检测SF6气体局部放电的多壁碳纳米管薄膜传感器

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)的局部放电检测和气体组分分析,对设备运行状态的诊断和评估有着重要的意义。提出一种新的SF6气体中局部放电产生的分解气体检测方法,并研制用于检测SF6局部放电的多壁碳纳米管薄膜传感器。采用一种混酸修饰方法实现了对碳纳米管的官能化修饰,对修饰前后的碳纳米管进行了透射电镜和红外光谱分析。在实验室采用SF6气体分解组分试验装置,对研制的多壁碳纳米管薄膜传感器进行了分解气体检测试验,试验结果表明,研制的MWNTs传感器缺陷多,并含有活性官能团,对SF6气体分解组分吸附能力强,表现出良好的灵敏度和快速响应特性,能反映出分解气体组分的总体情况。     

羟基修饰单壁碳纳米管对SF6局部放电分解组分气敏特性的研究

为了从混合气体组分中检测出气体绝缘组合电器(GIS)中的SF6气体在局部放电作用下分解产生的特征气体组分,将纳米气敏传感技术用于SF6分解特征组分的检测。在分析现有的SF6分解气体特征组分检测方法不足的基础上,研制了羟基修饰的单壁碳纳米管(SWNT-OH)气敏传感器,并对SOF2、SO2F2、SO2和CF4等4种SF6分解组分进行了气敏实验。得到的实验结果表明:在测试的4种主要分解组分中,SWNT-OH气敏传感器对SO2电阻变化率最大,响应时间最短;SWNT-OH气敏传感器的电阻变化率与SO2的体积分数之间满足一定的线性关系;且传感器在空气中可以自恢复,恢复时间短,并在一定程度上满足稳定性的要求。SWNT-OH气敏传感器对SO2表现出了较好的气敏传感性能,在SF6分解特征组分检测方面有着较好的应用前景。     

硼掺杂单壁碳纳米管检测SF6气体局部放电仿真

气体绝缘组合电器（GIS）的局部放电检测和SF6气体局放分解组分分析,对GIS运行状态的诊断和评估有着重要的意义。为提高气体分解组分的检测灵敏度,在介绍了碳纳米管传感器检测SF。局放分解气体的原理后,应用材料科学模拟计算软件MS对硼掺杂单壁碳纳米管（B-SWNT）性质进行研究并对其检测SF6局部放电主要分解组分进行量子...     

羧基碳纳米管吸附SF6放电分解组分的仿真计算

通过SF6分解气体组分及组分含量检测,可以判断气体绝缘电器组合(gas insulated switchgear,GIS)内局部放电(partial discharge,PD)类型及发展程度,对GIS的故障诊断具有重要意义。提出利用羧基修饰碳纳米管(SWNT-COOH)提高碳管的灵敏度和选择性来检测GIS中的SF6分解组分。根据第一性原理,采用Materials Studio分子动力学仿真软件对羧基修饰的单壁碳纳米管吸附SF64种主要分解组分SO2、SO2F2、SOF2和CF4进行了详细的理论计算,分析吸附过程中吸附能、电荷转移量、作用距离、前线轨道和电子态密度的变化情况,结果显示SWNT-COOH对于4种气体检测的选择灵敏度为SO2>SOF2>SO2F2>CF4,可以利用羧基修饰碳纳米管制备气体传感器检测SF6局部放电分解组分。     

SF6电力设备局部放电与分解气体组分关系的研究进展

介绍了SF6放电分解气体的基本原理,对目前几种检测SF6分解气体的方法进行对比分析,综述了不同缺陷条件下局部放电与SF6分解气体组分的关系。     

SF6气体杂质与潜伏性故障诊断技术研究

基于SF6气体放电分解特性,模拟7种内部缺陷;然后用气相色谱、气相色谱质谱联用仪、DPD SF6杂质分析仪对SF6放电分解产物进行跟踪分析;进一步利用上述仪器对SF6电气设备进行普查;总结出SF6气体分解产物与SF6电气设备内部缺陷间关系;最后制定了SF6电气设备SF6气体检测周期、指标与故障判据,使SF6电气设备状态检修实际成为可能.     

用于SO_2气体检测的4A型分子筛掺杂碳纳米管气敏传感器研制

SO2作为SF6气体在局部放电作用下的重要特征分解组分,其体积分数大小和变化规律可用于判断SF6绝缘设备内局部放电的严重程度。为提高碳纳米管传感器对SO2气体的检测灵敏度,实现对SO2气体的快速实时检测,提出了一种分子筛掺杂碳纳米管制备气敏传感器的方法,研究了不同掺杂比例的传感器对体积分数为10-4的SO2气体的气敏响应特性,并对反应机理进行了初步探讨。结果表明:与本征碳纳米管相比,4A分子筛掺杂制备出的碳纳米管气敏传感器对SO2的灵敏度有了显著提高,电阻变化率从0.96%最大提高至33.7%,并且传感器具有良好的重复性和稳定性,多次重复试验表明传感器电阻变化率保持稳定。研究结果为最终实现SF6气体绝缘设备中SO2气体的在线监测奠定了试验基础。     

GIS绝缘缺陷局部放电的联合检测研究

建立了GIS（Gas Insulator Switchgear气体绝缘体全封闭组合电器）局部放电模型,通过在GIS腔体盘式绝缘子上制作人工气泡模型,运用脉冲电流和气相色谱分析检测两种方法对GIS内局放进行了检测。获得了绝缘缺陷局部放电的分布图谱和局部放电时SF6气体分解组分。最后,通过曲线拟合研究了绝缘气泡缺陷下SF6放电各分解组分的变化规律。     

羧基修饰石墨烯吸附SF6分解组分的DFT计算

为研制高灵敏度SF6气体分解组分检测传感器,利用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)方法,采用分子模拟软件对SF6主要放电分解组分(SO2,SOF2,SO2F2,CF4)在羧基修饰石墨烯表面的吸附特性进行了模拟计算,从微观角度研究了羧基修饰石墨烯检测SF6气体放电分解组分的气敏机理。理论计算了单分子吸附过程中表征吸附性能特征参量的吸附能、吸附距离、净电荷转移量、分子前线轨道以及态密度。结果表明:羧基的修饰能够有效提高石墨烯的吸附性能,且羧基石墨烯效果更好,对4种分子吸附效果强弱依次为SO2>SOF2>SO2F2>CF4,其中SO2在羧基石墨表面发生较为强烈的化学吸附效应。     

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。     

一种新型碳纳米管气体传感器的响应特性研究

基于碳纳米管(CNTs)气体传感器的SF6气体分解产物检测技术,是诊断GIS绝缘缺陷引起的局部放电的有效手段。开展传感器对SF6分解气体响应特性的研究,对于将该技术应用于GIS局部放电的监测具有重要意义。笔者测量了CNTs气体传感器对4种标准气体(HF、SO2F2、SOF2/S2OF10、SO2)的响应,并建立了由GIS模拟罐体、基于脉冲电流法的局放仪和CNTs气体传感器构成的实验系统,测量了CNTs气体传感器对局部放电形成的SF6分解气体的响应,研究了传感器在多次测量中的重复性以及其响应随局放的变化规律。结果表明,在SO2F2和SOF2/S2OF10气体环境中传感器响应特性明显,且对SO2F2更加灵敏;SO2和HF则基本不引起传感器的电导变化。传感器能够成功检测到针板电极模型引起的局部放电,传感器的电导值随着放电时间的增加而逐渐增加,其响应也随着局部放电能量的增加近似呈线性增加的趋势,最终传感器响应出现饱和趋势。传感器的测量具有重复性,两次测量相差低于0.5%。SF6气体分解产物的气相色谱及红外光谱分析证实了上述结果的合理性。文中使用的标准气体浓度较低,因此关于SO2和HF无法引起传感器响应的结果仍需要利用高浓度标准气体进一步验证。     

Calibration methods of carbon nanotube gas sensor for partial discharge detection in SF/sub 6/

The authors proposed a new type of gas sensor for high sensitive detection of decomposition products generated by partial discharge (PD) in SF/sub 6/ gas. The sensor employed carbon nanotubes (CNTs) as gas sensing transducer and was fabricated by electrokinetic manipulation of CNTs using dielectrophoresis. Due to complicated gas decomposition process of SF/sub 6/ gas, calibration of the CNT gas sensor is an essential and challenging subject in order to realize reliable and stable detection of PD under practical conditions. In this paper, two methods for the CNT gas sensor calibration were proposed and tested. The first method was based on initial conductance dependence of the CNT gas sensor response. The CNT gas sensor response to PD increased almost linearly with the amount of CNT trapped onto the sensor electrode, which could be quantified by the initial conductance of the sensor. However, the calibration accuracy of this method was about 50 % and was not high enough for practical use. The second method employed NO/sub 2/ (nitrogen dioxide) as calibration gas because of the similarity in the CNT sensor response to PD decomposition products and NO2. It was found that the accuracy of the NO/sub 2/ calibration was about 10 % and far better than the first method. Finally, effectiveness of the NO/sub 2/ calibration was demonstrated by a PD monitoring test in which two CNT sensors were simultaneously exposed to SF/sub 6/ decomposition products with identical concentration.     

Analysis of PD-generated SF/sub 6/ decomposition gases adsorbed on carbon nanotubes

Chemical byproducts analysis has been recognized as a powerful diagnosis method for SF₆ gas-insulated switchgear (GIS). The authors have previously demonstrated that a carbon nanotube (CNT) gas sensor could detect partial discharge (PD) generated in SF₆ gas. However, PD-generated decomposition gas species, which were responsible for the CNT gas sensor response, have not been identified yet. In this paper, two kinds of experiments were conducted in order to identify the responsible decomposition gas species. At first, the decomposition gas molecules adsorbed on CNTs were analyzed by Fourier transformation infrared (FTIR) spectroscopy. FTIR absorbance was observed around 735 cm^-1 after CNTs were exposed to PD generated in SF₆. In the second experiment, the CNT gas sensor responses to typical SF₆ decomposition products (HF and SF₄) were examined. The CNT gas sensor responded to these gases in the same way as to PD generated in SF₆. SF₄ response was larger than HF response. Based on these results, SF ₄ and SOF₂ emerged as candidates for the responsible decomposition gases. Electrochemical interactions between adsorbed gas molecules and CNT were discussed based on theoretical predictions of molecular orbital calculations. The calculation results suggested that both of SOF₂ and SF₄ could increase the CNT gas sensor conductance     

SF6局部放电分解组分长光程红外检测

GIS内SF6局部放电分解组分情况与其绝缘状态有着密切联系,监测分解气体组分可诊断出GIS内部的绝缘缺陷。由于SF6分解产物浓度很低,为提高检测限,基于怀特池原理,利用三个凹面反射镜组成共轭系统来实现光路的多次反射,在有效地增加了光程长的同时尽量减少了光能损耗,设计了与傅里叶变换红外光谱仪匹配的20m光程长气体池。分别用长短光程气体池进行SF6局部放电分解组分的红外检测,对比分析发现,20m长光程气体池检测组分种类多,精度和信噪比高,设计的长光程气体池可以实现GIS内部SF6局部放电分解组分的定量研究。     

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。     

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...     

微氧对SF6局部放电分解特征组份的影响

由于O2影响了SF6气体分解组分的最终生成物及体积分数,所以通过检测气体绝缘设备内部气体分解组分的体积分数及其变化规律来进行故障诊断时,要考虑这一重要因素.为此利用已搭建好的SF6气体局部放电分解实验装置,在相同的实验条件下,针对含不同O2体积分数的SF6/O2混合气体进行96 h局部放电分解实验,结合气相色谱分析技术,研究O2对SF6局部放电分解组份的影响.实验结果表明:无论是否注入O2,均会产生CF4、CO2、SOF2和SOF2;O2增加会抑制CF4的产生,对CO2的产生影响不大;O2增加对SO2F2和SOF2的产生有促进作用,但对SOF2的促进作用强于SO2F2;在同一个放电时间下,随着O2体积分数的增长SO2F2与SOF2的体积分数比(SO2F2)/(SOF2)逐渐减小并趋于稳定,无论是否注入O2,随着放电时间的增长,这一比值也逐渐减小并趋于稳定.     

基于悬臂梁增强型光声光谱的SF_6特征分解组分H_2S定量检测

H_2S作为SF_6分解产生的关键特征组分,能够有效反映SF_6气体绝缘电气设备内部绝缘故障的严重程度及故障是否涉及固体绝缘材料。采用新型硅微悬臂梁传声器与分布反馈式半导体激光器搭建了悬臂梁增强型光声光谱痕量气体检测系统,以H_2S气体v1+v2+v3泛频吸收谱带中心波数为6 336.62 cm-1的吸收谱线作为研究对象,仿真研究了H_2S气体的红外吸收特性,试验研究了H_2S气体悬臂梁增强型光声光谱响应特性,采用最小二乘回归分析了H_2S气体光声信号与其体积分数的关系。结果表明,在气体吸收未饱和的情况下,光声信号强度与H_2S体积分数之间存在良好的线性关系,系统对N2中痕量H_2S的检测下限为0.84×10-6,对SF_6中痕量H_2S的检测下限为1.75×10-6。研究结果为采用SF_6分解组分法判断设备内部绝缘故障类型和严重程度提供了有力的数据支持。