GC-FTIR技术在六氟化硫气体分解产物分析中的应用

GC-FTIR技术在六氟化硫气体分解产物分析中的应用

张洪莹

国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司  810000

摘要：对六氟化硫气体分解产物的组成及其浓度进行及时地分析和测定与六氟化硫设备安全运行密切相关。应用气相色谱——傅里叶变换红外光谱联用技术，将六氟化硫分解气体通过气相色谱技术进行组分分离，再经红外光谱仪对分离组分进行定性分析，对谱图进行多次的差谱处理，检索相关谱图并确定气体的成分，生成了红外频谱-官能团吸收强度-气相色谱保留时间的三维图谱。通过单一气体分析和现场实测表明，该技术能够对分解气体组分进行定性和定量分析，利用气体组分浓度判断设备的故障情况和检查后的实际故障情况一致，证明该方法可用于气体绝缘组合电器故障诊断。

关键词：气相色谱；傅里叶变换红外光谱；六氟化硫；分解产物

引言

六氟化硫气体是一种非常理想的绝缘和灭弧介质，目前已经越来越广泛地应用于断路器、气体绝缘组合电器、气体绝缘变压器等各种输变电设备中。纯六氟化硫气体是无色、无味、无毒不可燃的，理化性质稳定，但在放电条件下，会生成一些有害的低氟化物，这些物质反应能力极强，当有水分和氧存在时，这些分解产物又会与电极材料、水分等进一步反应生成组分十分复杂的多种化合物。这不仅会使设备绝缘性能下降，而且会对电气设备和人身带来安全隐患。对于SF6气体的分解产物，目前多采用气相色谱法或红外吸收光谱法单独进行分析。由于SF6及其分解产物在红外吸收区域内吸收峰很多，彼此干扰而影响测定，单独用红外吸收光谱对其进行扫描，很难辨识出分解产物的成分。而气相色谱技术是一种定量的半定性分析方法，确切地说，气相色谱是一种分离技术，因而在利用它对未知物进行定性分析时其局限性就明显地显示出来，因为仅仅利用保留时间这一特征进行定性显然是不够的。采用气相色谱——傅里叶变换红外光谱（GC-FTIR）技术，可以先将待测组分通过色谱进行分离后再用红外光谱仪进行检测，能够很好地将两种方法结合起来，既利用了色谱优良的分离性能，又发挥了红外光谱准确性的特点。

1.傅里叶变换红外光谱分析平台

GC-FTIR由一台气相色谱仪通过光管接口与一台傅里叶变换红外光谱仪连接而成。它是由气相色谱系统将样品各组分分离，各组分按分离顺序通过接口后由红外系统进行扫描，得到各组分的系列红外光谱图，再由计算机进行处理从而得到各组分的红外信息，对混合物进行准确定性分析。

1.1傅里叶变换红外光谱

美国PE的Spectrum Two具有标准、高性能、室温LiTaO3MIR探测器，SNR9,300:1；可选温度，稳定、高性能的DTGS（脱糖硫酸三酯）MIR探测器，SNR14,500:1适合低光、高通量应用，标准光学系统，配备KBr窗口，用于在8,300~350cm-1的光谱范围内收集数据，最佳分辨率为0.5cm-1，可选ZnSe窗口，尤其适合在潮湿环境收集数据。

1.2气相色谱

美国PE的Clarus690气相色谱仪，其高效柱温箱设计提供了可用最快的加热和冷却速度，可缩短进样间隔和分析周期，提高样品通量和实现投资回报最大化，双壁炉设计结合同心排气系统允许用户在接近室温的温度下实现更大的分离。

1.3实验条件

红外光谱仪：动镜速度为0.6329cm/s，扫描次数为16，谱图分辨率为4cm-1，光谱范围为4000~650cm-1，光管温度设定为50℃传输线温度为55℃，检测器采用MCT。

气相色谱仪：载气为He气，进样口温度为100℃，检测器温度为160℃，恒温，流量为10mL/min，采用阀进样，检测器采用TCD。

2.单一气体分析

运行中的SF6气体分解产物主要包括生产过程或充装过程中混入的气体，如CF4、CO、CO2、H2O等，以及SF6在电气设备中经电晕、火花和电弧放电分解产生各种分解产物，如C2F6,SOF2,SO2F2,SF4,SOF4,SO2等。

通过阀进样，用联机方法通过对单一纯物质进行扫描，可以得到该物质的气相色谱图、红外光谱图以及红外频谱-官能团吸收强度-气相色谱保留时间的三维谱图。气相色谱图主要用于定量分析，红外光谱图主要用于定性鉴别。通过红外扫描SO2F2可以发现其特征吸收峰在1501、1269、885cm-1处，从三维谱图能够更清楚直观地展示三者的关系。

3.SF6气体的监测监督与管理

SF6气体在生产过程中可能含有若干杂质，在SF6充装和运输过程中还会混入少量的空气、水分和矿物油等物质。为保证SF6气体的纯度和质量，国际电工委员会（IEC）和许多国家、生产厂家都规定了SF6气体的质量标准。                                                                                                                                                                                      

根据电气设备预防性试验规程，对运行中SF6气体组分分析，根据SF6气体在电弧作用下发生的一系列反应，选取含量较大的SOF2以及最终产物SO2进行测试计算，采用SF6DPD、简易成分分析仪，针对SF6主要分解产物SOF2和SO2进行测试，判断设备运行情况。

用GC-FTIR技术，可以将SF6分解产物通过气相色谱技术进行组分分离，再经红外光谱仪对分离组分进行定性分析，对谱图进行多次的差谱处理，检索相关谱图并确定气体的成分。借助两种仪器各自的优势，有效地测定SF6气体中多种组分的同时分别定性。

4.故障实例分析

2008年1月15日重庆水碾变电站220kV气体绝缘组合电器母差保护动作，#263间隔发生故障，但当时故障具体部位及原因不明，工作人员首先用检测管技术对故障进行了定位，然后用钢瓶采集了故障间隔内2个独立气室#2631、#2632的气体带回实验室进行分析，分析结果判定#2631是发生故障的气室，#2632是正常的气室。

对故障气体采用GC-FTIR法对其进行了分析。样品气体经气相色谱分离后，依次通过光管进入红外光谱仪，通过光谱仪的同步扫描，可以从得到的色谱图不同时间提取不同物质对应的红外光谱图，对其进行谱图分析。在其1.033min处提取一张红外光谱图，其中不仅有SF6在946cm-1处的强吸收，而且还存在其他物质的吸收峰，无法通过计算机检索对其进行识别，但是通过比对在1249、1116cm-1处找到了与C2F6相同的吸收峰，证明在样品中存在C2F6分解产物。

从2.68min处提取一张红外光谱图，虽然经过色谱分离，但仍然有SF6及部分分解产物的吸收峰，对其进行两次差谱及其他优化处理，将其同SOF2的标准谱图进行比较，能够很清楚地看出二者有相同的吸收峰，同时用计算机进行检索，可以确定该样品中存在SOF2分解产物。

    从2.79min处提取一张红外光谱图，同样使用差谱对其进行处理，将其同C3F8的标准谱图进行比较，发现二者有相同的吸收峰，可以确定该样品中也存在C3F8分解产物。

通过样品的三维谱图分析，能够比较清楚地看出SF6气体及其中的分解产物在不同时间和波数处的变化。

笔者利用气相色谱对这些分解产物进行定量分析：正常运行的设备中CO2、CF4、C3F8的含量很小，CO、SO2、SOF2、SO2F2的含量都为0，但是发生故障后CO2、CF4、C3F8及SOF2的含量都有明显的大幅增加，特别是SOF2的含量变化很大。结合红外光谱的扫描结果分析，判断该设备发生了严重的涉及固体绝缘材料的电弧放电故障。通过对故障设备的解体，发现故障气室内发生了严重电弧放电故障，盆式绝缘子严重烧毁，最后认定是#263间隔内置式CT气室低位A相静触头触座上的屏蔽罩对地击穿放电。与用气体分析技术做出的故障性质判断是相符的。

5. 结语

准确对SF6分解产物进行定性定量分析是判断设备故障的重要依据，由于SF6气体分解产物的组分比较复杂，SF6气体对分解产物的影响较大，有些物质的保留时间也十分接近，用气相色谱法定性比较困难。通过GC-FTIR联用技术成功将SF6气体分解产物进行了有效分离，并通过红外扫描对其进行了准确定性，为故障判断提供了可靠依据，表明该技术在SF6气体分解产物定性分析中是有效可行的。

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