CN108956806A - Sf6/cf4混合气体放电装置及分解产物检测方法 - Google Patents

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CN108956806A CN201810551589.2A CN201810551589A CN108956806A CN 108956806 A CN108956806 A CN 108956806A CN 201810551589 A CN201810551589 A CN 201810551589A CN 108956806 A CN108956806 A CN 108956806A
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Abstract

一种SF6/CF4混合气体放电装置及分解产物检测方法，属于气体检测领域。该SF6/CF4混合气体放电装置，包括高压电源产生单元、SF6/CF4混合气体放电单元、SF6/CF4混合气体充气单元和气质联用检测单元；该SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法为：调节装置，抽真空，向放电腔充气；对放电腔施加电压，当放电腔中的正电极和负电极间隙击穿时，记录此时的混合比、电压值、电流值、放电持续时间，停止供电，一部分分解产物气体进入GC‑MS检测单元中检测，检测数据通过GC‑MS工作站进行分析。该装置简单、正负极距离可调，其是能实现从产生电弧从而使SF6/CF4混合气体发生分解，进而检测的集成装置，该方法具有灵敏度高、分析效果高、定量准确等优点。

Description

SF6/CF4混合气体放电装置及分解产物检测方法
技术领域
本发明属于气体检测领域，具体涉及一种SF6/CF4混合气体放电装置及分解产物的检测方法。
背景技术
SF6气体化学稳定性好、无毒，且具有良好的绝缘和灭弧性能，已经被广泛应用于电力设备中。然而SF6气体也存在许多缺点：价格昂贵、液化温度高、对局部不均匀电场敏感，温室效应指数较高，这限制了它在未来的大量使用。因此减少甚至杜绝SF6气体在电器设备中的使用，已成为现在高压电器气体绝缘研究的重要课题。到目前为止，尚未发现一种物质的绝缘与灭弧能力能完全代替SF6气体，因此短期内减少SF6气体使用的方法是使用SF6混合气体。SF6/CF4混合气体具有耐低温性能好，节约使用成本，节能环保等特点，越来越多的被人们关注，开始使用在管道母线、气体绝缘变压器、高压开关设备中。
由于在气体绝缘开关设备的运行过程中，因开关操作或设备内部出现缺陷等问题，会使得气体长期处于放电过程或者过热环境中，可能导致气体分解从而产生多种分解产物。通过检测气体分解的产物的方法，对于设备出现局部放电、发热等缺陷和事故，以及设备故障定位等方面，比传统电气方法，具有检测准确度高、干扰小等优势，目前，通过检测气体分解产物从而判断设备故障的方法，已在气体绝缘高压开关设备得到了广泛的应用。目前，针对现有SF6分解机理检测方法和评价手段不能满足混合气体设备的相关要求，对混合气体在不同条件下的分解产物问题还有待进一步研究。
发明内容
针对混合气体分解产物检测方法的空白，本发明的目的在于提供一种SF6/CF4混合气体放电装置及分解产物检测方法，尤其是涉及SF6/CF4混合气体电弧放电装置及采用气质联用检测分解产物的检测方法。该装置简单、正负极距离可调，其是能实现从产生电弧从而使SF6/CF4混合气体发生分解，进而检测的集成装置，该方法具有灵敏度高、分析效果高、定量准确等优点。
本发明的技术方案是：
一种SF6/CF4混合气体放电装置，包括高压电源产生单元、SF6/CF4混合气体放电单元、SF6/CF4混合气体充气单元和气质联用检测单元；
所述的高压电源产生单元分为高压电源产生单元的正输出端和高压电源产生单元的负输出端；
所述的SF6/CF4混合气体放电单元包括阻容分压器、放电腔、第一开关、第二开关和示波器；
阻容分压器分为高压端、低压端和接地端，阻容分压器的高压端通过第一开关连接高压电源产生单元的正输出端，阻容分压器的低压端连接示波器，阻容分压器的接地端接地；同时，阻容分压器的低压端和高压电源产生单元的负输出端连接；
SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔中设置有正电极和负电极，正电极和负电极的垂直距离在5-20mm，并可调，正电极通过第二开关和高压电源产生单元的正输出端连接，负电极和高压电源产生单元的负输出端连接；
所述的SF6/CF4混合气体充气单元包括真空泵、气阀、储气罐和气瓶；
所述的真空泵一端通过第一个三通阀连接放电腔的一端，真空泵的另一端通过气阀和储气罐出气口相连，储气罐的进气口连接气瓶，气瓶设置有两个，分别为SF6气瓶和CF4气瓶；
作为优选，所述的真空泵通过第一个三通阀连接放电腔设置有负电极的一端；
所述的SF6/CF4混合气体充气单元还包括：第一气压表和真空表，第一气压表和真空表设置在第一个三通阀和放电腔的一端连接的线路上。
所述的真空泵，用于向放电腔内充气和抽真空，所述的第一气压表用来控制气体流量和测量混合气体的气压，所述的真空表用来检测放电腔中的真空度，所述的第二气压表和第三气压表用来配制不同比例的混合气体。
所述的气质联用检测单元包括GC-MS检测单元和和GC-MS工作站；其中，GC-MS检测单元一端通过第二个三通阀和第一个三通阀连接至放电腔，GC-MS检测单元另一端连接GC-MS工作站，GC-MS工作站将GC-MS检测单元监测的数据信号进行处理，得到检测数据。
所述的高压电源产生单元包括工频交流电源、调压器、变压器、第一电阻、整流二极管和电容；
所述的工频交流电源连接调压器，调压器连接变压器的原线圈，变压器的副线圈一端依次连接第一电阻、整流二极管正极，整流二极管负极和电容一端连接后作为高压电源产生单元的正输出端，变压器的副线圈的另外一端作为高压电源产生单元的负输出端；在高压电源产生单元的正输出端和负输出端之间设置连接有电容；
作为优选，所述的放电腔中，正电极采用针电极，负电极采用平板电极。
作为优选，所述的正电极的边缘和负电极的边缘均设置有8～12°的倒角，其目的在于防止边缘效应。
其中，高压电源产生单元的正输出端和阻容分压器的高压端连接线路上设置的第一电阻，用于保护线路。
所述的阻容分压器用于测量瞬态高电压，所述的示波器用于显示阻容分压器的低压端输出电压。
所述的GC-MS检测单元还与气体回收装置连接，目的在于回收GC-MS检测单元的检测废气以及放电后的残余气体。
所述的GC-MS检测单元为GC-MS气相质谱色谱联用仪，所述的GC-MS气相质谱色谱联用仪为气相色谱仪和质谱仪联用，采用Algen公司生产的G4600气相色谱仪、5973C质谱仪和检测器，具体为气相色谱仪与质谱仪的EI离子源连接，离子源与质量分析器连接，质量分析器与检测器连接，检测器与GC-MS工作站连接；其中，质谱仪为真空系统条件。
所述的气相色谱仪色谱柱采用GasPro毛细柱，柱长60m，内径0.32mm，质谱仪离子源采用电子轰击电离源(EI)。
一种SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法，采用上述SF6/CF4混合气体放电装置，包括以下步骤：
步骤1：调节放电腔中，正电极和负电极之间的距离在5mm-20mm，并且可调；
步骤2：用真空泵，抽取放电腔中的气体，当真空表显示为零时，表明放电腔腔体中为真空；
步骤3：根据混合气体的配比，调节气压表，向SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔充气；
步骤4：利用高压电源产生单元对放电腔中的正电极和负电极之间施加持续升高的电压，电流分别维持在6.4kA、10.0kA、14.2kA、19.6kA，每个电流保持20～40min；
步骤5：当放电腔中的正电极和负电极间隙击穿时，击穿电压经阻容分压器降压后在示波器中显示，记录此时的混合比、电压值、电流值、放电持续时间，并保留10～30min；
步骤6：高压电源产生单元停止供电，放电腔中的SF6/CF4混合气体放电后，产生分解产物气体；
步骤7：放电腔的一部分分解产物气体经过第一个三通阀进入GC-MS检测单元中进行检测，检测数据通过GC-MS工作站进行分析，剩余分解产物气体经过第一个三通阀进入真空泵，抽出分解产物气体。
步骤8：进行不同混合比的SF6/CF4混合气体进行放电实验，重复步骤4～7，得到SF6/CF4混合气体不同配比时的分解产物检测结果。
所述的步骤1中，所述的正电极和充气单元负电极之间的距离，可调，其调节距离为1mm/次。
所述的步骤7中，进入GC-MS检测单元的分解产物气体，根据分解物的类型，选择色谱柱和离子源，对SF6/CF4混合气体分解后的产物进行检测。
本发明的一种SF6/CF4混合气体放电装置及分解产物检测方法，其有益效果为：
本发明通过搭建不同条件下的SF6/CF4混合气体分解产物检测装置和方法，可以测得不同配比、不同气压、不同放电强度下的SF6/CF4混合分解产物。测得SF6/CF4混合气体在不同混合比、不同的放电类型、放电强度、放电持续时间下的分解产物。能够获得混合气体故障类型与分解物种类和含量的对应关系样本，从而为通过混合物气体分解产物判断设备故障类型，为区分放电性故障提供了有力的依据。
附图说明
图1是本发明实施例1的SF6/CF4混合气体分解产物装置整体结构示意图；
其中，1为放电腔，2、真空泵，3、针电极，4、板电极，5、气瓶，6、第一个三通阀，7、真空表，8、第一气压表，9、GC-MS检测单元，10、GC-MS工作站，11、调压器，12、变压器，13、第一电阻，14、整流二极管，15、电容，16、第一开关，17、示波器，18、阻容分压器，19、第二开关，20、气阀，21、储气罐，22、第二个三通阀，23、第二气压表，24、第三气压表，25、气体回收装置。
图2是本发明实施例1的GC-MS检测单元结构框图。
9-1为气相色谱仪，9-2为离子源，9-3为质量分析器，9-4为检测器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，GC-MS气相质谱色谱联用仪的气相色谱仪的色谱柱采用GasPro毛细柱，柱长60m，内径0.32mm，质谱仪离子源采用电子轰击电离源(EI)。
以下实施例中，所用的第一电阻为水电阻。
实施例1
一种SF6/CF4混合气体放电装置，其结构示意图如图1所示，该SF6/CF4混合气体放电装置包括高压电源产生单元、SF6/CF4混合气体放电单元、SF6/CF4混合气体充气单元和气质联用检测单元；
所述的高压电源产生单元包括工频交流电源、调压器11、变压器12、第一电阻13、整流二极管14和电容15；
所述的工频交流电源连接调压器11，调压器11连接变压器12的原线圈，变压器12的副线圈一端依次连接第一电阻13、整流二极管14正极，整流二极管14负极和电容15一端连接后作为高压电源产生单元的正输出端；变压器12的副线圈的另外一端作为高压电源产生单元的负输出端；在高压电源产生单元的正输出端和负输出端之间设置连接有电容15；
所述的变压器12用于升高电压；所述的调压器用于调节工频交流电源输出电压；所述的整流二极管和电容用于整流，将交流电源转化为直流电源。
工频交流电源为380V/50HZ；变压器12的型号为YDJ-10/100，容量10kVA，变比11/5000；调压器11型号为TDGC2J-10，额定输入电压220V，额定输出电压0V-250V，额定输出频率50HZ；电容15为CH82型电容器，额定电容值为0.22μF±10％；整流二极管14的型号为2DL200/0.2。
所述的SF6/CF4混合气体放电单元包括阻容分压器18、放电腔1、第一开关16、第二开关19和示波器17；
阻容分压器18分为高压端、低压端和接地端，阻容分压器18的高压端通过第一开关16连接高压电源产生单元的正输出端，阻容分压器18的低压端连接示波器17，阻容分压器18的接地端接地；同时，阻容分压器18的低压端和高压电源产生单元的负输出端连接；
SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔为圆柱形，地面直径100mm，高1000mm，侧壁由有机玻璃构成，放电腔1中设置有正电极3和负电极4，正电极3和负电极4的垂直距离在5mm-20mm内可调，正电极3通过第二开关19和高压电源产生单元的正输出端连接，负电极4和高压电源产生单元的负输出端连接；
本实施例中，所述的放电腔1中，正电极3采用针电极，负电极4采用平板电极。
所述的正电极3的边缘和负电极4的边缘均设置有10°的倒角，其目的在于防止边缘效应。
其中，高压电源产生单元的正输出端和阻容分压器18的高压端连接线路上设置的第一电阻13，用于保护线路。
所述的阻容分压器18用于测量瞬态高电压，所述的示波器17用于显示阻容分压器18的低压端输出电压。
所述的SF6/CF4混合气体充气单元包括真空泵2、气阀20、储气罐21、第二气压表23、第三气压表24和气瓶5；
所述的真空泵2一端通过第一个三通阀6连接放电腔1的一端，真空泵2的另一端通过气阀20和储气罐21出气口相连，储气罐21的进气口通过第二气压表23和第三气压表分别连接气瓶5，气瓶5设置有两个，分别是盛装SF6的气瓶和盛装CF4的气瓶；
其中，所述的真空泵2通过第一个三通阀6连接放电腔1的进气口；
所述的SF6/CF4混合气体充气单元还包括：第一气压表8和真空表7，气压表8和真空表7设置在第一个三通阀6和放电腔1的一端连接的线路上，第二气压表23设置在气瓶5和储气罐21的线路上。
所述的真空泵2，用于向放电腔1内充气和抽真空，所述的第一气压表8用来控制气体流量和测量混合气体的气压，所述的真空表7用来检测放电腔1中的真空度。第二气压表23和第三气压表24用来配制不同比例的混合气体，所用的真空表7的型号为Z100，测量范围为-0.1MPa～0MPa，所用的第一气压表8、第二气压表23和第三气压表24的型号均为Y100，测量范围为0MPa～2.5MPa。
所述的气质联用检测单元包括GC-MS检测单元9和和GC-MS工作站10；其中，GC-MS检测单元9一端通过第二个三通阀22和第一个三通阀6与放电腔1连接，GC-MS检测单元9另一端和GC-MS工作站10连接，GC-MS工作站10将GC-MS检测单元监测的数据信号进行处理，得到检测数据。
所述的GC-MS检测单元9还与气体回收装置25连接，目的在于回收GC-MS检测单元的检测废气以及放电后的残余气体。
所述的GC-MS检测单元9为GC-MS气相质谱色谱联用仪，所述的GC-MS气相质谱色谱联用仪为气相色谱仪9-1和质谱仪联用，采用Algen公司生产的G4600气相色谱仪、5973C质谱仪和检测器9-4，具体为气相色谱仪9-1与质谱仪的EI离子源9-2连接，离子源9-2与质量分析器9-3连接，质量分析器9-3与检测器9-4连接，检测器9-4与GC-MS工作站连接；其中，质谱仪为真空系统条件。其结构框图见图2。
所述的气相色谱仪色谱柱采用GasPro毛细柱，柱长60m，内径0.32mm，质谱仪离子源采用电子轰击电离源(EI)。
一种SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：调节放电腔1中，正电极3和负电极4之间的距离在5mm，并且可以通过放电腔1上方的调节旋钮可调；
步骤2：用真空泵2，除去放电腔1内的气体，当真空表7显示为零时，表明气体去除；
步骤3：在第一开关16和第二开关19断开状态下，根据混合气体的配比，向SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔1充气；
步骤4：闭合第一开关16和第二开关19，利用高压电源产生单元对放电腔1中的正电极3和负电极4之间施加持续升高的电压，电流分别维持在6.4kA、10.0kA、14.2kA、19.6kA，每个电流保持30min；
步骤5：当放电腔1中的正电极3和负电极4间隙击穿时，电极间产生电流，击穿电压经阻容分压器18降压后在示波器17中显示，记录此时的混合比、电压值、电流值、放电持续时间以及正电极3和负电极4的间隙距离，并保留10min；
步骤6：高压电源产生单元停止供电，放电腔1中的SF6/CF4混合气体放电后，产生分解产物气体；
步骤7：放电腔1的一部分分解产物气体经过第一个三通阀6进入GC-MS检测单元中进行检测，检测数据通过GC-MS工作站10进行分析，剩余分解产物气体经过第一个三通阀6进入真空泵2，抽出分解产物气体。
步骤8：进行不同混合比的SF6/CF4混合气体进行放电实验，重复步骤4～7，得到SF6/CF4混合气体不同配比时的分解产物检测结果。
实施例2
一种SF6/CF4混合气体放电装置，同实施例1。
一种SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法的操作过程如下：
调节放电腔1内正电极3与负电极4之间的距离；利用真空泵2除去放电腔1内残余的气体；第一开关16和第二开关19断开状态下，按照所需混合气体的不同配比向各放电腔1内充气；利用高压电源产生单元对放电腔1中的正电极3与负电极4之间施加持续升高的电压；当放电腔1中的正电极3与负电极4间隙击穿时，电极间产生电流，开关动作控制系统产生跳闸信号，第一开关16和第二开关19动作，线路中的开关断开，此时的击穿电压经阻容分压器18降压后在示波器17中显示并记录；高压电源产生单元停止供电；采用真空泵2抽出混合气体；完成检测。
本实施例进行了不同SF6/CF4混合配比的检测，其检测方法具体为：采用实施例1所述SF6/CF4混合气体放电装置，进行SF6/CF4混合气体在不同条件下的分解产物检测方法，包括：
步骤1：调节放电腔1内正电极与负电极之间的距离；本实施例中距离在5mm-20mm内可调，调节精度为1mm/每次；
步骤2：利用真空泵2除去放电腔1内残余的气体；
步骤3：第一开关16和第二开关19开关断开状态下，按照所需混合气体的不同配比向各放电腔1内充气；
本实施例中向放电腔1内充入0.1MPa-0.6MPa的SF6/CF4混合气体，SF6和CF4的混合体积比分别为20％/80％、30％/70％、40％/60％、60％/40％、70％/30％、80％/20％，静置30分钟；
步骤4：在不同混合配比情况下，利用高压电源产生单元对放电腔1中的正电极与负电极之间施加持续升高的电压；
步骤5：当放电腔1中的正电极3与负电极4间隙击穿时，电极间产生电流，此时的击穿电压经阻容分压器18降压后在示波器17中显示；记下此时电压值，并保持10min；
步骤6：重复步骤3～5，进行不同SF6和CF4的混合体积比的实验，至放电腔1内的正电极、负电极均被击穿，高压电源产生单元停止供电；
步骤7：通过第一个三通阀6切换，将放电后产生的分解气体通入到气相色谱-质谱联用仪中，采用真空泵2抽出放电腔1中的分解混合气体；
步骤8：通过GC-MS检测单元检测出不同配比、不同放电强度、不同压强、不同放电持续时间条件下的分解产物，计算机GC-MS工作站10将与标准谱进行比较分析，得到SF6/CF4混合气体在不同条件下的分解产物。

Claims (10)

1.一种SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，该SF6/CF4混合气体放电装置包括高压电源产生单元、SF6/CF4混合气体放电单元、SF6/CF4混合气体充气单元和气质联用检测单元；
所述的高压电源产生单元包括工频交流电源、调压器、变压器、第一电阻、整流二极管和电容；
所述的工频交流电源连接调压器，调压器连接变压器的原线圈，变压器的副线圈一端依次连接第一电阻、整流二极管正极，整流二极管负极和电容一端连接后作为高压电源产生单元的正输出端，变压器的副线圈的另外一端作为高压电源产生单元的负输出端；在高压电源产生单元的正输出端和负输出端之间设置连接有电容；
所述的SF6/CF4混合气体放电单元包括阻容分压器、放电腔、第一开关、第二开关和示波器；
阻容分压器分为高压端、低压端和接地端，阻容分压器的高压端通过第一开关连接高压电源产生单元的正输出端，阻容分压器的低压端连接示波器，阻容分压器的接地端接地；同时，阻容分压器的低压端和高压电源产生单元的负输出端连接；
SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔中设置有正电极和负电极，正电极和负电极的垂直距离在5-20mm，并可调，正电极通过第二开关和高压电源产生单元的正输出端连接，负电极和高压电源产生单元的负输出端连接；
所述的SF6/CF4混合气体充气单元包括真空泵、气阀、储气罐和气瓶；
所述的真空泵一端通过第一个三通阀连接放电腔的一端，真空泵的另一端通过气阀和储气罐出气口相连，储气罐的进气口连接气瓶，气瓶设置有两个，分别为SF6气瓶和CF4气瓶；
所述的气质联用检测单元包括GC-MS检测单元和和GC-MS工作站；其中，GC-MS检测单元一端通过第二个三通阀和第一个三通阀连接至放电腔，GC-MS检测单元另一端连接GC-MS工作站，GC-MS工作站将GC-MS检测单元监测的数据信号进行处理，得到检测数据。
2.如权利要求1所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的放电腔中，正电极采用针电极，负电极采用平板电极。
3.如权利要求1或2所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的正电极的边缘和负电极的边缘均设置有8～12°的倒角。
4.如权利要求1所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的真空泵通过第一个三通阀连接放电腔设置有负电极的一端。
5.如权利要求1所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的SF6/CF4混合气体充气单元还包括：第一气压表和真空表，第一气压表和真空表设置在第一个三通阀和放电腔的一端连接的线路上。
6.如权利要求1所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的GC-MS检测单元还与气体回收装置连接。
7.如权利要求1所述的SF6/CF4混合气体放电装置，其特征在于，所述的GC-MS检测单元为GC-MS气相质谱色谱联用仪，所述的GC-MS气相质谱色谱联用仪为气相色谱仪和质谱仪联用，具体为气相色谱仪与质谱仪的EI离子源连接，离子源与质量分析器连接，质量分析器与检测器连接，检测器与GC-MS工作站连接；其中，质谱仪为真空系统条件。
8.一种SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法，其特征在于，采用权利要求1-2,4-7中任意一项所述的SF6/CF4混合气体放电装置，包括以下步骤：
步骤1：调节放电腔中，正电极和负电极之间的距离在5mm-20mm，并且可调；
步骤2：用真空泵，抽取放电腔中的气体，当真空表显示为零时，表明放电腔腔体中为真空；
步骤3：根据混合气体的配比，调节气压表，向SF6/CF4混合气体放电单元的放电腔充气；
步骤4：利用高压电源产生单元对放电腔中的正电极和负电极之间施加持续升高的电压，电流分别维持在6.4kA、10.0kA、14.2kA、19.6kA，每个电流保持20～40min；
步骤5：当放电腔中的正电极和负电极间隙击穿时，击穿电压经阻容分压器降压后在示波器中显示，记录此时的混合比、电压值、电流值、放电持续时间，并保留10～30min；
步骤6：高压电源产生单元停止供电，放电腔中的SF6/CF4混合气体放电后，产生分解产物气体；
步骤7：放电腔的一部分分解产物气体经过第一个三通阀进入GC-MS检测单元中进行检测，检测数据通过GC-MS工作站进行分析，剩余分解产物气体经过第一个三通阀进入真空泵，抽出分解产物气体；
步骤8：进行不同混合比的SF6/CF4混合气体进行放电实验，重复步骤4～7，得到SF6/CF4混合气体不同配比时的分解产物检测结果。
9.如权利要求8所述的SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的正电极和充气单元负电极之间的距离，可调，其调节距离为1mm/次。
10.如权利要求8所述的SF6/CF4混合气体的分解产物检测方法，其特征在于，所述的步骤7中，进入GC-MS检测单元的分解产物气体，根据分解物的类型，选择色谱柱和离子源，对SF6/CF4混合气体分解后的产物进行检测。
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