SF_(6)/N_(2)混合气体弧后分解产物检测与分析

目前电力行业中SF_(6)/N_(2)混合气体代替纯SF_(6)逐步得到推广,开展SF_(6)/N_(2)混合气体放电分解产物检测对电气设备运行状态评估具有重要意义。为探究SF_(6)/N_(2)混合气体电弧放电分解产物规律,开展了电弧放电实验,提出铜管引气技术并结合气相色谱仪解决了痕量组分难以快速有效检测的技术难题,实现了对SF_(6)/N_(2)混合气体电弧放电后分解产物的定性和定量检测,并利用密度泛函理论对主要分解路径的反应热进行计算,分析分解产物的形成原因和体积分数的变化规律。结果表明,SF_(6)/N_(2)混合气体在电弧放电下分解组分主要有CF_(4)、CH_(4)、CO_(2)、C_(2)F_(6)、SO_(2)F_(2)、SOF_(2)、SO_(2)、NF_(3)和N_(2)O,其中组分SOF_(2)、SO_(2)的生成量最高,NF_(3)和N_(2)O次之,CF_(4)和C_(2)F_(6)生成量最低。并且混合气体中N_(2)比重越大,电弧放电后NF_(3)和N_(2)O两种组分生成量越高,其余组分的生成量越低。NF_(3)和N_(2)O两种组分性质稳定且无毒,可以作为SF_(6)/N_(2)混合气体分解产物的特征组分。

SF_(6)放电分解产物荧光抑制光纤增强拉曼光谱动态高灵敏检测研究

分析SF_(6)放电分解产物组分和含量的动态变化是SF_(6)封闭式组合电器(Gas-Insulated Switchgear,GIS)状态诊断的关键。本文提出荧光抑制光纤增强拉曼光谱(Fiber-Enhanced Raman Spectroscopy,FERS)动态高灵敏检测方法。首先搭建了SF_(6)放电分解产物荧光抑制FERS检测系统,通过结合CCD数字滤波和小孔空间滤波的协同荧光滤波方法,系统信噪比提升228.4%;基于Allan方差分析确定了系统最佳积分时间为220 s。然后在2 bar压强、220 s积分时间下,基于标准混合气体样品分析确定了用于同时定性与定量分析SF_(6)放电分解产物SOF_(2),SO_(2)F_(2),COS,CF_(4),SO_(2),CO_(2),CO的特征拉曼谱峰,并计算得检测下限分别为1.95 ppm,1.78 ppm,0.83 ppm,2.41 ppm,0.93 ppm,2.51 ppm,6.69 ppm。最后通过连续168 h的GIS等比缩小模型局部放电实验证明了上述系统可实现SF_(6)放电分解产物的动态高灵敏检测,且与气相色谱法结果偏差小于±5%。实验结果表明,本文提出的检测方法可为GIS的安全运行提供技术支撑。

SF_(6)气氛下聚四氟乙烯的热解研究

SF_(6)设备内局部过热故障会产生全氟碳烃类特征分解产物。为了探明氟碳烃分解产物与PTFE热分解劣化过程的内在联系,本研究采用同步差示扫描量热/热重/色谱联用技术,构建可追踪到氟碳烃分解产物的六氟化硫热分解反应模型。系统地将热解升温速率/分解温度/分解产物体积分数条件与实验确定的特征分解产物/绝缘材料侵蚀联系起来,阐明了500~600℃温度区间SF_(6)-PTFE热分解形成六氟乙烷、八氟丙烷的化学反应历程。该结果可直接应用于局部过热故障造成的断路器喷口侵蚀进行定性定量检测,相关氟化分解反应为喷口故障精准分析提供实验和理论依据。

高压套管表带触指SF_(6)气氛中高温腐蚀特性研究

表带触指作为高压套管中电连接结构的关键部件,其接触劣化受到电、热、化学的联合作用。目前影响表带触指劣化腐蚀的关键因素尚不清楚,亟待开展相关研究。文中基于表带触指劣化试验系统开展了表带触指高温腐蚀特性研究:基于热力学原理分析了不同金属材料对SF_(6)气体分解产物的反应倾向;同时,开展了高温下表带触指在SF_(6)气体中的腐蚀试验,获得了不同过热分解条件下表带触指的腐蚀特性。研究发现,表带触指发生腐蚀反应的类型主要取决于温度最高点的位置和SF_(6)气体过热分解程度,SF_(6)过热分解初期氟化物的特征峰更强。当触指温度高于周边温度且SF_(6)分解程度较低时,表带触指主要受到氟化腐蚀,当SF_(6)分解程度较高时,表带触指主要受到硫化腐蚀。相关研究可为高压套管触指结构的过热故障分析及可靠性运行提供实践依据。

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。

SF_(6)分解组分的气体传感器检测方法综述

填充六氟化硫(SF_(6))的电气设备内部存在绝缘缺陷时可能发生过热或放电,迫使SF_(6)分解产生一些特定的气体副产物。通过检测这些副产物的种类和浓度,可以判断电气设备中是否存在绝缘缺陷以及缺陷的类型和严重程度。气体传感器作为气体检测的重要工具,在绝缘缺陷的气体检测法中受到了越来越多的关注。本文重点回顾了使用气体传感器检测SF_(6)分解产物的方法,介绍了SF_(6)解离过程和特征气体的生成路径,详细阐述了用于SF_(6)分解特征气体检测的传感器气敏原理和优缺点;重点讨论了利用特征气体信息诊断绝缘缺陷的算法,并展望了通过传感器检测气体分解组分方法诊断绝缘缺陷的发展方向。

基于ISFO-KELM的SF_(6)电气设备故障组分CO_(2)浓度反演模型

SF_(6)电气设备内部的分解组分可以通过可调谐吸收光谱技术进行检测,其中CO_(2)浓度反映了设备内部的绝缘缺陷情况。因此,通过准确测量CO_(2)浓度可以及时发现设备潜在的绝缘故障。为克服传统最小二乘法浓度反演模型稳定性较差的问题,文中基于改进的旗鱼优化算法(Improved Sailed Fish Optimizer,ISFO)与核极限学习机(Kernel Based Extreme Learning Machine,KELM)建立了ISFO-KELM气体浓度反演模型。利用多策略初始化方法、Levy随机步长、柯西变异和自适应t分布变异等技术提升了旗鱼优化算法寻优能力和跳出局部最优解能力。实验结果表明,该模型具有高精度和鲁棒性,并且在稳定性和泛化能力方面优于最小二乘法、极限学习机、反向传播(Back Propagation,BP)神经网络等传统方法,对评估SF_(6)电气设备运行状态具有重要意义。

SF_(6)分解气体光声光谱检测的交叉干扰及其标定方法研究

SF_(6)气体绝缘设备内发生局部放电时会分解生成一系列微量气体产物,实现对该分解产物的实时检测对及时发现设备的绝缘缺陷、维护电网安全运行具有重要意义。文中针对SF_(6)分解气体的光声光谱在线检测技术,分析了其技术难点,并对SF_(6)分解物的交叉干扰以及标定等关键技术进行研究讨论。提出了SF_(6)分解物滤光片的科学选择方法,并通过大量实验确定了7种SF_(6)分解物的特征气体组合及其对应的滤光片红外吸收峰参数;同时,采用多组分气体标定方法消除分解物气体组分在检测中的交叉干扰影响。通过文中的研究,对解决SF_(6)分解气体光声光谱在线检测技术的关键问题提供了参考思路。

基于同位素示踪法的微量O_(2)对电弧放电下SF_(6)分解产物影响的研究

SF_(6)气体绝缘开关设备电弧放电下O_(2)对SF_(6)分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚。针对这一问题,文中利用^(18)O_(2)作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用GC⁃MS分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及^(18)O_(2)对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。结果表明,电弧放电下O_(2)杂质会在不同程度上促进SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)、CO_(2)的生成,其中O_(2)主要以分解后的O原子参与SOF_(2)、SO_(2)、CO_(2)的生成反应,以O_(2)分子和分解后的O原子共同参与SO_(2)F_(2)的生成反应。SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

基于氧同位素示踪技术的H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物的影响研究

SF_(6)分解产物与SF_(6)开关设备故障放电类型和严重程度存在内在联系,可通过分解产物分析实现对开关设备的故障诊断。H_(2)O对SF_(6)电弧放电分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚,严重制约了分解产物分析法的工程应用。为解决这一问题,文中搭建了SF_(6)开关设备电弧放电分解产物实验研究平台,利用H_(2)^(18)O作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用气相色谱质谱联用仪分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及H_(2)O对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。研究发现,H_(2)O会直接参与SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)和CO_(2)的生成反应,化学反应机理的不同导致各物质的形成与演化规律具有显著差异。其中,SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的分解反应和复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

SF_(6)组分高精度分离、多通道持续测量技术优化与应用

六氟化硫气体绝缘电力设备(SF_(6)设备)因其优秀的绝缘、灭弧性能以及占地少,可靠性高,安全,维护工作量小等诸多优点,得到广泛应用。SF_(6)设备在安装、运行过程中的诸多因素都可能导致设备出现绝缘缺陷,测量设备内SF_(6)气体中典型分解产物的含量是判断绝缘缺陷的最有效检测手段之一。为检测SF_(6)气体的分解产物,通常使用离线仪器对变电站的SF_(6)设备进行定期巡检,如SF_(6)分解产物测试仪、SF_(6)纯度测试仪,分解产物测试仪主要基于电化学检测原理测试气体体积分数,纯度测试仪主要基于热导法测试SF_(6)纯度值。这些方法的检测组分少、实时性差,通常在设备故障后才能检测到气体组分异常,无法提前预防设备潜伏性故障。而在线监测技术目前仅仅在气体密度、温度和湿度等方面得到了较为成熟的应用,至今没有一套成熟、稳定、可靠的分解产物在线监测技术能满足现场运行要求。文中提出一种SF_(6)气体分解产物的高精度分离、多通道持续测量的技术,解决了长时间监测过程中气体流量不稳定、单通道检测效率低、无法远程进行色谱取样分析等技术难题。与传统离线检测手段相比,该方法具备检测组分多、能够远程实时监控、长时间监控稳定性好、监测效率更高等优点,填补了气相色谱法在SF_(6)气体在线监测方面应用的不足。采用此方法,通过持续不间断监测SF_(6)设备中10余种特征气体组分的体积分数,可以准确、实时、高效地评估SF_(6)设备当前的绝缘缺陷状态。

考虑微水微氧下的SF_(6)/N_(2)混合气体电晕分解特性实验研究

SF_(6)目前是使用最广泛的绝缘气体,但SF_(6)的GWP极高且不易降解,使用SF_(6)/N_(2)混合气体可以有效减少SF_(6)的使用从而降低温室效应的影响。因此,文中开展了考虑微水微氧下的SF_(6)/N_(2)混合气体电晕放电分解实验,利用色谱仪对产物进行检测并分析产物特体积分数变化趋势,得出不同外界条件对分解产物的影响规律。实验结果表明:SF_(6)/N_(2)混合气体在电晕放电下的分解产物中SO_(2)F_(2)与SOF_(2)随时间具有明显的线性增加趋势,CO与CH_(4)的体积分数与放电时间无明显变化趋势,CO_(2)、N_(2)O、NF_(3)、SO_(2)与H_(2)S随着放电时间小幅增加,但相较于SOF_(2)与SO_(2)F_(2)变化规律不明显。电压升高后,电晕放电能量会得到提升,进而促进SF_(6)/N_(2)混合气体的分解作用;气压的增加会抑制SF_(6)/N_(2)的分解;微水或微氧含量增加均会使得SO_(2)F_(2)与SOF_(2)的体积分数增加,对于SO_(2)、CO_(2)、NF_(3)、H_(2)S和N_(2)O的影响不明显。文中实验结果为SF_(6)/N_(2)混合气体绝缘设备内部故障的快速识别与响应奠定了基础。

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。

基于SF_(6)分解产物分类规划的GIS放电故障分析

为提高气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear,GIS)的安全评价能力,在基于机器学习算法的GIS诊断模型的鲁棒特性基础上,研究由阿伦尼乌斯化学反应模型处理的不同故障类型的经验概率函数,利用6种机器学习算法建立放电故障和绝缘缺陷模型,通过学习组成系统中不同气体(SO_(2)、SOF_(2)、SO_(2)F_(2)、CF_(4)、CO_(2)等)体积分数的数据集及其比值来训练识别算法。结果表明,经验概率模型可以有效识别GIS多种绝缘缺陷及其共存状态,SO_(2)F_(2)和SO_(2)体积分数比为4.2是高能放电状态的临界点,对故障预警具有重要意义;在基于高斯分布的GIS绝缘缺陷测试结果图中,y≈0.15的区域是多种放电故障共存的区域,需重点关注。

气体绝缘设备局部放电下SF_(6)分解产物扩散特性研究

气体绝缘设备(GIS)局部放电产生的分解产物在气室内的扩散过程会影响其浓度分布,从而影响故障诊断的准确性。为了研究局部放电下SF_(6)分解产物扩散特性,建立了SF_(6)分解产物检测系统,得到了CO_(2)、CF_(4)和C_(2)F_(6)等分解产物随放电时间和缺陷位置的扩散规律。同时构建了气室三维传质模型,对比研究了分解产物在缺陷位置影响下的扩散特性。结果表明,放电缺陷位置会影响分解产物含量的空间分布。当有机绝缘材料参与放电时,CF_(4)含量随放电时间增长而增加,CF_(4)可以作为设备内部沿面放电的判断依据。C_(2)F_(6)含量随放电时间增长而增加,随扩散距离延长而减少,且产生量很大,C_(2)F_(6)可以作为设备内部局部放电的判断依据。

基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测技术研究

检测SF_(6)气体分解产物是判断SF_(6)电气设备运行状态的主要手段。对SF_(6)分解产物不同检测方法优缺点进行总结,并对基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测技术现状进行分析。针对基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测灵敏度不高的问题,提出提升灵敏度的方法。

SF_(6)故障分解及特征组分检测研究进展

国际大电气研究会议(CIGRE)的统计数据表明,SF_(6)气体绝缘设备运行可靠性较高,但实际运行中高电压等级SF_(6)气体绝缘设备的故障率远高于IEC标准。受限于SF_(6)气体绝缘设备复杂的金属全封闭结构以及运行中强烈的电磁干扰,如何对SF_(6)气体绝缘设备运行状态进行有效、准确的监测,仍是目前面临的一大技术挑战。在设备早期潜伏绝缘故障引起的局部强电磁能和高温的作用下,SF_(6)气体出现不同程度的分解,分解产物主要包括SO_(2)F_(2)、SOF_(2)、SO_(2)、H_(2)S和CO_(2)、CF_(4)等。基于SF_(6)故障分解组分特性提取反映故障属性的组分特征量,并建立有效的故障诊断方法,是SF_(6)气体绝缘设备绝缘状态监测的一项有效技术手段,这一领域正引起电力行业和科研院所的广泛关注。其中,提高SF_(6)故障分解组分检测速度、灵敏度和抗干扰性,是业内学者正竭力攻克的关键难题,并在近期取得了一系列突破性的研究进展。文中总结了基于故障分解组分的SF_(6)气体绝缘设备故障诊断方法的研究进展,重点介绍了SF_(6)分解组分光学检测与化学传感检测研究的突破性成果,并对该技术在应用过程中需要重点解决的难题进行了归纳和总结。

基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法

为最大化屏蔽光学信号对气体浓度的影响,获得高浓度的SF_(6)气体分解产物,提出基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法。选择适宜的复合性光学材料,在初始应用结构的作用下,求取具体的红外成像参数,完成对红外复合光学原理作用方法的初步分析。按需设置微流红外气体传感器,根据SF_(6)分子谱线的分布形式实施对异常峰值的剔除处理,实现基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法的设计。对比实验结果表明,在满足红外复合光学原理作用条件的情况下,光学信号不会对气体浓度产生明显影响,这对于获取高浓度的SF_(6)气体分解产物能够起到促进性影响作用。

改性石墨烯基传感器对SF_(6)分解组分H_(2)S的吸附机理及检测特性研究

作为SF_(6)的重要分解组分,H_(2)S能够有效反映SF_(6)气体绝缘电气设备内部绝缘故障类型及程度。该文以H_(2)S为目标检测气体,探究了改性石墨烯基传感器对H_(2)S的吸附机理及检测特性。基于第一性原理建立了环氧基化石墨烯(G-O)、钯掺杂石墨烯(Pd-G)和环氧基与钯共掺杂石墨烯(Pd-G-O)改性模型和H_(2)S吸附模型,从吸附能、态密度、轨道、脱吸附时间等多方面计算分析了G-O、Pd-G、Pd-G-O的改性机理与吸附机理,结果表明Pd-G-O对H_(2)S表现出优异的吸附性能,吸附能达到-1.015 eV,为较强的化学吸附,且对应着强烈的电荷转移值0.281 e;制备了G-O、Pd-G、Pd-G-O传感材料及器件,基于微量气敏测试平台测试了改性石墨烯基传感器检测H_(2)S的温度、体积分数、响应恢复及稳定特性,其中Pd-G-O传感器对H_(2)S表现出低工作温度(175℃)及快速响应优势。该文的仿真计算与气敏测试分析为研制检测SF_(6)分解组分的低功耗、高灵敏度及快速响应传感器提供了理论基础与实验支撑。

基于第一性原理的Mo_(3)N_(2)晶体对SF_(6)分解组分吸附特性研究

对SF_(6)分解组分进行检测是对电力设备运行状态进行评估,以确保设备能安全稳定工作的有效措施之一。本文基于第一性原理仿真软件Materials Studio对SF6的两种特征分解组分气体在Mo3N2表面上的吸附过程进行理论计算。从吸附能、吸附距离、转移电荷、带隙、能态密度图等方面对其在传感器领域的可行性做了评估。结果表明,Mo_(3)N_(2)上对H_(2)S,SO_(2)F_(2)的吸附能均大于0.800 eV,且SO_(2)F_(2)气体分子在吸附后发生形变裂解,Mo_(3)N_(2)基底的原子排布些许错位,均为化学吸附。Mo_(3)N_(2)吸附两种气体后带隙降为0,转变为金属性。本文的所有理论计算研究对检测与清除SF_(6)分解组分气体的材料选型提供理论依据。