混气比，在10%，15%，20%，25%，30%的混气比的条件下，探究对不同浓度NF3的检测结果的影响。结果如图6b所示，配制10 μL/L的NF3气体，分别在SF6/N2混气比为10%，15%，20%，25%，30%的条件下进行检测，计算传感装置准确度(准确度=检测浓度/实际配制浓度)，不同混气比例下的NF3浓度的检测不受混气比例的影响。由此可见，传感器对NF3气体的感应不受混气比例的影响，达到NF3气体的最小检测浓度就可检测出NF3气体。

图6 (a)30%的SF6/N2的混气比对不同浓度的NF3的影响；(b)不同SF6/N2混气比下检测器的准确度

3.4 不同环境温度对仪器的性能影响

SF6/N2混气设备通常位于室外，室外温度随季节、天气等因素变化较大，为检测在不同环境温度下仪器检测准确性，通过配制5 μL/L的NF3，用空调模拟不同的环境温度，分别测试15、20、25、30°C的不同室温对检测重复性的影响，测试结果如图7所示。在每个环境温度下进行4次检测，绘制误差棒图，结果显示，不同的环境温度对传感器影响较小，对仪器的检测重复性基本无影响，检测数据重复性良好。环境温度对传感器基本无影响的原因可能为传感器采用热裂解+电化学原理检测NF3气体含量，热裂解温度为600°C左右，远远高于室温，故使用传感器时环境温度变化对传感器使用无影响。

图7 不同环境温度对检测数据的影响

3.5 不同的分解产物在一定的混气比下对传感器的影响

SF6/N2混气设备在正常情况下不会有其他分解产物，但是在放电或发生故障时，会产生NF3、H2S和SO2等分解产物，为判断H2S和SO2等分解产物是否对传感器的检测有影响，在混气比为30%的SF6/N2混气条件下，配制一定量的分解产物试验是否会对NF3的检测造成干扰，这里的NF3配制浓度在2 μL/L，结果如图8所示。

图8 不同的分解产物在一定的混气比下对传感器的影响

不同浓度的H2S、SO2以及H2S+SO2的混合气体对混合气SF6/N2中的2 μL/L的NF3未造成检测干扰，这一检测对混合气体中分解产物的研究具有重大意义。

4 结 论

通过研究超高温裂解+电化学原理的NF3检测传感器在SF6/N2混合气体系统内的检测特性，对传感器灵敏度、检测限进行分析，该NF3传感器响应时间小于1.5 min，且最小响应浓度为0.5 μL/L。同时，对环境温度、混气比例和其他分解产物等可能影响传感器检测准确度的因素进行了试验研究。结果发现，传感器使用环境温度、混合气体的混合比例和SF6/N2混合气体中可能存在的不同分解产物未对NF3的检测造成干扰。此项研究对于六氟化硫混合气体中的NF3的检测研究提供了科学依据，具有重大意义。