CN114325262A - 一种基于稳定性同位素示踪法的模拟sf6过热分解反应的研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，包括如下步骤：构建SF6绝缘设备局部过热实验平台，使用温控仪控制故障温度，研究准确注入不同浓度的H2 18O、18O2，排除空气中的杂质与残留在实验器具表面的杂质对实验的影响，加热一段时间后，采集实验器具里反应后混合气体，用GC/MS分析气体组分及同位素化合物的比例，从而研究在SF6热分解过程中微量的氧气与水与SFx的相互作用，分析SF6分解产物的形成机制。本发明根据气体绝缘设备内部过热故障情况设计的实验平台，以模拟实际故障下SF6的分解情况。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体是一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法。
背景技术
SF6气体具有优良的绝缘和灭弧性能，广泛用于气体绝缘电气设备中，如气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,GIS)、气体绝缘输电线路(Gas Insulatedtransmission Line,GIL)等。当SF6气体绝缘电气设备发生放电故障时，原本化学性质稳定的SF6气体会分解为低氟硫化物SFx(x＝1～5)，SF6气体不纯或者气体绝缘电气设备密封不严等会使这些低氟硫化物与混入的杂质等进一步发生反应，生成SO2F2、SOF2、SO2、SOF4、HF等复杂组分。这些反应生成物与放电故障特性之间存在密切关系，因此，近些年来通过检测SF6分解产物识别SF6气体绝缘电气设备的内部故障得到了广泛关注。
目前，有关SF6在过热作用下的分解反应过程尚不明确，极大地阻碍了基于分解产物识别、诊断电气设备内部故障这一方法的推行。有必要借助更为先进的科学技术，对反应过程进行深入的探究，从而推动基于SF6分解组分的气体绝缘设备故障监测技术的发展。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，开展气体绝缘设备故障模拟实验，以获得设备内部发生故障时，SF6气体绝缘介质的分解情况，并确定内部残留气体(主要为氧气和水分)的影响作用。
本发明提供的技术方案：一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，包括如下步骤：构建SF6绝缘设备局部过热实验平台，使用温控仪控制故障温度，研究准确注入不同浓度的H2 18O、18O2，排除空气中的杂质与残留在实验器具表面的杂质对实验的影响，加热一段时间后，采集实验器具里反应后混合气体，用GC/MS分析气体组分及同位素化合物的比例，从而研究在SF6热分解过程中微量的氧气与水与SFx的相互作用，分析SF6分解产物的形成机制。
进一步的，一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，包括如下步骤：
(1)清除局部过热封闭罐体和局部炽热源上的水分和产物残留；
(2)将局部炽热源安装在罐体内部，盖上罐体的盖子并固定，之后使用真空泵将气室抽至真空，使用SF6气体充入气室，静置后，再次抽至真空，整个过程重复3-4次，充分排出气室内可能存在的杂质残留；
(3)在气室真空的状态下，将所需要的同位素水H2 18O注入气室内部，待汽化后的水蒸气完全进入气室内部后，或者将所需要的同位素氧气18O2注入气室内部，再将SF6纯净气体充入气室，至气压表示数达到0.1～0.4MPa，关闭进气口，然后将实验装置静置，使SF6气体与H2 18O或18O2在气室内充分混合均匀；
(4)连接实验线路，提前将温度控制系统的设定温度调至200～600摄氏度，然后打开温度控制系统的开关，开始加热实验，持续4～10个小时；
(5)加热完成后，关闭温度控制系统，使用PVF采样袋，从采气口采集气室内气体，按恒定的速度向气相色谱-质谱联用仪通入纯净的氦气，赶出进样系统内残留的杂质，然后将采集的气体通入联用仪，进行检测分析。
进一步的，所述步骤(2)中使用SF6气体充入气室，至气压表示数达到至0.1～0.4MPa后，静置5～20min，再次抽至真空。
进一步的，所述步骤(3)中将实验装置静置的时间是6～12小时。
进一步的，所述步骤(3)中分别注入的H2 18O为0.05～0.50mL，18O2的量为50～500mL。
进一步的，所述步骤(5)中使用气相色谱-质谱联用仪检测气体的具体步骤如下：
岛津GCMS-QP2010 Ultra气相色谱质谱联用仪检测气体组分，色谱柱的型号为CP-SIL 5CB 60m×0.32mm，载气使用纯度高于99.999％的氦气，柱箱温度32℃，进样口温度200℃，保持7.2min，分流比10，使用六通阀向气相色谱质谱联用仪进样，每次进样的量相等；采样之前，首先确定目标产物，并使用标准气体进行测定，确定目标产物的保留时间。
进一步的，所述步骤(1)中是采用无水乙醇完整擦拭罐体内壁、盖子内壁及局部炽热源表面以清除残留。
本发明提供一种基于氧同位素示踪法的局部过热条件下SF6分解特性及其过热分解产物的具体形成过程的研究方法，为基于分解组分的气体绝缘设备监测方法提供实验支撑，对产物是否包含示踪原子，进行准确检测、判断。
本发明根据气体绝缘设备内部过热故障情况设计的实验平台，以模拟实际故障下SF6的分解情况，具有高度还原现场故障的能力；根据设备内部局部热点出现后的温度分布情况，设计并研制了绝缘缺陷模型，进而对故障温度进行模拟；最重要的是，本发明基于先进的同位素示踪理论和方法，制定了适用于研究SF6过热分解反应以及氧气、水分作用机制的实验探究和验证方法，对于掌握SF6主要分解产物的生成过程具有高度的理论支撑作用。另外，使用气相色谱-质谱联用技术，对产物类型、含量以及是否包含示踪原子等信息进行准确的检测和分析。
附图说明
图1是本发明的技术路线图；
图2是温度控制系统的原理图；
图3是局部炽热源的结构示意图；
图4是实施例1方法的流程图；
图5是实施例2方法的流程图；
图6是实施例1检测分析结果-TIC&MIC图；
图7是实施例2检测分析结果-TIC&MIC图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明提出一种基于氧同位素示踪方法的微量水分对SF6过热分解影响作用及作用机制的实验研究方法。首先，SF6的分解情况受多种因素影响，如温度、气压、水分含量等。在SF6气体绝缘设备中，内部材料在运行过程中会释放H2O。因此，有必要研究不同含量水分对SF6分解的影响。利用同位素示踪法，注入不同含量的H2 18O，在过热状态下充分反应一段时间后，通过GC/MS手段检测产物中18O的比例变化规律，一方面可以有力说明H2O是否参加了产物的形成过程，并为之提供氧元素；另一方面，可以显示水分的含量对产物生成的影响规律。利用同位素示踪法的过程中，需要保证较高的精密度，因此需使用精确的装置和方式，向模拟故障罐体内注入同位素水。另外，需保证其他实验条件的一致性，包括每次实验时的室内温度、故障模拟温度、罐内总气压应保持一致，每次实验前清除残留的空气和产物残留，避免对下一次实验造成干扰。最后，利用气相色谱-质谱联用仪检测反应后的气体时，应设法调试检测仪器，获得良好的峰形，避免杂质对实验的影响。鉴于以上要求，首先，确定精确度高的注水方式；第二，通过前期试探性实验，确定出可行性强的实验方案；第三，按照实验步骤，注入不同含量的H2 18O，检测各目标产物中同位素的占比；第四，校正结果，绘制规律曲线并分析，尝试解释SF6过热分解的微观机制。一种基于稳定性同位素示踪法的微量水分对模拟SF6过热分解反应的研究方法，包括如下步骤：
(1)每次实验前，打开封闭罐体，并使用无水乙醇完整擦拭罐体内壁、盖子内壁及局部炽热源表面，擦除可能残留的水分和前一次实验后的产物残留，避免杂质干扰下一次实验；
(2)将局部炽热源安装在罐体内部，盖上罐体的盖子并固定，之后使用真空泵将气室抽至真空。为充分排净内部残留的杂质及少量空气，使用纯度为99.999％的SF6气体充入气室，至0.1MPa后，静置10min，再次抽至真空，整个过程重复3～4次，充分排出气室内可能存在的杂质残留；
(3)在气室真空的状态下，将所需要的0.1mL的H2 18O注入气室内部，待汽化后的水蒸气完全进入气室内部后，将SF6纯净气体充入气室，至气压表示数达到0.1MPa(相对值)，关闭进气口。然后将实验装置静置12小时左右，使SF6气体与H2 18O在气室内充分混合均匀；
(4)连接实验线路，提前将温度控制系统的设定温度调至400摄氏度，然后打开温度控制系统的开关，开始加热实验，持续6个小时；
(5)加热完成后，关闭温度控制系统。使用PVF采样袋，如图5所示。从采气口采集气室内气体。按恒定的速度向气相色谱-质谱联用仪通入纯净的氦气，赶出进样系统内残留的杂质。然后将采集的气体通入联用仪，进行检测分析。操作流程如图4所示。
实施例2
一种基于同位素氧气18O2，对SF6过热分解产物形成过程的实验研究方法，所述方法具体包括：
(1)每次实验前，打开封闭罐体，并使用无水乙醇完整擦拭罐体内壁、盖子内壁及局部炽热源表面，擦除可能残留的水分和前一次实验后的产物残留，避免杂质干扰下一次实验；
(2)将局部炽热源安装在罐体内部，盖上罐体的盖子并固定，之后使用真空泵将气室抽至真空。为充分排净内部残留的杂质及少量空气，使用纯度为99.999％的SF6气体充入气室，至0.1MPa后，静置10min，再次抽至真空，整个过程重复3～4次，充分排出气室内可能存在的杂质残留；
(3)在气室真空的状态下，将所需要的300mL的18O2注入气室内部，再将SF6纯净气体充入气室，至气压表示数达到0.1MPa(相对值)，关闭进气口。然后将实验装置静置12小时左右，使SF6气体与18O2在气室内充分混合均匀；
(4)连接实验线路，提前将温度控制系统的设定温度调至400摄氏度，然后打开温度控制系统的开关，开始加热实验，持续6个小时；
(5)加热完成后，关闭温度控制系统。使用PVF采样袋，从采气口采集气室内气体。按恒定的速度向气相色谱-质谱联用仪通入纯净的氦气，赶出进样系统内残留的杂质。然后将采集的气体通入联用仪，进行检测分析。实验操作流程如图5所示。
对实验后模拟装置内部的分解气体进行色谱-质谱检测、分析，所述步骤包括：
使用岛津GCMS-QP2010 Ultra气相色谱质谱联用仪检测气体组分，使用六通阀进样，每次进样的量相等。
色谱质谱联用仪所使用的色谱柱的型号为CP-SIL 5CB60m×0.32mm，载气使用纯度高于99.999％的氦气。采样之前，首先确定目标产物，并使用标准气体进行测定，确定目标产物的保留时间。
使用气相色谱质谱联用仪进行分析时，可根据分析目的，选用SCAN模式和SIM模式。若需要分析样品的质谱图，从而确定其构成成分，则应选用SCAN方式；如果试图定量分析极少量的化合物，则应选用SIM方式。
由于目标产物已确定，主要检测含氧元素的分解产物(CO2、SOF2、SO2F2、SOF4、SO2)，不需要进行样品成分分析，所以更适合采用SIM方式，选择目标离子进行检测，检测范围更小，灵敏度更高，排除了其他产物和杂质对峰形的影响。在SF6过热分解实验之前，首先使用标准的CO2、SOF2、SO2F2、SOF4、SO2气体进行样品标定。
标定后，制定针对本发明需要的检测方法，并使用它检测每一次反应后的气体样品。设置柱箱温度、进样口温度、时间等，保存方法；
进行样品登录，设置样品名称，如“SF6过热-500摄氏度-第1次检测”。样品登录完成后，点击设备“待机”按钮，等待设备面板显示GC、MS均已准备就绪后，开始进样；
进样时将气体样品缓慢充入仪器，30～60s即可完成进样；
进样完成后，点击“开始”按钮，并等待检测时间结束(时长却决于待检测产物，示例设置为7～8min)，查看样品分析结果。
气相色谱质谱联用仪的色谱参数和质谱参数设置分别如表和表2所示。
表1色谱参数设置
表2质谱参数设置
实施例1和实施例2采用气相色谱质谱联用仪检测获得分解产物的TIC&MIC图(总离子色谱图与多离子色谱图)分别如图6、7所示，对其中各目标化合物进行峰积分，即可获得检测产物(包括含同位素标记的产物)的浓度，并进一步获得其浓度占比。
实施例1获得产物数据如下
表3实施例1检测结果
实施例2获得产物数据如下：
表4实施例2检测结果
通过同位素示踪实验，分别验证了H2O和O2在SF6主要分解产物的生成过程中的参与作用：
1.研究证明了气体绝缘设备发生过热故障时，微量的H2O可以在高温下发生裂解，并与低氟硫化物SFx(x＝1,2,…,5)发生反应生成CO2、SO2F2等产物。通过18O示踪，首先证明了CO2可以从H2O获得O元素，而不仅是来自于C+O2→CO2的反应路径；根据18O比例的变化规律，确定了H2O是SO2F2获得O元素的主要来源；研究分析了H2O对于产物SOF2的作用规律和机制，并进一步验证了SO2主要来自于SOF2的水解反应的假设。
2.实验发现并验证说明了O2在SOF2、SO2产物生成过程中的重要作用，并从侧面说明部分SF6分子在局部过热故障下会完全裂解。
以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于包括如下步骤：构建SF6绝缘设备局部过热实验平台，使用温控仪控制故障温度，研究准确注入不同浓度的H2 18O、18O2，排除空气中的杂质与残留在实验器具表面的杂质对实验的影响，加热一段时间后，采集实验器具里反应后混合气体，用GC/MS分析气体组分及同位素化合物的比例，从而研究在SF6热分解过程中微量的氧气与水与SFx的相互作用，分析SF6分解产物的形成机制。
2.根据权利要求1所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)清除局部过热封闭罐体和局部炽热源上的水分和产物残留；
(2)将局部炽热源安装在罐体内部，盖上罐体的盖子并固定，之后使用真空泵将气室抽至真空，使用SF6气体充入气室，静置后，再次抽至真空，整个过程重复3-4次，充分排出气室内可能存在的杂质残留；
(3)在气室真空的状态下，将所需要的同位素水H2 18O注入气室内部，待汽化后的水蒸气完全进入气室内部后，或者将所需要的同位素氧气18O2注入气室内部，再将SF6纯净气体充入气室，至气压表示数达到0.1～0.4MPa，关闭进气口，然后将实验装置静置，使SF6气体与H2 18O或18O2在气室内充分混合均匀；
(4)连接实验线路，提前将温度控制系统的设定温度调至200～600摄氏度，然后打开温度控制系统的开关，开始加热实验，持续4～10个小时；
(5)加热完成后，关闭温度控制系统，使用PVF采样袋，从采气口采集气室内气体，按恒定的速度向气相色谱-质谱联用仪通入纯净的氦气，赶出进样系统内残留的杂质，然后将采集的气体通入联用仪，进行检测分析。
3.根据权利要求2所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于：所述步骤(2)中使用SF6气体充入气室，至气压表示数达到至0.1～0.4MPa后，静置5～20min，再次抽至真空。
4.根据权利要求2所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于：所述步骤(3)中将实验装置静置的时间是6～12小时。
5.根据权利要求2所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于：所述步骤(3)中注入的H2 18O为0.05～0.50mL，18O2的量为50～500mL。
6.根据权利要求2所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于所述步骤(5)中使用气相色谱-质谱联用仪检测气体的具体操作条件如下：
岛津GCMS-QP2010 Ultra气相色谱质谱联用仪检测气体组分，色谱柱的型号为CP-SIL5CB 60m×0.32mm，载气使用纯度高于99.999％的氦气，柱箱温度32℃，进样口温度200℃，保持7.2min，分流比10，使用六通阀向气相色谱质谱联用仪进样，每次进样的量相等；采样之前，首先确定目标产物，并使用标准气体进行测定，确定目标产物的保留时间。
7.根据权利要求2所述的基于稳定性同位素示踪法的模拟SF6过热分解反应的研究方法，其特征在于：所述步骤(1)中是采用无水乙醇完整擦拭罐体内壁、盖子内壁及局部炽热源表面以清除残留。
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|---|---|---|---|---|
| CN113092678A (zh) * | 2021-04-01 | 2021-07-09 | 国网陕西省电力公司电力科学研究院 | 一种放电条件下环氧树脂对sf6微量产物影响的研究方法 |
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