CN207780167U - 一种sf6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置 - Google Patents

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艾亚萍
林莘
徐建源
夏亚龙
张佳
宋宇
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赵旭
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Abstract

本实用新型提供一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置。气体检测管对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2和HF进行检测并校正电化学传感器中SO2、HF气体组分检测结果；电化学传感器检测出SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2、H2S、CO和HF气体组分含量；气相色谱仪对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的浓度进行标定；气相质谱仪修正气相色谱仪标定的浓度；计算机根据气相质谱仪修正的浓度进行SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断；由于故障设备运行中不同故障类型产生的SF6分解产物不同，因此使用由气体检测管、电化学传感器、气相色谱仪和气相质谱仪组成的检测装置进行定性及定量检测。

Description

一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置
技术领域
本实用新型属于开关设备绝缘故障诊断技术领域，特别是涉及一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置。
背景技术
随着电力工业的发展，SF6开关设备逐渐取代传统的充油设备对电力***的安全稳定和经济运行起到了关键作用。由于设备在设计、制造、安装和运行维护等方面可能存在缺陷，导致设备内部发生局部放电甚至电弧放电，严重威胁电网安全，因此及时检测出SF6开关设备内部缺陷，对保障设备和电网的安全运行具有重要意义。在SF6开关设备故障诊断的早期阶段，传统的电气试验方法难以检测到设备内部的故障缺陷。现场运行经验已表明，通过检测 SF6气体分解产物，可及时、有效地发现设备内的潜伏性故障，进行设备故障定位。
我国电力运行单位近年来大量开展开关设备SF6气体分解产物检测工作，福建、广东、陕西和安徽等省电力公司及其科研机构对所属电网的全封闭式组合电器(gasinsulated switchgear，GIS)、断路器等SF6开关设备进行了普测。取得了一定的成果，为设备维护积累了大量的运行数据，进而对设备的状态检修提供技术指导。基于此，SF6气体检测分析方法在开关设备方面的应用拥有较大前景。运行中的SF6开关设备，因开关操作或设备内部出现缺陷，使得绝缘强度降低。又由于SF6开关设备在中国电网中的普遍应用。因此，提出一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置及方法十分必要。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置。
本实用新型采用如下技术方案：
一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置，包括：
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2和HF进行检测并校正电化学传感器中SO2、HF气体组分检测结果的气体检测管；
检测出SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2、H2S、CO和HF气体组分含量的电化学传感器；
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的浓度进行标定的气相色谱仪；
对气相色谱仪标定的浓度进行修正的气相质谱仪；
根据气相质谱仪修正的浓度进行SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断的计算机；
电化学传感器的输出端、气相色谱仪的输出端、气相质谱仪的输出端均连接至计算机。
所述气体检测管，包括：通入待检测气体的玻璃管；玻璃管内部两侧均设置有堵塞物，堵塞物之间的空间作为反应空间，玻璃管外壁设置刻度，在反应空间内与刻度相对应之处涂有指示剂，待检测气体在玻璃管中经过一侧的堵塞物进入反应空间内与指示剂发生化学反应使指示剂颜色发生变化，指示剂颜色发生变化的长度通过刻度读出即得到SO2的浓度或HF 的浓度。
所述指示剂为NaOH和碘。
所述电化学传感器根据通入待检测气体后半导体表面电阻值的变化确定H2S的含量、CO 气体的含量。
所述气相色谱仪采用氦气作为载气，根据气相色谱图中的色谱峰对各气体组分进行直接标定，从而得到CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的含量。
有益效果：
在故障设备运行中，由于不同的故障类型所产生的SF6分解产物不同，因此使用由气体检测管、电化学传感器、气相色谱仪和气相质谱仪组成的检测装置进行定性及定量检测。利用气体检测管的检测结果对电化学传感器进行校正，使电化学传感器的检测结果更加准确。再利用气相质谱仪对气相色谱仪的检测结果进行校正，使气相色谱仪的检测结果更加准确。利用该检测装置中的SF6分解产物进行定性及定量检测后，再利用不同放电类型与其产生的气体分解产物的对应关系，对开关设备内部绝缘状况进行故障诊断。
附图说明
图1为本实用新型具体实施方式中气体检测管示意图，其中1-玻璃管，2-堵塞物，3-指示剂，4-刻度；
图2为本实用新型具体实施方式中电化学传感器示意图；
图3为本实用新型具体实施方式中气相色谱仪示意图；
图4为本实用新型具体实施方式中SF6分解气体的色谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置，包括：
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2和HF进行检测并校正电化学传感器中SO2、HF气体组分检测结果的气体检测管；
检测出SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2、H2S、CO和HF气体组分含量的电化学传感器；
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的浓度进行标定的气相色谱仪；
对气相色谱仪标定的浓度进行修正的气相质谱仪；
根据气相质谱仪修正的浓度进行SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断的计算机；
电化学传感器的输出端、气相色谱仪的输出端、气相质谱仪的输出端均连接至计算机。
如图1所示为气体检测管，包括：通入待检测气体的玻璃管1；玻璃管1内部两侧均设置有堵塞物2，堵塞物2之间的空间作为反应空间，玻璃管1外壁设置刻度4，在反应空间内与刻度4相对应之处涂有指示剂3，待检测气体在玻璃管1中经过一侧的堵塞物2进入反应空间内与指示剂3发生化学反应使指示剂3颜色发生变化，指示剂3颜色发生变化的长度通过刻度4读出即得到SO2的浓度或HF的浓度。
SO2和HF都是强酸性物质，HF可以与NaOH发生反应，SO2可以与碘发生化学反应，因此分别将NaOH和碘选作指示剂3，HF与NaOH发生反应或SO2与碘发生化学反应时促使指示剂改变颜色，变色的长度与SO2与碘的物质浓度成正比，浓度值很容易的从气体检测管的表面刻度4上读出，操作简单、精确度高。它们的化学反应式为
HF+NaOH＝NaF+H2O 紫红变黄；
SO2+I2+2H2O＝H2SO4+2HI 蓝变白。
由化学反应式可知，HF采用酸碱反应，SO2采用氧化还原反应，由于反应机理不同，这两种物质不需要进行分离。气体检测管能够检测到其体积分数10-6级的SO2或HF，因其简单易行，这种方法已经被成功投入商业应用。但容易受到温度、湿度和存放时间的影响，并且对其它主要分解气体没有检测作用,不能全面反应SF6放电分解气体组分情况。
如图2所示的电化学传感器可以精确检测SO2、H2S、CO和HF气体组分，但是准确度低于气体检测管，因此，将已经确认SO2和HF含量的气体通入电化学传感器，根据半导体表面电阻值的变化，确定H2S、CO气体的含量。经检测得SO2、H2S、CO和HF气体组分的含量，由于检测结果中SO2和HF的含量与气体检测管检测结果存在微小偏差，利用气体检测管检测结果校正电化学传感器检测结果，并进行二次测量，经过二次检测得出H2S、CO气体的含量，但仍需进一步检测CF4、SO2F2、SOF2等成分的含量。
将待检测气体通入如图3所示的气相色谱仪，气相色谱仪可以同时检测上述两种仪器尚未检测到的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、SO2、H2O等重要气体组分，采用氦气作为载气，色谱柱(毛细柱CP-Sil5CB60mtr0.32mm)选择不锈钢管柱，PorapakQ(80/100目)，3～4m(L)×3mm(φ)；加热室程序：初始温度：60～80℃，最终温度：120～180℃，加热速度：10～20℃/min。得出如图4所示的气相色谱图，根据气相色谱图中的色谱峰对各气体组分进行直接标定，从而得到CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的含量，用电压U表示相对含量的高低随时间的变化情况。从图4中可以得出CF4含量超出IEC2010 标准的范围，由于固体发生绝缘损伤时，分解产生C与气体中的F结合产生过量CF4，因此判断开关设备内部存在固体绝缘损伤。
气相质谱仪对气相色谱仪标定的浓度进行修正：若检测到的气体组分含量与气相色谱仪检测到的不同，则以气相质谱仪的检测结果为准；气相质谱仪根据带电粒子在电场或磁场中运动规律的不同，按其质荷比质量和电荷的比将其分离，从而测定粒子的质量及其强度分布。气相质谱仪给出化合物的元素构成、分子量、经验式以及分子结构信息，并且由于检测速度快、灵敏度高和定性专属性强，利用质谱仪检测色谱仪分离后的气体验证色谱仪检测得准确，无需校正二次测量。
采用上述装置进行的SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断方法，包括：
步骤一：从SF6气体绝缘开关设备内部获取待检测气体。
步骤二：将待检测气体通入气体检测管，针对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2和HF进行检测，SO2和HF与气体检测管内的NaOH发生反应促使指示剂改变颜色，SO2与气体检测管内的碘发生化学反应促使指示剂改变颜色，通过变色的长度反应相应的物质浓度，从气体检测管的表面刻度或标带上读出相应浓度值。
步骤三：利用电化学传感器对SO2、H2S和CO气体组分进行定量检测：将待检测气体通入电化学传感器，半导体表面电阻值会发生变化，根据半导体表面电阻值与气体组分含量之间的关系确定SO2、H2S和CO气体组分的含量。
运行表明，电化学传感器对不同气体间的交叉干扰严重限制了该方法的检测准确性，同时存在检测组分有限、自身衰变、零点和温度漂移、寿命较短等问题，需对电化学传感器检测仪进行定期校核，确保检测结果的准确度和有效性。表1所示为电化学传感器检验方法及检验指标、检测仪分A类(适于检测潜伏性故障)和B类(适于检测故障设备)的检验体系。
表1检验指标
步骤四：利用气相色谱仪同时检测气体检测管、电化学传感器尚未检测到的CF4、SF6、 SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10气体组分含量：将待检测气体通入气相色谱仪，采用氦气作为载气得出气相色谱图，根据色谱峰对各气体组分含量进行直接标定，从而得出CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的含量；
气相色谱仪是一种分离分析仪器，利用不同物质在两相中具有不同的分配系数(或吸附系数、渗透性)，当两相作相对运动时，这些物质在两相中进行多次反复分配而实现分离。经过检测器和记录器，这些被分开的组分成为一个个的色谱峰。气相色谱仪可以同时检测其体积分数低至10-6级的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、SO2、H2O等气体组分。如图3所示的气相色谱仪通常由下列5个部分组成：①载气***(包括气源和流量的调节与测量元件等)；②进样***(包括进样装置和汽化室两部分)；③分离***(主要是色谱柱)；④检测、记录***(包括检测器和记录器)；⑤辅助***(包括温控***、数据处理***(安装在计算机中)等)。
根据IEC60480推荐，气相色谱分析时采用如下分析条件：①载气：氦气或氢气(10～25 mL/min)；流速应该根据所用色谱分析柱进行调节使分析效果最优；②色谱分析柱：不锈钢管柱，PorapakQ(80/100目)，3～4m(L)×3mm(φ)；③加热室程序：初始温度：60～80℃，最终温度：120～180℃，加热速度：10～20℃/min。
气相色谱仪对分解气体组分的浓度需要进行标定，可以根据色谱峰对各气体组分进行直接标定，由于一些分解气体化合物的不稳定性，使得直接标定非常困难。所以通常使用替代方法进行间接标定。
步骤五：利用气相质谱仪检测气体检测管、电化学传感器尚未检测到的CF4、SF6、SO2F2、 SOF2、SO2、H2O、S2F10以及S2OF10气体组分含量，若检测到的气体组分含量与气相色谱仪检测到的不同，则以气相质谱仪的检测结果为准；
气相质谱仪是根据带电粒子在电场或磁场中运动规律的不同，按其质荷比质量和电荷的比实现分离，从而测定粒子的质量及其强度分布。气相质谱仪的主要特点是可以给出化合物的元素构成、分子量、经验式以及分子结构信息,它具有检测速度快、灵敏度高和定性专属性强等优势。
质谱法是根据带电粒子在电场或磁场中运动规律的不同,按其质荷比质量和电荷的比，实现分离，从而测定粒子的质量及其强度分布。质谱法的主要特点是可以给出化合物的元素构成、分子量、经验式以及分子结构信息,它具有检测速度快、灵敏度高和定性专属性强等优势。
带电离子在电场中移动的距离与其分子量大小之间的关系由其本身的性质决定，其中
式中：m代表分子质量；B代表磁场强度；r代表轨迹半径；e为电荷电量；V代表电压。从式中可知，分子质量与成正比(Z值一般取为1)。
气相质谱仪测定的是粒子质量，可以给出被检测化合物特征离子的单同位素质量,这是它的独到之处。高分辨率质谱仪测得的是离子的精确质量,可以获得分子、离子的元素组成以及经验式。气相质谱仪对未知化合物进行检测时,由于杂质会对样品的质谱图产生影响不利于质谱图的分析，因此要求检测样品中的杂质成分极低。在进行质谱测定之前,气相色谱仪可以对混合物进行有效地分离,并可获得纯度很高的样品,满足了质谱鉴定的对于样品的要求。
步骤六：根据检测结果对开关设备内部绝缘状况进行故障诊断：
若检测到的SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的气体中SOF2的含量最高且分解产生的气体中检测到包含S2F10以及S2OF10两种产物，则当前故障类型为火花放电；
若检测到的SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的气体中SO2F2、SOF2的含量超过设定值，则当前故障类型为电弧放电；
若检测到的SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的气体中H2S、CF4的含量超过设定值，则当前故障类型为固体绝缘损伤。
将检测结果对照表2可以方便快捷的推断出SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障类型。
表2分解产物与故障类型对照表
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断装置，其特征在于，包括：
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2和HF进行检测并校正电化学传感器中SO2、HF气体组分检测结果的气体检测管；
检测出SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的SO2、H2S、CO和HF气体组分含量的电化学传感器；
对SF6气体绝缘开关设备运行过程中分解产生的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的浓度进行标定的气相色谱仪；
对气相色谱仪标定的浓度进行修正的气相质谱仪；
根据气相质谱仪修正的浓度进行SF6气体绝缘开关设备内部绝缘故障诊断的计算机；
电化学传感器的输出端、气相色谱仪的输出端、气相质谱仪的输出端均连接至计算机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体检测管，包括：通入待检测气体的玻璃管(1)；玻璃管(1)内部两侧均设置有堵塞物(2)，堵塞物(2)之间的空间作为反应空间，玻璃管(1)外壁设置刻度(4)，在反应空间内与刻度(4)相对应之处涂有指示剂(3)，待检测气体在玻璃管(1)中经过一侧的堵塞物(2)进入反应空间内与指示剂(3)发生化学反应使指示剂(3)颜色发生变化，指示剂(3)颜色发生变化的长度通过刻度(4)读出即得到SO2的浓度或HF的浓度。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述指示剂(3)为NaOH和碘。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电化学传感器根据通入待检测气体后半导体表面电阻值的变化确定H2S的含量、CO气体的含量。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气相色谱仪采用氦气作为载气，根据气相色谱图中的色谱峰对各气体组分进行直接标定，从而得到CF4、SF6、SO2F2、SOF2、H2O、S2F10以及S2OF10的含量。
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