不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器检测SF6分解组分的气敏特性

气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）中SF₆气体放电分解组分的检测,对GIS内部局部放电的严重程度的判断和状态维修具有重要的意义。本文提出运用Pt纳米颗粒（PtNPs）掺杂石墨烯对SF₆放电分解组分进行检测,目的是为GIS的在线监测提供一种方法。采用一步化学还原法研制出不同PtNPs掺杂量石墨烯传感器,对SF₆主要分解组分进行了气敏响应实验,并对比了不同PtNPs掺杂量的石墨烯传感器及本征石墨烯传感器的气敏特性曲线,初步探讨了其气敏响应机理。实验结果表明,PtNPs的掺杂带来了响应值的提升,而且传感器在不同PtNPs掺杂量下显示出不同的选择性。     

基于第一性原理的SnO2(101)表面对SF6分解气体气敏性能研究

通过检测SF_6典型分解气体可以诊断出SF_6气体绝缘设备早期绝缘故障。二氧化锡(SnO_2)是应用广泛的气敏材料,文中采用第一性原理计算并分析了SF_6分解气体在SnO_2(101)表面的吸附情况,研究SnO_2(101)表面对SF_6分解气体的气敏性能。通过理论计算,获得了H_2S、SF_6、SO_2、SOF_2和SO_2F_2气体分子在SnO_2(101)表面吸附的吸附能、吸附构型、电荷转移、差分电荷密度、态密度、势能图与功函数等表征吸附特性的参量。分析计算结果发现,SnO_2(101)对H_2S和SO_2有很好的选择性和敏感性,有望成为检测SF_6分解气体的传感器材料。     

锐钛矿型(101)晶面吸附SF_6局部放电分解组分的气敏机理分析

气体绝缘组合开关(GIS)内部的局部放电会导致绝缘气体SF_6分解,生成多种特征气体。通过检测特征气体的成分和浓度能够及早发现GIS设备内部潜伏性绝缘缺陷,在设备绝缘状况恶化前提前预警,避免突发性故障发生。作为气敏传感领域的研究热点,TiO_2纳米管在GIS故障气体监测领域应用前景广阔。该文从微观层面上研究TiO_2纳米管气体传感器的气敏机理。利用Materials Studio软件仿真计算了锐钛矿型TiO_2(101)晶面的完美晶面、缺陷晶面以及Pt掺杂晶面对特征气体SO_2、SOF_2、SO_2F_2的吸附参数,理论分析了气体分子与晶面的作用过程,建立起晶面导电性能与气体分子吸附的联系。此外,通过气敏实验研究了本征及Pt掺杂TiO_2纳米管传感器对SO_2、SOF_2、SO_2F_2的气敏响应,并基于仿真结果解释实验现象,完善了TiO_2纳米管的气敏机理,为制备GIS设备局部放电监测的气敏传感器奠定了基础。     

SF_6分解组分的红外光谱定量测定

SF6发生局部放电时会生成一定的稳定特征分解组分,利用这些特征组分可以监测GIS内部绝缘状态。分别采用SF6气体与高纯氮气作为红外检测背景气体获取SF6分解组分的光谱图进行了比较,选取SF6作为红外检测背景气体。测量了SOF2、SO2F2、SO2、CO标准气体的红外吸收光谱图,选取了其最优吸收峰,计算了最优峰处的吸光系数。对局部放电试验装置进行了放电量标定,在5个局部放电量下进行多组红外检测,结果表明存在临界放电量,不同放电时间和放电量下各组分产气率不同。SOF2、SO2F2的产气率随放电量及放电时间变化较有规律,可以用产气率反演局部放电程度;SO2和CO产气率变化复杂,但其变化趋势同样可以用于表征内部绝缘状态。     

二氧化钛纳米管气体传感器检测SF_6的气体分解组分SO_2F_2的气敏特性

由于设备绝缘缺陷,在GIS内部存在不同程度的局部放电现象,会导致SF6气体分解,出现事故隐患。为了防止事故的发生,提出了一种用Ti O2纳米管阵列检测SO2F2这种SF6局部放电分解产物的重要特征组分的方法,来实现设备的在线监测。通过阳极氧化法制备了定向生长、高度有序的本征Ti O2纳米管阵列,另采用电化学脉冲沉积法在本征Ti O2纳米管阵列表面掺杂Pt纳米颗粒制作了Pt掺杂Ti O2纳米管阵列。分别用这两种阵列的传感器对体积分数为30×10-6~100×10-6 SO2F2气体进行了气敏响应试验。试验结果表明,两种传感器对SO2F2气体有不同的响应,且在掺杂Pt纳米粒子之后不仅灵敏度提高,而且工作温度下降。     

氯化镍掺杂的碳纳米管对SF6放电分解产物的气敏响应

检测和分析六氟化硫（SF6）气体放电分解产物对于气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）设备的安全运行有着重要意义。分析碳纳米管的气敏响应机制及掺杂对其气敏性能的改善,研制了一种氯化镍掺杂的多壁碳纳米管传感器,将NiCl2×6H2O和浓酸处理过的碳纳米管悬浊液超声掺杂,然后涂布在以印...     

基于SF_6分解组分的负极性直流局部放电故障诊断

为了利用SF_6局部放电(PD)分解特性开展直流气体绝缘设备(GIE)故障诊断研究,以直流GIE中最为常见的4种绝缘缺陷为例,研究了缺陷从起始放电发展至临近击穿整个过程的PD特性,选择q_v、n_v和Δt_v作为表征PD状态的特征量,并将PD严重程度划分为3个等级;在每种缺陷的3个PD等级下开展了大量SF_6分解实验,获取了SF_6分解特性。实验结果表明,SF_6分解生成了CF_4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2 5种稳定组分,其中SOF_2是最主要的分解产物,且含硫组分的生成量高于含碳组分的生成量;构建了由21个浓度比值组成的特征集合,运用最大相关最小冗余准则进行特征量选择,并基于BP神经网络和支持向量机进行了故障诊断,准确率超过88%。     

基于光声光谱法的SF_6气体分解组分在线监测技术

为研究基于光声光谱法的分解组分在线监测技术,设计了在线监测的拓扑结构,提出了自循环监测气路设计,构建了气体光声检测单元,实现了分解组分SO2、CO及CF4含量和增长速率的连续监测,可及时发现SF6电气设备内部早期绝缘缺陷。基于光声光谱理论进行仿真研究,设计了一维纵向共振式光声池,获得了制作光声池的最优参数。选定了气体组分的最优吸收峰,测定不同体积分数标准气体的光声信号幅值,发现体积分数和光声信号幅值线性关系良好。测定了相同试验条件下的噪声水平,得到了SO2、CO和CF4气体的最低检测限,体积分数分别为1.94×10-6、6.28×10-6和7.17×10-6。根据研究结果制作了一台GIS气体组分光声光谱在线监测装置,已成功应用,实现了基于光声光谱法的GIS内多组分的无干扰在线监测,为基于SF6气体特征分解组分的设备内绝缘故障诊断奠定了基础。     

以SF_6为背景气体的SF_6气体分解特征组分标准物质研制

利用SF6分解组分对GIS绝缘状态进行诊断,必须解决SF6分解特征组分的定性和定量检测的关键技术难题,这直接关系到对设备故障性质和程度判断的准确性。文中采用称量法,研究以SF6为背景气的气体标准物质的制备过程与方法,成功研制了CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6、SO2F2/SF64种标准气体物质,解决了SF6分解特征组分标准气体物质的存储问题,考察了4种气体标准物质的一致性、压力稳定性以及长期稳定性。结果表明:CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6和SO2F2/SF6的标准不确定度均小于0.2%,4种标准气体物质一致性、6个月的长期稳定性和均匀性良好,标准气体扩展不确定度都小于3%,可用于SF6分解特征组分的定量分析。     

吸附剂对局部放电下SF_6分解特征组分的吸附研究

为了保障SF6绝缘气体的纯度,需要在SF6气体绝缘设备气室中配置一定量的吸附剂,一方面用于控制气室内的水分含量,另一方面用于吸附因各种原因产生的杂质气体。因而,吸附剂的存在会对局部放电下使SF6发生分解而产生的特征组分进行吸附,使得特征组分含量和变化规律发生改变。在利用特征组分诊断气体绝缘设备内部故障时,必须考虑这一重要影响因素。为此,该文在搭建的SF6气体局部放电分解试验平台上,利用针–板电极产生局部放电(partial discharge,PD)使SF6发生分解,采用气质联用仪定量测定放电室内特征组分的变化,获取不同吸附剂用量梯度下吸附特征组分的规律与特性。研究表明,无论有无放置吸附剂,在气室内都能检测到SOF4、SO2F2、SOF2和SO2等主要稳定特征组分,且随着吸附剂用量的增加,对特征组分的吸附率各不相同。     

电极材料对SF_6局放分解特征组分生成的影响

金属材料的化学活性会直接影响SF6在局部放电作用下的分解过程,掌握其影响规律是建立基于SF6分解特性的故障诊断方法必须解决的关键问题之一。为此,利用铝、铜和不锈钢3种金属材质的针电极与不锈钢板电极构成常见的金属突出物绝缘缺陷模型,在建立的SF6放电分解试验平台上进行了96 h局部放电分解试验,采用气相色谱法测定了CF4、CO2、SO2F2和SOF2主要分解特征组分。结果包括:金属电极材料对CO2的生成几乎没有影响,但对SO2F2和SOF2的生成速率有较大影响。分析认为主要原因在于化学活性越强的金属材料与SF6分解产生的低氟硫化物及氟原子发生反应的速率越高,产生的SF2和SF4越多,进而促使生成更多的SO2F2和SOF2。因此,在利用SF6分解特性对气体绝缘设备进行绝缘状态监测及故障诊断时,必须综合考虑故障点金属材料的差异对其造成的影响。     

SF_6气体组分检测方法分析

六氟化硫气体(SF_6)因其良好的绝缘性能和灭弧性能被广泛运用到电气设备中,其质量是保障设备稳定运行的基础。介绍气相色谱法、红外光谱法和氦离子色谱法3种检测方法的工作原理,分别检测同一样品气体并对检测结果进行讨论。分析每种检测方法的优缺点及适用范围,为实验人员在检测过程中选用何种方法提供一定的帮助。     

TiO2掺杂石墨烯对SO2气体的气敏特性研究

气体绝缘开关设备(GIS)放电过程中产生的SO2组分,与放电故障类型和严重程度具有密切关系.探究具有优异气敏检测能力的SO2气敏传感器,可为在线监测GIS放电故障提供检测基础.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,首先,优化了不同数量TiO2在石墨烯表面的掺杂结构,获得最优化掺杂结构;其次,让SO2气体分子以不同方式靠近本征石墨烯,计算分析SO2气体分子在TiO2-graphene表面的吸附结构、吸附能和电荷转移;最后,对比分析气体吸附前后体系的总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS),探究SO2与TiO2掺杂石墨烯结构之间相互作用机理.研究发现,两个TiO2掺杂具有最优掺杂结构,对单个和双SO2气体分子均具有良好的吸附性能且都为化学吸附.因此,基于TiO2掺杂石墨烯材料的气敏传感器在GIS放电分解组分检测与故障诊断领域具有良好的应用前景.     

基于SAW-RFID的SF_6分解特性研究

为提高分解特征组分在故障诊断中的准确性,需对影响分解特征组分的SF_6气体湿度进行在线监测。现有湿度在线监测技术存在耗气量大、实现困难且复杂成本高等不足,提出了一种基于声表面波射频识别(SAW-RFID)的SF_6气体湿度在线监测方法。首先对该SAW-RFID湿度传感器芯片进行了中心频率测试和性能测试,再利用该湿度传感器监测用针-板放电模型模拟金属突出物绝缘缺陷所产生的局部放电(PD)下SF_6气体的湿度,在不同湿度下定量测定了SO_2F_2和SOF_2的累积体积分数。实验结果表明,SAW-RFID湿度传感器的性能满足要求,精度高、误差小;SO_2F_2与SOF_2的累积体积分数随湿度增加变大,与放电时间呈正相关;相对产气速率在前期与湿度负相关,在后期与湿度无关且趋同。     

基于紫外差分吸收光谱法的SF_6分解组分CS_2定量检测

SF_6作为电气绝缘设备中最常用的绝缘气体,对它的分解组分的检测与研究是相关设备故障诊断和在线监测的重要内容。CS_2作为一种常见的固体绝缘缺陷下的SF_6特征分解产物,在紫外190~210nm波段具有很强的吸收特性。基于紫外差分吸收光谱技术,搭建针对CS_2的紫外光谱检测平台。首先通过实验获得不同浓度CS_2的紫外吸收光谱,再利用基线扣除、小波处理等手段提取吸收光谱中的有效信号,消除了光谱中的高低频噪声,通过快速傅里叶变换(FFT)将光谱信息转换到频域,建立气体浓度与光谱频域特征值之间的线性关系。研究表明,该方法对CS_2检测重复性好,在10~200nL/L范围内的线性拟合度高(R_2=0.999 6),检出下限为2.584nL/L/m,为SF6绝缘设备分解组分中痕量CS_2的在线监测提供了技术支持。     

碳纳米管传感器吸附机理及对SF_6分解组分检测应用综述

碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种新型的气敏材料,具有孔隙率高、比表面积大和结构中空的特性,在气敏传感器领域备受青睐。其气敏特性不仅体现在对于特定气体的优良响应特性,更在于对不同气体种类和浓度的识别能力。该文综述了碳纳米管传感器的气体吸附机理,及其在检测电力系统气体绝缘开关设备中六氟化硫(sulfur hexafluoride,SF_6)分解组分领域中的应用。总结了其作为气体传感器对各种分解组分的实验检测和理论计算结论,分析对比了不同类型传感器在检测过程中所具有的优势和不足,提出了碳纳米管传感器在检测SF_6分解组分方面的研究趋势。     

SF_6分解组分的二维相关光谱红外检测识别

利用SF6局部放电分解组分的特点能够很好地监测GIS内部绝缘状态。为此,采用傅立叶变换红外吸收光谱法(FTIR)来对SF6分解组分进行检测,发现其自身的吸收峰多且强,淹没了一些重要分解组分的信息。针对该难点,提出用二维相关光谱技术来对光谱进行宏观放大,依据其选峰原则,成功分析出了CF4、SOF4两种组分,使红外检测SF6分解组分的种类增至:SOF2、SO2F2、SF4、SOF4、CO、SO2、CF4共7种,该方法能够准确了解SF6的分解情况,满足GIS在线监测的要求。     

SF_6负极性直流局部放电分解特性与组分特征提取

为了研究SF_6在不同类型负极性直流局部放电(partial discharge,PD)下的分解特性,进而建立SF_6分解特性与缺陷类型之间的关联特性。在自建的SF_6负极性直流PD分解实验平台上,通过系列实验研究得到了SF_6在4种不同典型绝缘缺陷引起的负极性直流PD下的分解数据。研究表明:4种典型绝缘缺陷PD下SF_6均会发生分解,生成CF_4、CO_2、SO_2F_2、SOF_2和SO_2这5种稳定组分,且4种缺陷下组分体积分数以及由分解组分构造而成的特征比值(简称特征组分比值)随放电时间均具有各自不同的变化规律,可以用于缺陷类型表征。为了验证这两类特征参量对缺陷类型表征的有效性,使用谱聚类算法分别对两类特征量进行聚类处理,结果表明,两类特征参量均能对缺陷类型进行有效反映,且特征组分比值参量更加适合用于缺陷类型识别。     

吸附剂对局部过热性故障下SF_6分解特征组分的吸附特性

吸附剂不仅会吸附气室内的微量水分而影响SF6气体绝缘介质的过热分解过程,而且会对SF6过热分解特征组分产生不同程度的吸附作用,使利用SF6故障分解原理诊断气体绝缘装备内部绝缘故障变得更加复杂。因此,通过大量试验研究了吸附剂对SF6局部过热分解特性的影响规律,获得了SF6分解组分的产气规律以及电极材料和吸附剂所含元素的化学形态。研究表明:没有吸附剂时,SOF2、SO2、SO2F2、CS2、CO25种组分体积分数有:φSO2φSOF2φCO2φSO2F2φCS2;随着吸附剂用量的增加,5种组分的体积分数增长曲线不断变缓,变缓的程度有:SO2SOF2SO2F2CO2CS2;通过X射线光电子能谱分析发现,实验后的不锈钢发热电极中有FeF3、Fe2O3和FeS存在,实验后的吸附剂含有极少量的吸附态SO2,吸附剂中F的存在形式主要为MgF2。     

H_2O对局部放电下SF_6分解生成特征组分的影响

为建立基于SF6分解特征组分原理的电气设备在线监测与故障诊断理论和方法,用针-板放电模型模拟了金属突出物绝缘缺陷产生局部放电(PD),使含不同微量H2O的SF6/H2O混合气体发生分解,定量测定了CF4、CO2、SO2F2和SOF2 4种特征分解组分的体积分数,得到了各特征组分体积分数、相对产气速率和能量特征比值φ(SOF)2/φ(SO2F2)随微量H2O体积分数φ(H2O)的变化规律,初步了研究φ(H2O)对各特征组分生成规律的影响机制。结果显示,φ(H2O)的增加会抑制CF4的生成,而对CO2的绝对产量和相对产气率的影响均无明显规律;SO2F2和SOF2的累积体积分数均与φ(H2O)正相关,并大致呈线性增长趋势;此外,在放电初期,SO2F2与SOF2的相对产气率均大致随着φ(H2O)的增大而减小,但在放电稳定期,却独立于φ(H2O)且趋于相同;φ(H2O)对特征组分产量比值φ(SOF)2/φ(SO2F2)也有显著的影响。实验结果为提出准确的基于SF6分解特征组分原理的在线监测与故障诊断方法提供参考。