一种SF6/CF4混合气体分解产物检测装置的制作方法

本实用新型属于高电压与绝缘技术领域，具体涉及了一种SF6/CF4混合气体分解产物检测装置。

背景技术：

六氟化硫(SF6)在常温常压下是一种无色、无味、无毒、不燃、化学性质极其稳定的合成气体，SF6的分子为单硫多氟的对称结构，具有极强的电负性，因此具有优良的绝缘和灭弧性能，且被广泛地使用在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、气体断路器(GCB)、气体绝缘变压器、气体输电管线(GIL)中。

然而，SF6在实际应用中也存在一些不足之处：SF6气体在压力较大，环境温度过低的情况下容易液化；SF6气体的大量使用会对全球的温室效应产生影响，在《京都议定书》中， SF6被列为受限制的六种温室气体之一，其全球变暖系数(GWP)是CO2气体的23900倍。为了降低SF6对温室效应的影响，长期以来，国内外学者为寻找SF6的替代气体进行了大量研究，但尚未发现一种在绝缘性能和灭弧性能方面可以完全替代SF6的气体，短期解决SF6温室效应的方法是降低其在电力系统中的用量，如使用SF6/N2、SF6/CF4混合气体等。从源头上减少 SF6排放的温室效应。

从目前的各项研究和应用来看，SF6/CF4混合气体绝缘和熄弧性能均较好，具有很好的应用潜力。虽然SF6/CF4混合气体在物理化学特性上与高纯SF6相似，但是在开关电弧作用下混合气体的分解产物和纯SF6存在很大差别，如果仍采用纯SF6气体的检测方法，无法准确的反应开关设备的运行状态。

SF6/CF4混合气体在电弧作用下会产生分解，其分解物与设备中微量的水分、电极以及固体绝缘材料发生反应，生成比较复杂的混合物，比如：一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷 (CH4)、氢气(H2)、四氟化碳(CF4)、氟化硫酰(SO2F2)、氟化亚硫酰(SOF2)、八氟丙烷(C3F8)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)等，其主要分解途径见下图所示：

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种SF6/CF4混合气体分解产物检测装置。该装置可以有效的检测SF6/CF4混合气体在电弧作用下的特征分解产物如：CO、CO2、CH4、CF4、CO2、SOF2、 SO2F2、C3F8、H2S、SO2等，从而为准确判断电气设备内部的运行状态，保障开关设备的安全运行提供有效的技术手段。

本实用新型的技术方案是：

一种SF6/CF4混合气体分解产物检测装置，包括：进样设备、分析回路和检测设备；

其中，进样设备和分析回路连接，分析回路通过自动切换阀和检测设备连接；

所述的分析回路设置有三条载气路和一条样品路；

其中，第一条载气路包括第一稳压流量阀、第一流量计、第一六通阀和第一色谱仪，各个设备依次连接；其中，第一六通阀连接有第一定量管，第一色谱仪安装有第一色谱柱；第一稳压流量阀通过载气干燥管和载气供应管路连接，第一色谱柱和自动切换阀连接；

第二条载气路包括第二稳压流量阀和第二流量计；第二稳压流量阀通过载气干燥管和载气供应管路连接，第二流量计和自动切换阀连接；

第三条载气路包括第三稳压流量阀、第三流量计、第二六通阀、第二色谱仪和第三六通阀，各个设备依次连接；其中，第二六通阀连接有第二定量管，第二色谱仪安装有第二色谱柱，第三六通阀连接有隔离阀和第三色谱仪；第三色谱仪安装有第三色谱柱，第三稳压流量阀通过载气干燥管和载气供应管路连接，第三六通阀和自动切换阀连接；

所述的一条样品路包括第一阀门和第二阀门，样品气管路经过样品气干燥管后，分别连接第一阀门和第二阀门，分为两条支路，经过第一阀门的支路连接第一六通阀，经过第二阀门的支路连接第二六通阀；

所述的第二六通阀和第三六通阀均设置在第三条载气路上，并且串联使用，其中，第二六通阀用来进样，第三六通阀用来隔离，并且通过第三六通阀设置的隔离阀的切换作用可以选择样品通过或者不通过第三色谱柱，从而进入检测设备。

所述的检测设备包括热导检测器(TCD)和火焰光度检测器(FPD)，其中，热导检测器(TCD) 和火焰光度检测器(FPD)两个检测器并联组成；检测设备和分析回路通过自动切换阀连接，自动切换阀能够切换不同的检测器，从而检测SF6/CF4混合气体分解产物。

所述的火焰光度检测器(FPD)以氢气D发生器和空气C发生器作为气源。

根据色谱柱检测的气体的不同，选用对应的检测器，具体为：

第一色谱柱主要用固定相为TDX-01的聚四氟乙烯填充柱，桥流90-150mA，柱温 80～120℃，柱前压为0.1psi；采用第一色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的 CO、CO2、CH4，采用TCD测定；采用第一色谱柱分离SF6/CF4混合气体分解产物中的SOF2、 SO2F2，采用FPD测定；

第二色谱柱主要用PorapakQ填充柱，适合粒度目为40-60，柱长为10～40m，柱内径3mm，柱前压为15psi-25psi；采用第二色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的空气、 CO2、CF4、C3F8、SF6，采用TCD测定；

第三色谱柱主要用GasPro系列毛细柱，柱长为30-50m，柱内径0.3mm，柱前压为 10psi-20psi；采用第三色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的SO2、H2S，采用 FPD测定；

所述的载气选用纯度为99.99wt.％氦气为载气，载气气流为10mL/min-15mL/min。

所述的进样设备，采用手动注射器进样或进样袋进样，进样过程中避免样品气污染。

本实用新型的检测设备中，火焰光度检测器的氢气气源纯度达到99.9999wt.％以上，氢气 D流速为35～45mL/min，空气C流速为130～150mL/min。

本实用新型的分析回路具有体积和流速控制功能。

各个色谱柱通过的载气气流通过稳压流量阀和流量计控制，载气流量为2.577mL/min，辅助压力为4.35psi，色谱柱柱前压为15psi-25psi、色谱柱出气口压力为10psi-20psi，色谱柱在使用前应在120℃下通载气钝化处理4h，钝化处理后利用程序升温做一次空白实验，保证实验的准确性。

所述的TCD检测器温度为60℃，桥电流为80mA，载气流速为10mL/min-15mL/min。

所述的FPD检测器温度为150℃，载气流速为10mL/min-15mL/min。

本实用新型的SF6/CF4混合气体分解产物的检测过程为：通过控制第一阀门和第二阀门，控制待测样品通过第一色谱柱或第二色谱柱；

通过自动切换阀控制通过第一色谱柱的待测样品进入TCD检测器，分析CO、CO2、CH4；通过FPD检测器检测SOF2、SO2F2，切换第二阀门，使得待测样品通过第二色谱柱和第三色谱柱，通过自动切换阀切换TCD检测器检测CF4、CO2、C3F8、SF6气体，FPD检测器检测 H2S、SO2。

本实用新型一种SF6/CF4混合气体分解产物的检测装置，其有益效果在于：

1.本实用新型的检测回路，将进样的SF6/CF4混合气体，配备气相色谱仪和TCD和FDP 在检测器，通过自动切换阀切换实现对混合气体在电弧作用下的分解产物CO、CO2、CH4、 CF4、CO2、SOF2、SO2F2、C3F8、H2S、SO2等进行检测。由于混合气体分解产物比较复杂，如果全部进入检测器不仅会污染设备，损害色谱柱，还会由于检测器对不同组分检测灵敏度的不同，使得检测结果不准确。本实用新型采用三根色谱柱，采用第一色谱柱对混合气体中的CO、CO2、CH4采用TCD检测器进行检测，对SOF2、SO2F2采用FPD检测器检测；通过自动切换阀的切换，将CF4、CO2、C3F8、、SF6由第二色谱柱分离，由TCD检测器检测，H2S、 SO2由第三色谱柱分离，由FPD检测器检测，从而实现对分解产物准确有效的测量，为判断混合气体电气设备故障提供更为准确的判断方法。

2.该方法通过选择不同的色谱柱利用气相色谱仪(GC)对混合气体在电弧作用下的分解产物进行分析，通过六通阀和自动转换阀的切换作用，利用热导检测器(TCD)和火焰光度检测器(FPD)检测单元对分解产物中的气体组分进行检测。通过选择适当的色谱柱，搭建SF6/CF4混合气体电弧作用下分解产物的检测回路，对混合气体在电弧作用下的分解产物进行检测分析。

附图说明

图1是本实用新型实施例SF6/CF4混合气体分解产物检测装置连接示意图；

图2是第二色谱柱分离样气进入TCD检测器连接示意图；

图3是第一色谱柱和第二色谱柱分离样气进入TCD和FPD检测器连接示意图；

图4是第三色谱柱分离样气进入FPD检测器连接示意图；

图5是第一色谱柱检测CO、CO2的标准色谱图；

图6是检测SF6分解产物的标准色谱图。

其中，图中，1为载气干燥管，2为第一稳压流量阀，3为第一流量计，4为第一六通阀， 5为第一定量管，6为第一色谱柱，7为第二稳压流量阀，8为第二流量计，9为第三稳压流量阀，10为第三流量计，11为第二六通阀，12为第二定量管，13为第二色谱柱，14为第三六通阀，15为第三色谱柱，16为隔离阀，17为自动切换阀，18为TCD检测器，19为FPD 检测器，20为样品气干燥管，21为第一阀门，22为第二阀门。

A为载气，B为样品气，C为空气，D为氢气。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

以下实施例中，采用的气相色谱仪为安捷伦公司生产的G4600-64006气相色谱仪。

以下实施例中，氢气气源系统为派克(Parker)公司生产的氢气气源系统。

以下实施例中，所使用的色谱柱在检测之前均要进行钝化处理，柱流失检测在色谱柱老化过程结束后，利用程序升温作一次空白试验(不进样)。一般是以10℃/min从50℃升至最高使用温度，达到最高使用温度后保持10min。得到一张流失图。这些数值可能对今后作对比试验和实验问题的解决有帮助。在空白试验的色谱图中，不应该有色谱峰出现。如果出现了色谱峰，通常可能是从进样口带来的污染物。如果在正常的使用状态下，色谱柱的性能开始下降，基线的信号值会增高。另外，如果在很低的温度下，基线信号值明显的大于初始值，那么有可能是色谱柱和GC系统有污染。旧的色谱柱在安装时要将色谱柱的两端截去一部分，保证没有进样垫的碎屑残留于柱中。

实施例

一种SF6/CF4混合气体分解产物检测装置，包括：进样设备、分析回路和检测设备；

其中，进样设备和分析回路连接，分析回路通过自动切换阀17和检测设备连接；其连接结构示意图见图1。

所述的分析回路设置有三条载气路和一条样品路；

其中，第一条载气路包括第一稳压流量阀2、第一流量计3、第一六通阀4和第一色谱仪，各个设备依次连接；其中，第一六通阀4连接有第一定量管5，第一色谱仪安装有第一色谱柱6；第一稳压流量阀2通过载气干燥管1和载气供应管路连接，第一色谱柱6和自动切换阀17连接；

第二条载气路包括第二稳压流量阀7和第二流量计8；第二稳压流量阀7通过载气干燥管1和载气供应管路连接，第二流量计8和自动切换阀17连接；

第三条载气路包括第三稳压流量阀9、第三流量计10、第二六通阀11、第二色谱仪和第三六通阀14，各个设备依次连接；其中，第二六通阀11连接有第二定量管12，第二色谱仪安装有第二色谱柱13，第三六通阀14连接有隔离阀16和第三色谱仪；第三色谱仪安装有第三色谱柱15，第三稳压流量阀9通过载气干燥管1和载气供应管路连接，第三六通阀14和自动切换阀17连接；

所述的一条样品路包括第一阀门21和第二阀门22，样品气管路经过样品气干燥管20后，分别连接第一阀门21和第二阀门22，分为两条支路，经过第一阀门21的支路连接第一六通阀4，经过第二阀门22的支路连接第二六通阀11；

所述的第二六通阀11和第三六通阀14均设置在第三条载气路上，并且串联使用，其中，第二六通阀11用来进样，第三六通阀14用来隔离，并且通过第三六通阀14设置的隔离阀 16的切换作用可以选择样品通过或者不通过第三色谱柱15，从而进入检测设备。

所述的检测设备包括热导检测器(TCD检测器18)和火焰光度检测器(FPD检测器19)，其中，热导检测器(TCD检测器18)和火焰光度检测器(FPD检测器19)两个检测器并联组成；检测设备和分析回路通过自动切换阀连接，自动切换阀17能够切换不同的检测器，从而检测 SF6/CF4混合气体分解产物。

根据色谱柱检测的气体的不同，选用对应的检测器，具体为：

第一色谱柱6主要用固定相为TDX-01的聚四氟乙烯填充柱，桥流90-150mA，柱温110℃，柱前压为0.1psi；采用第一色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的CO、CO2、 CH4，采用TCD测定；采用第一色谱柱分离SF6/CF4混合气体分解产物中的SOF2、SO2F2，采用FPD测定；

第二色谱柱13主要用PorapakQ填充柱，适合粒度目为40-60，柱长为10～40m，柱内径 3mm，柱前压为15psi-25psi；采用第二色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的空气、CO2、CF4、C3F8、SOF2，采用TCD测定；

第三色谱柱15主要用GasPro系列毛细柱，柱长为30-50m，柱内径0.3mm，柱前压为 10psi-20psi；采用第三色谱柱主要用于分离SF6/CF4混合气体分解产物中的SO2、H2S、SO2F2，采用FPD测定；

所述的载气A选用纯度为99.99wt.％氦气为载气，载气A气流为10mL/min-15mL/min。

所述的进样设备，采用手动注射器进样或进样袋进样，进样过程中避免样品气污染。

本实用新型的检测设备中，火焰光度检测器的氢气D气源纯度达到99.9999wt.％以上，氢气D流速为35～45mL/min，空气C流速为130～150mL/min。

本实用新型的分析回路具有体积和流速控制功能。

各个色谱柱通过的载气气流通过稳压流量阀和流量计控制，载气流量为2.577mL/min，辅助压力为4.35psi，色谱柱柱前压分别为15psi-25psi、10psi-20psi，色谱柱在使用前应在120℃下通载气钝化处理4h，钝化处理后利用程序升温做一次空白实验，保证实验的准确性。

所述的TCD检测器温度为60℃，桥电流为80mA，载气流速为10mL/min-15mL/min；

所述的FPD检测器温度为150℃，载气流速为10mL/min-15mL/min；

本实用新型的SF6/CF4混合气体分解产物的检测过程为：通过控制第一阀门和第二阀门，控制待测样品通过第一色谱柱或第二色谱柱；

通过自动切换阀控制通过第一色谱柱的待测样品进入TCD检测器，分析CO、CO2、CH4；通过FPD检测器检测SOF2、SO2F2，切换第二阀门，使得待测样品通过第二色谱柱和第三色谱柱，通过自动切换阀切换TCD检测器检测CF4、CO2、C3F8、SF6气体，FPD检测器检测 H2S、SO2。

一种SF6/CF4混合气体分解产物的检测方法，采用上述装置，包括以下步骤：

(1)载气和取样：选用纯度为99.99％氦气为载气，载气气流为10mL/min-15mL/min，通过载气干燥管1排除气体中微水微氧对实验的影响，通过三个稳压阀和三个流量计控制载气气流。采用手动注射器进样或采样袋进样，以减少进样过程中的反应及污染。

(2)采用气相色谱仪对样品进行分析检测，色谱分析的具体步骤为：

1)冲洗定量管、取样：

初始位置时，自动切换阀中的1与2，3与4，5与6接通，载气A通过自动切换阀，通过第一条载气路，多次冲洗TCD检测器18，通过第二条载气路，经过自动切换阀中的3和4，多次冲洗FPD检测器19，从而排尽管道中残留的气体。

阀门1和阀门2均处于打开状态，样品气B通过第一阀门21进入第一定量管5，同时，样品气B通过第二阀门22进入第二定量管12，多次冲洗定量管，排尽管道中残留的气体，待测样品通过进样口进入定量管中准备分析，此时仪器的连接如图1所示，第一六通阀4、第二六通阀11线路关闭，样品停留在定量管中，并未通过色谱进样口进入仪器进行分析；

2)进样：如图2所示，将第二六通阀11开启，将第二定量管12连接到第三条载气路中，第三六通阀14关闭，隔离阀16连接到第三条载气路中，通过载气A将第二定量管12中的气体吹入第二色谱柱13中，自动切换阀17中的连通口5和2，3和4，1和6分别接通，第二定量管12中的待测样品通过TCD检测器，测量样品气中的空气、CF4、CO2和SF6气体；

3)检测分析：如图3所示，待第二色谱柱12中SF6出峰完毕，将第一六通阀4处于开启状态，第一定量管5连接入第一条载气路，载气A将第一定量管5中的待测样品吹入第一色谱柱6中，第二阀门22处于关闭状态，自动切换阀17动作，此时，自动切换阀17中的连通口1与2，3与4，5与6分别连接，第一色谱柱6分离出的CO、CO2、CH4进入TCD检测器中进行检测；其中，第一色谱柱6检测CO、CO2的标准色谱图见图5；

待第一色谱柱6中的CO、CO2气体出峰完后，切换自动切换阀17，此时，自动切换阀 17中的连通口1与4，3与2，5与6分别连接，将第一色谱柱6分离出的SOF2、SO2F2送入到FPD检测器19中，等待SO2F2出峰完毕后，将第一阀门21关闭；

第二阀门22开启，第二六通阀11工作，第二定量管12连接到第三条载气路中，第三六通阀14关闭，隔离阀16连接到第三条载气路中，此时，载气A将第二定量管12中的样品气B吹入到第二色谱柱13中进行分析，第二色谱柱13分离出的CF4、CO2、C3F8气体通过隔离阀由自动切换阀17(此时自动切换阀17的连通口2与5，1与6，3与4分别接通)送入到TCD检测器中，此时，对样品气B中的CF4、CO2、C3F8气体进行检测。

如图4所示，待第二色谱柱13中的CF4、CO2、C3F8气体出峰完后，将第三六通阀14 开启，将第三色谱柱15连接到第三条载气路中，此时自动切换阀17的连通口5与4，1与2， 3与6分别接通，将第三色谱柱15分离出的H2S、SO2通过自动切换阀17切换进入FPD检测器中检测。

检测SF6分解产物的标准色谱图见图6。

1)定量分析：采用外标法进行定量分析，TCD检测器18中各物质含量同出峰的峰面积线性相关，FPD检测器19中各物质的含量通过出峰的峰面积指数相关。

2)复位：待所有峰出峰完毕，第一六通阀4、和第二六通阀11复位至取样位置，自动切换阀17至起始位置，测量完成。重复上述步骤，平行测量样气至少两次记录色谱响应值，直至相邻两次测定的响应值相对偏差不大于10％。

由本实用新型测得的典型色谱可以看出，本实用新型的分析方法能够同时检测SF6/CF4混合气体在电弧作用下的分解产物CO、CO2、CH4、CF4、CO2、SOF2、SO2F2、C3F8、H2S、 SO2等杂质气体，分离效率高，可以为判断混合气体断路器气室故障提供判断依据。