摘要：在SF6电气设备发生故障时，会导致SF6分解，产生气体分解产物，可以利用对SF6分解产物浓度的检测，来诊断SF6电气设备故障。虽然检测SF6分解产物浓度的方法有多种，但要实现对微量SF6分解产物准确检测非常困难，本文阐述氦离子检测器在微量SF6分解产物检测方面的应用。
关键词：氦离子检测器；SF6分解产物；SF6电气设备故障诊断
1 SF6分解产物浓度检测方法与难点
1.1 SF6分解产物浓度检测方法
在科学技术的不断进步之下，SF6分解产物浓度检测的技术手段越来有多，常用的主要有比色管法、电化学法、实验室气相色谱质谱检测法、动态离子分析法以及傅里叶红外线光谱法、现场便携气相色谱法等，其中，现场便携气相色谱法综合了实验室台式气相色谱准确性高、重复性好和比色管法、电化学法现场使用方便、快捷的优势，具有更好的应用效果。
（1）SF6分解产物浓度检测难点
首先，在SF6气体绝缘设备中，SF6含量很高（几乎接近100%），由于故障因素产生的SF6分解产物含量很低，不容易被准确检测。
其次，在SF6气体分解产物中，有许多种产物的化学性质并不稳定，比如氟化物和硫化物，遇到水、空气时，都会发生化学反应，改变SF6分解产物的成分和浓度，比如SOF2在水作用下会产生HF、SO2；HF则容易与金属、绝缘材料等发生反应，形成氟化物，对SF6气体分解物的检测带来不便。
2 氦离子化检测器的工作原理与优势
2.1 工作原理
氦离子化检测器（PDHID）包括两个组成部分，分别是放电室与电离室，放电室的电离源是来自氦中稳定、低功率的脉冲放电，脉冲电压作用于放电电极上之后，电极之间会出现放电现象，产生高能紫外光束；同时，在电极的放电作用下，高纯氦气中的氦原子（He）会被激发生成氦离子（He+）（24.5eV）与亚稳态氦原子（He*）（19.8eV）。
放电室的高能紫外光束会与He*一起进入到电离室中，在两者单独或者共同作用下，使进入电离室的色谱柱分离后气体中的被测组分发生电离，电离的离子会被电离室中的电极吸收生产电流，电流大小与被测组分浓度成正比，对电流进行放大处理后就能够得到被测组分浓度的谱峰信号。
在整个检测器工作过程中，存在的反应有：e+He→He*+e´；e+He→He++2e´；He*+He*→He++He+e´；He++AB→He+AB++e´；He*+AB→He+AB++e´；e+AB→AB++2e´。在上述反应式中，He++、He*+分别是处于激发态的氦离子与亚稳态氦原子，e、e´分别是高能电子和降低能后的电子；AB是被测组分的分子或原子。
2.2 优势
氦离子化检测器是一种非放射性检测器，在气体杂质检测的灵敏度方面，PDHID可以达到5ppb级（ng/g），是唯一能够实现ppb级检测的检测器，而氩离子检测器（ArD）、氧化锆检测器（ZrO2）以及热导检测器（TCD）分别只能实现0.05ppm、0.1ppm以及5ppm以上浓度杂质的检测。
在通用性方面，PDHID与TCD都属于通用型检测器，但PDHID对于各种无机物、有机物都有灵敏度很高的正响应，对绝大多数高纯气体中微量杂质气体检测都较为适用。ArD和ZrO2都是选择性检测器，前者检测的对象只是氩气组分，后者只能检测气体的四种杂质，分别是CO、CH4、O2、H2。
3 氦离子化检测器在SF6气体分解产物检测中的应用
3.1 高纯SF6气体的杂质分析
氦离子化检测器则能够对SF6分解产物中的各种微量成分都可以作出线性响应，可以满足高纯SF6气体的杂质分析的需求。以某SF6分解产物体积检测实验为例，TCD、FID以及PDHID的检测结果如表1和表2所示。
表1：三种检测器检测结果对比
表2：PDHID中各种气体检测限（单位：ppb）
3.2 氦离子化检测器在微量SF6分解产物检测中的应用
在SF6电气设备故障中，SF6分解产物的组分有十多种，PDHID氦离子化检测器对其均有良好的响应，检测时必须先对目标组分进行有效分离，因此，色谱分离系统的分离度高低决定着SF6分解产物检测的成败。目前对SF6分解产物的色谱分离有许多种流程，不同的流程分离效果差别很大，下面介绍一种新的使用氦离子化检测器SF6分解产物的色谱分离流程：
该系统检测流程见图一：该分离系统采用3路进样分析，通过已设置好的时间程序全程自动控制阀切换，实现各组分的有效分离；
首先，第一路样气进样后，样品由十通阀1经定量管切入进样气路，经硅胶柱1与硅胶柱2分离出CF4、CO2、C2F6、C3F8等组分先进入检测器1检测，然后切换十通阀1进行反吹将硅胶柱1中高浓度的SF6组分排空，同时载气将硅胶柱2中分离出的C4F10、SO2F2、H2S、COS等组分样带入检测器1检测。
其次，第二路样气通过十通阀2经定量管切入进样气路，经硅胶柱3与5A分子筛柱分离保留时间在SF6前的永久性气体如H2、O2、N2、CO等；再切换十通阀2进行反吹将硅胶柱3中的SF6组分排空。
图一
最后，第三路样气通过六通阀1经定量管切入进样气路，待样品中的SF6组分保留时间过后，将六通阀2从排空状态切换至检测器2回路，进入毛细管柱分离出的CS2、SO2等组分流入检测器2中进行检测。
在气路系统中，3路样气是同时取样，但进样的时间是依据整个组分分布顺序排列的。同时分离过程中需要切除SF6组分，以避免高含量SF6对C3F8、SO2F2等组分的干扰，提高C3F8、SO2F2等组分检测的灵敏度，实现组分在有效分离条件下的快速分析，为实验测试提供重大便利。
图二 设备状态控制图
在气路系统中，搭载了4个切换阀与5个色谱分析柱，在两个PDHID检测器的组合下，实现一次进样能对多种组分进行同时检测，也使原本用单一的检测器分析时需要几个小时的组分，实现快速出峰。把该气路系统应用于便携设备，较传统的台式色谱仪在样品气提取方面更为便利，样品消耗量降低，对组分检测带来巨大的便利，对一些地理位置偏远的变电站的故障测试提供更为便利的检测。
在软件分析系统中，通过PC机进行下位机的设备状态控制，实现整体的过程控制（过程控制见图二），从而进行组分的分离；图三、图四是氦离子检测器样品检测色谱图谱及检测数据；
图三 氦离子化检测器样品检测色谱图谱
图四 氦离子化检测器样品检测数据
4 结语
综上所述氦离子化检测器对微量SF6分解产物检测有着较好的效果，几乎能检测SF6电气设备内气体的所有组分，且检出限可达到10-9级，在灵敏度、通用性等方面都高于其它方法，对提高微量SF6分解产物检测水平和保障SF6电气设备安全运行有重要意义。
