化学检测法及其局限性：气体传感器与微音器的比较

运行中GIS气室中含有很多种气体杂质，其中有少量是在SF₆新气中就存在的，而大多数气体杂质是在GIS长期运行过程中由于SF₆在放电作用下发生分解，经过一系列复杂的物理化学反应产生的，如HF、SF₄、SOF₄、SOF₂、SO₂F₂和SO₂等。SF₆放电后其电晕分解的区域反应模型及化学反应过程如图6-2、图6-3所示。因此通过定期的气体组分的监测可以检测判断出局部放电的总体水平、发展情况，甚至可以根据不同分解气体组分含量之间的关系推断出局部放电的原因。

图6-2 SF₆电晕分解的区域反应模型

1.检测管法

检测管法主要是针对SO₂和HF进行检测，它们可与NaOH发生反应，同时SO₂又可以与碘发生化学反应促使指示剂改变颜色，变色的长度与相应的物质浓度成正比，所以其浓度值可从检测管的表面刻度或标带上读出。该方法的优点是能够检测到ppmV（其体积分数的10^-6）级的SO₂或HF，简单易行；缺点是易受温度和湿度的影响，并且对其他主要分解气体没有检测作用。检测管法检测示意图如图6-4所示。

图6-3 SF₆气体的化学变化过程

2.气体传感器法

气体传感器法具有检测速度快，效率高，可以与计算机配合使用从而实现自动在线检测诊断等突出优点，但也存在检测气体组分单一等缺点。目前国内外用气体传感器法可以检测的气体主要是比较常见的气体，如SO₂、HF和H₂S，而对重要的气体组分如SO₂F₂、SOF₂、SF₄、SOF₄和CF₄则无能为力。它存在组分间的干扰（如H₂S传感器会对SO₂有响应），HF传感器使用寿命短等问题。

图6-4 检测管法检测示意图

1—玻璃管 2—堵塞物 3—刻度 4—指示粉

3.气象色谱法

气象色谱法是目前国内外用于SF₆放电分解气体组分检测的最常用方法，也是IEC 60480—2004和GB/T 18867—2002共同推荐的检测方法。该方法的优点是检测组分多、检测灵敏度高；缺点是采样和分析过程中可能混入水分导致一些组分水解、对SO₂F₂和SO₂的检测比较困难、不能检测HF和局部放电主要成分之一的SOF₄。气象色谱法检测示意图如图6-5所示。其中X_S、Y_S是气体在流动相中的浓度，X_M、Y_M是气体在固体相中的浓度，K_D1、K_D2是分配系数，当K_D1＜K_D2时，根据y气体需要的时间小于x气体，所以y气体先流出，从而实现了气体的分离。

4.红外光谱法

一束红外光穿过样品物质时，由于物质对红外光的吸收，光将被吸收，吸收量与该气体浓度之间呈线性关系。透过的光与发射的光的比值对波长的函数就构成了样品物质的红外吸收光谱。特定气体的红外吸收光谱将在该气体的吸收波长处表现出尖峰，如图6-6所示。该方法也被应用于检测GIS的气体组分，其优点是检测速度快，能检测到ppmV级的SO₂、SO₂F₂、SOF₂、SF₄、SOF₄、H₂O和CF₄；缺点是SF₆及其部分分解气体的吸收峰十分接近，比较难分离，必须使用标准气体光谱参考图谱对分析结果进行校正，而有些标准气体如SOF₄很难找到而且非常不稳定。

5.光声光谱检测法

红外光声检测装置原理图如图6-7所示，经过聚焦、调制和滤光后的红外光束入射到光声池，当被测气体分子吸收了特定波长的红外光子后会发生激发，而部分处于激发态的分子又会迅速通过无辐射弛豫过程返回到基态，将吸收的光子能量转化为分子平均动能，从而使气体发生热膨胀产生周期性微弱声波信号，该声波信号的强弱与光声池中被测微量气体分子的成分和含量成对应关系。因此，利用微音器检测该声波信号并将其转换成电信号即可得到SF₆组分含量。SF₆分解组分光声检测装置如图6-8所示。

图6-5 气象色谱法检测示意图

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图6-6 红外光谱法示意图

a—SOF₂ b—SO₂F₂ c—SOF₄ d—SF₄ e—H₂O

图6-7 光声检测装置原理图

图6-8 SF₆分解组分光声检测装置

6.外复电极法

外复电极法是在GIS外壳上敷上绝缘薄膜与金属电极，外壳与金属电极形成小电容，局部放电引起的脉冲信号通过小电容耦合到检测阻抗上，再经放大后检测出来，而小电容和检测阻抗对低频信号则起隔离作用。通过电容测量到的信号是泄漏出的流动波所产生的电压差。该方法的缺点是监测阻抗一端接电容，另一端接地，形成一个大环路，易受外界电磁干扰。外复电极法检测系统如图6-9所示。

7.内部电极法

内部电极法是通过对GIS法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极与外壳形成电容，以此电容传感器来获取局部放电信号。该方法的优点是灵敏度高、干扰小；其缺点是通常在GIS出厂前预埋，不适用于已投运的GIS设备。内部电极法检测系统如图6-10所示。

图6-9 外复电极法检测系统

图6-10 内部电极法检测系统

8.脉冲电流法

当GIS内部发生局部放电时，接地线上会有高频脉冲电流通过，可通过检测阻抗或电流传感器进行局部放电的测量。电流传感器采用罗戈夫斯基（Rogowski）式传感器，其带宽可达数兆赫兹。脉冲电流法具有较高的灵敏度，但变电站运行现场电磁干扰较强，且GIS通常是多处接地，所以不宜采用测量脉冲电流的方法来测量现场的GIS局部放电，该方法多用于设备出厂的局部放电检测。脉冲电流法基本原理示意图如图6-11所示。

图6-11 脉冲电流法基本原理示意图

PG—脉冲发生器 LPF—低通滤波 SH—门槛电路 PC—脉冲计数器 ComP—计算机 AMP—放大器

上述各种监测局部放电的方法大部分是在实验室进行的，而工程应用较多的是UHF法，即特高频法。下面对特高频法进行重点介绍。