电气设备空气中放电的分解气体分析法检测技术研究现状及展望

分解气体分析法通过检测故障产生的气体组分诊断设备故障,是检测电力设备故障的重要方法,某些应用场合具有不可替代的作用。然而目前该方法只在绝缘油、SF_6等绝缘介质的场合有应用,对于空气这一最重要的绝缘介质还没有应用。文中在简述空气放电衍生物气体产生理论的基础上,分析了采用分解气体分析法检测空气中放电的可行性,并对相关分解气体分析法的应用及研究现状、空气分解气体产生规律等进行了综述。最后提出需要进一步研究问题包括空气气体分解演化规律及影响因素、气体特征与放电的关系、放电识别方法等。

基于光声光谱技术的SF6/N2故障分解气体检测中SF6含量对检测灵敏度的影响

由于各方面性能均衡,SF6/N2混合气体是目前替代SF6气体的最佳选择之一,许多电力设备已经采用SF6/N2混合气体作为绝缘介质。电力公司的运检人员开始关注SF6/N2混合气体故障分解产物的检测问题,如采用现有的光声光谱仪器是否可以继续检测分解气体,检测灵敏度如何等。针对上述问题,该文首先从光声光谱基本原理出发,指出背景气体改变主要影响光声光谱系统的光声池常数,且随着混合气体中SF6比例降低,光声池常数增大,有利于分解气体的检测。混合气体中SF6比例从100%变为20%,光声池常数由168.7 Pa·cm/W增大至576.0 Pa·cm/W。然后搭建光声光谱实验平台,对比不同SF6混合比条件下,SO2、CO2、CO、CF4和SO2F2五种气体组分的最低检测限,实验结果与理论分析趋势一致,即SF6气体比例越小,最低检测限越低,越容易检测。SF6比例从100%变为30%,分解气体中CO2最低检测限可由0.629×10^-4%减小至0.226×10^-4%。

SF_6分解气体快速检测装置

SF_6高压电器设备在运行中,会由于放电等原因而使SF_6气体不断分解。这些分解产物中最主要的有HF和SO_2,使用检测管对这两种产物进行分析检测,可了解高压电器设备在运行过程中所处的状态和可能的潜在事故的发生,保证设备的正常运行和人身安全。 SF_6分解气体快速检测装置在国外,如日本、海国、加拿大、法国和美国等国家使用十分普遍。我国于1994年已研制成功,并在北京、大连、天津和上海等地使用。该装置取得了很好的效果。其基本原理是:通过检测装置从高压电器设备中采取一定体积的SF_6气体,分别通过SO_2、HF检测管,这些分解产物会在检测管中起化学反应、并改变颜色。可根据变色柱的长短,定量的读出SF_6气体中SO_2和HF的浓度。

热分解气体对流传输对树脂基复合材料温度场的影响

用有限差分法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的一维温度场模型进行数值求解,将数值模拟结果与相关文献中给出的实验结果进行对比。结果表明:考虑了对流传输效应的数值模拟结果比没有考虑对流传输效应的数值模拟结果与实验结果符合的更好,即热分解气体的对流传输对树脂基复合材料的温度场有较大的影响。因此,在不引入力学量的前提下,建立激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型时,需要考虑热分解气体的对流传输效应。

基于电化学传感器的SF_6分解气体检测技术研究

SF_6气体绝缘类电力设备具有体积小、结构紧凑、绝缘性能稳定、运行可靠等优点,被广泛应用于特高压和超高压电力系统中。当电力设备内部发生绝缘故障时,绝缘气体SF_6由于局部放电及局部过热发生分解反应,最终生成数种稳定SF_6分解气体,通过对这些分解气体组分进行定量检测和分析,可反演出设备内的故障或安全隐患。通过搭建电化学传感器响应特性的测试平台,在气体检测罐中模拟SF_6分解气体并进行检测,得到了CO、SO_2和H_2S气体电化学传感器的响应特性。实验结果显示出CO传感器有负的温度特性,SO_2和H_2S电化学传感器具有正的温度特性,并采用二次曲线拟合确定了传感器的温度补偿曲线;同时还发现CO、SO_2和H_2S气体传感器均具有良好的线性特性,但SO_2传感器会对H_2S气体做出响应,通过采用交叉干扰计算,建立传感器信号矩阵算法保证了测量结果的准确度。最后,通过运用多组分混合气体验证了传感器信号矩阵算法具有很高的可靠性和准确度。

用于GIS局部放电诊断的SF_6分解气体研究

分析了气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)各种故障时SF6的分解机制、分解气体的成分和稳定性,认为SOF2、SO2、SO2F2、HF、SOF4和S2F10可作为GIS局部放电的特征气体。通过检测GIS内部的SOF2+SO2、HF成分,可以判断GIS内部是否存在局部放电故障,依据HF含量可以判断GIS内部局部放电的状态,即判断局部放电是否正在持续发展。

基于红外吸收光谱法检测SF_6分解气体的仿真与实验研究

为研究红外吸收光谱法在SF_6分解气体检测分析中的应用,通过仿真计算得到了SF_6特征分解气体的红外吸收特征光谱,并确定了3种目标检测气体(CO、SO2、H2S)的红外特征频谱;依据红外光谱检测原理,设计了基于FTIR的SF_6分解气体检测系统,使用该检测系统对实验样气进行测试实验。结果表明:基于FTIR的SF_6分解气体检测系统能够有效地对目标检测气体进行定性及定量分析,可应用于SF_6分解气体的在线监测。

二硫化钼传感器对于绝缘介质特征分解气体的敏感特性研究

在放电、过热故障影响下,电气绝缘介质(SF6、绝缘油)会分解出一系列特征气体。通过气体组分分析,可以评估电力设备的运行状态。文中基于水热法合成了层状二硫化钼(MoS_(2))并组装气体传感器,分析了对于硫化氢(H_(2)S)、二氧化硫(SO_(2))、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙炔(C_(2)H_(2))和氢气(H_(2))6种绝缘介质特征分解气体的敏感特性。相比较于3种商用传感器严重的交叉敏感现象,MoS_(2)传感器对H_(2)S表现出特异选择性。对于绝缘油分解气体(CO、C_(2)H_(2)、H_(2)、CH4),MoS_(2)传感器仅对CO具备敏感特性。MoS_(2)传感器检测H_(2)S和CO重复性表现优异,在5次循环测试中,响应值波动范围分别不超过6.43%和5.95%。体积分数实验结果也表明,在H_(2)S和CO体积分数小于50μL/L时,MoS_(2)传感器的线性度(9.26%、0.62%)表现良好。此外,传感器对H_(2)S和CO混合气体表现出协同吸附作用,且随着混合气体中H_(2)S体积分数增加(10、30、50μL/L),响应值波动受CO体积分数影响越小(6.74%、4.94%、3.47%)。因此,MoS_(2)传感器在绝缘介质特征分解气体检测领域具有广阔的应用前景。

基于第一性原理的SnO_2(101)表面对SF_6分解气体气敏性能研究

通过检测SF_6典型分解气体可以诊断出SF_6气体绝缘设备早期绝缘故障。二氧化锡(SnO_2)是应用广泛的气敏材料,文中采用第一性原理计算并分析了SF_6分解气体在SnO_2(101)表面的吸附情况,研究SnO_2(101)表面对SF_6分解气体的气敏性能。通过理论计算,获得了H_2S、SF_6、SO_2、SOF_2和SO_2F_2气体分子在SnO_2(101)表面吸附的吸附能、吸附构型、电荷转移、差分电荷密度、态密度、势能图与功函数等表征吸附特性的参量。分析计算结果发现,SnO_2(101)对H_2S和SO_2有很好的选择性和敏感性,有望成为检测SF_6分解气体的传感器材料。

WO3气体传感器用于SF6分解气体H2S的检测

SF6气体绝缘设备内部存在的缺陷,在运行时会出现放电和过热等故障,从而导致SF6气体分解,降低设备的绝缘性能,同时危及设备运行安全。研究表明可以通过对SF6特征分解气体H2S的检测来检测SF6气体的分解情况。文中通过水热法合成了一种WO3敏感材料并进行了SEM、XRD表征;将WO3传感器用于H2S检测,表现出优异的气敏性能。在最佳工作温度下,对100ppmH2S灵敏度达到了236,响应时间为43s,检测下限为100ppb。

SF6及SF6/N2中分解气体在气体绝缘传输管道内的扩散特性计算

为明确气体绝缘传输线或称气体绝缘输电管道(GIL)内分解气体的扩散过程及其对化学检测法的影响,基于Fick定律和Fuller-Schettler-Giddings(FSG)方程建立GIL内分解气体在SF6及SF6/N2中的扩散模型。利用密度泛函理论(DFT)和范德华表面分析,得到了分子扩散体积Vd的预测方法。通过有限元法(FEM)对不同温度T、压力p及SF6混合比φSF6下的扩散过程进行计算,并结合理论分析及多元非线性拟合,得到八种主要特征分解气体浓度的时域和空间预测模型。结果表明,分解气体的扩散主要与扩散系数DG有关,T、p以及φSF6对于扩散过程的影响也主要体现在扩散系数上,且温度对扩散系数的影响要小于压力p和SF6混合比φSF6。各分解气体浓度cG随距离的增加呈指数衰减,随时间的增加呈指数增长。扩散过程会使检测处和缺陷源头处间的cG产生差异,从而影响化学检测法的准确性。此外,在扩散作用下,各类特征气体在绝缘诊断中的权重也会发生改变。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)及其分解气体与橡胶密封材料的相容性实验

针对C_(4)F_(7)N/CO_(2)环保气体绝缘设备用橡胶密封材料与气体相容性问题,对4种常用橡胶材料的相容性进行了实验检测和性能分析。选用三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、氯丁橡胶(CR)和氟橡胶(FKM),以氦气为对照组,开展了橡胶试样在C_(4)F_(7)N/CO_(2)、C_(4)F_(7)N/CO_(2)及其分解气体两种氛围下的70℃和100℃的热加速实验;检测得到了CO、CO_(2)、CH_(4)、CS_(2)、COS和C_(3)F_(6)等气体,其中C_(3)F_(6)来源于C_(4)F_(7)N气体,NBR产生的气体含量最高,FKM产生的气体种类少、含量最低;实验后的NBR橡胶表面出现严重喷霜现象,CR和FKM的表面形貌和化学结构几乎未变,4种橡胶的压缩永久变形受气体氛围影响小、受温度影响大,同等尺寸下EPDM的压缩性能最好,CR的压缩性能最差;综合气体和橡胶性能变化,发现NBR与C_(4)F_(7)N/CO_(2)相容性较差,CR的高温弹性力学性能较差,改善EPDM配方和FKM低温性能,可用作C_(4)F_(7)N/CO_(2)环保气体设备的密封材料,为环保型电气设备设计和材料选型提供了依据。

海洋水合物开采分解气体泄漏运移后果评估

为厘清海洋天然气水合物分解气体泄漏运移机制,构建基于计算流体动力学法的海洋环境中水合物分解气体运移行为预测模型,考虑海流流速、环境压力和温度随水深的梯度变化,以及分解气体在海洋环境中的密度和尺寸变化,采用拉格朗日离散相模型模拟水合物分解天然气在海洋环境中的运动特征,追踪其运移轨迹,评估抵达海面的时间、扩散距离及海面影响范围等关键风险参数。研究结果表明:当前工程实践开采量的水合物分解气体泄漏运移至海面不会造成海面火灾和船舶失稳风险;上浮时间、扩散距离和表层海水密度与气体分解量呈反比,海面影响区域尺寸随气体分解量先增大而后降低。

MoO3@CuMoO4气体传感器对SF6分解气体H2S的检测研究

运行中的气体绝缘组合电器由于存在内部缺陷往往会产生局部放电等现象,SF6气体在其作用下会发生分解,使设备绝缘性能降低,严重时会发生事故。因此可通过对SF6气体的分解组分H2S进行检测,达到对设备进行实时监测的目的。文中通过水热法合成了一种MoO3@CuMoO4敏感材料并进行了SEM、XRD表征;将MoO3@CuMoO4传感器用于对H2S的检测,表现出了优异的气敏性能。在最佳工作温度下,对100ppmH2S灵敏度达到了89,响应时间为162s,检测下限为100ppb。

基于氧同位素示踪法的电晕放电中H_2O和O_2对SF_6分解气体形成的影响

SF_6气体绝缘电气设备发生放电故障时,SF_6气体将分解为低氟硫化物,并进一步与H_2O、O_2等杂质反应,生成SO_2F_2、SOF_2和SO_2等气体。作为SF_6气体放电的特征产物,H_2O和O_2直接参与SO_2F_2的生成过程,因此SO_2F_2的含量与H_2O和O_2密切相关。为此,本文在工频电晕放电实验基础上,基于氧同位素示踪法,通过注入不同含量的同位素H_218O和18O_2,分析了微量H_2O和O_2对SO_2F_2的三种同位素化合物S16O_2F_2、S18O16OF_2和S18O_2F_2之间含量比值变化规律的影响,在此基础上进一步解释了SO_2F_2的形成机制。

SF_6分解气体在线红外光谱检测系统设计

SF6气体在放电或过热时会发生电离和分解,产生多种气体分解物。这些分解物会影响电气设备的绝缘性能。但现有的红外气体检测手段均无法对SF6分解气体进行现场在线测量。根据实际需求,本文根据光栅分光的原理设计了一种红外光谱检测系统。该系统可对SF6分解气体的成分和含量进行实时测量,可在电气设备带电运行的状态下进行在线测量。测量数据为分析设备的性能和安全状况提供有力的依据。

SF_(6)断路器模拟烧蚀过程中气体分解产物特性研究

SF_(6)断路器灭弧室中的SF_(6)、微水微氧及固体绝缘材料在电弧作用下会分解重组,生成新的组分气体。为研究SF_(6)断路器完整电寿命周期内,开断电流后各气体分解产物体积分数的变化规律,搭建了断路器全寿命模拟烧蚀试验平台,进行了69次烧蚀试验,测量了烧蚀过程中的电压电流参数和各气体分解产物体积分数。结果表明:SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)为主要产物,SO_(2)F_(2)、SOF_(4)体积分数较低,H_(2)S不能稳定检出;SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)体积分数均随烧蚀次数增加而增加。主要产物中,SOF_(2)和SO_(2)的生成量与电弧能量呈线性关系;CF_(4)生成量与电弧能量之间没有明显规律,其原因可能在于电弧对于固体绝缘材料的烧蚀具有随机性。吸附剂对SOF_(2)与SOF_(4)吸附作用显著,对其余产物未表现出明显的吸附效果。最后提出了通过SO_(2)体积分数评估断路器剩余电寿命的方法。

变电站内SF_(6)分解物检测追踪系统设计

六氟化硫(SF_(6))气体分解与泄漏现象日趋严重,给电气设备的绝缘性能带来了严重的负面影响,甚至对电气设备在运行过程中的安全性产生了极大的威胁。为快速有效地对SF_(6)气体的分解物(二氧化硫SO_(2)、硫化氢H_(2)S等)进行检测并定位泄露源,该研究基于高级精简指令集计算机(advanced RISC machine,ARM)控制器设计了可以检测以上两种主要有毒气体的电子鼻系统。接着以模拟退火算法为基础,提出气体烟羽追踪方法,旨在解决气体泄露源定位问题。气体浓度检测实验表明,相比MX6商业电子鼻,该文自制的电子鼻系统的气体浓度检测相对误差在0.7×10^(-6)以内,可以有效地检测以上两种有毒气体。此外,考虑到以上气体具有毒性,以乙醇气体为气味源进行了气体烟羽追踪实验。结果表明,该文所提出算法的有效性和实时性较好,平均定位误差只有0.63 m。以上实验证明该设计的电子鼻及模拟退火算法能够满足移动机器人进行SF_(6)分解气体泄漏检测的应用需求。

420kV及以上高压断路器电寿命试验中SF6气体分解产物及其影响研究

断路器承担着切除电力系统短路故障的重要任务,当故障出现时,需要断路器在数十毫秒内开断短路电流,因此断路器的性能对电力系统的安全运行有着重要的影响。SF6气体是高电压等级交流断路器中最常用的灭弧介质,开断短路电流的过程中,SF6会在电弧作用下产生多种分解产物,降低断路器的开断能力。文中通过对5台420kV及以上高压交流断路器开展电寿命试验,对SF6分解产物进行跟踪测量及分析,研究了SO2等分解产物对断路器开断性能的影响。

SF_6气体分解组分的多功能试验装置研制

GIS设备中局部放电(PD)的模式识别和放电量的定量检测是目前国内外研究的难点。为此,作者设计了一套用于SF6PD气体分解组分研究的多功能试验装置,重点介绍了装置的结构和主要部件的计算参数。初步试验研究表明:该装置能够产生PD并引起SF6分解,气体检测单元可有效检测SO2F2、SO2、CF4、空气、CO2等组分气体,检测结果与现有IEC和GB标准基本相符;能够在不同试验电压下,模拟各种PD,具有获取SF6气体分解组分、气敏传感器响应信号、微观放电图像、微观放电过程以及脉冲放电电流波形等多信息功能,从而为深入开展GISPD导致SF6分解组分的关联比对研究,最终为解决放电模式识别和放电量定量检测难题提供了综合试验研究手段。