SF6微水含量在線自動檢測技術的研發

樊小鵬，周永言，李麗，唐念，黃成吉

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

?

SF6微水含量在線自動檢測技術的研發

樊小鵬，周永言，李麗，唐念，黃成吉

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

摘要：針對傳統SF6氣體微水檢測方法在精確度、安全性等方面存在不足的問題，研發了一種新的SF6微水在線檢測系統。為此，論述了該系統的結構、工作原理，研究在線采樣系統的采樣回充效率、氣體泄漏率以及微水采樣等方面的性能。所得試驗結果表明：該系統在不同采樣條件下，采樣回充效率均能滿足使用要求，且微水檢測值與微水檢測儀檢測值具有良好的一致性。

關鍵詞：SF6氣體；微水含量；在線檢測；可編程邏輯控制器(PLC)

SF6氣體作為一種重要的絕緣介質已被廣泛用于各種電氣設備中，如SF6氣體絕緣全封閉組合電器電器(gas insulated switchgear, GIS)、SF6電流、電壓互感器及SF6斷路器等。然而，在高壓環境下，微量的雜質對SF6氣體的性質影響很大，特別是水分的含量，直接影響到SF6氣體的絕緣性能及電弧分解產物的特性[1-5]。因此，為保證電氣設備的安全、穩定運行，對SF6電氣設備中SF6氣體微水含量實時在線分析、檢測具有非常重要的實際應用價值。

目前，我國電力行業對SF6微水檢測一般采用離線式檢測方法，遠不能滿足實時檢測的要求，且測定方法費時、費事，還產生廢氣，對環境和人員的危害也較大。目前的在線式微水檢測方法一般是將檢測探頭安裝于GIS設備的取氣口處進行，由于GIS取氣口處存在死體積以及取氣口與GIS氣室內的氣體循環性較差等問題，該方法經常出現采樣代表性不足的問題[6-8]?；诖?，本文研發了一套新的SF6微水自動在線檢測系統，通過采集氣體、檢測與回充過程來實現對GIS設備中SF6氣體微水含量的實時在線檢測，能滿足實時在線檢測的目的，同時也不會造成氣體浪費。

1SF6微水在線檢測儀

1.1系統結構

SF6微水在線檢測系統的總體構造如圖1所示。

PLC—可編程邏輯控制器， programmable logic controller的縮寫；V1—V7為閥門。圖1　SF6在線采樣結構

從圖1可知，SF6微水在線檢測系統主要由SF6在線采樣氣路控制模塊、檢測分析模塊和SF6在線控制系統模塊3大部分組成。具體分析如下：

a) 氣路控制模塊。主要用于GIS設備中SF6氣體的采集、檢測以及SF6氣體的回充控制等，主要由氣路、電磁閥、真空泵、往復式氣缸(存儲氣體用)等部件組成。

b) 檢測分析模塊。主要用于檢測SF6氣體中的微水含量，包含1個露點傳感器、壓力傳感器、1個溫度傳感器和信號處理器，隨時根據實時檢測到的SF6氣體的溫度、壓力和含水量結果進行修正，然后將結果反饋給控制單元。

c) 在線控制系統模塊。主要包含PLC控制系統和人機交換平臺，它將檢測指令傳遞給PLC控制系統，PLC控制系統根據指令執行檢測具體功能，并將檢測狀態和結果反饋給人機交換平臺。

1.2分析過程

系統的氣體檢測分析過程如下：

a) 抽真空。為防止系統中存在的氣體對待檢測氣體的干擾，系統執行抽真空功能，去除原系統的雜質氣體，如圖2所示。閥門V1、V3、V4和V7關閉，V2、V5、V6打開，真空泵啟動，將系統內的氣體抽真空，當系統內氣壓達到一定值時，真空泵關閉，所有閥門處于關閉狀態。

圖2　抽真空流程

b) 檢測。PLC模塊控制氣路系統，控制GIS設備中的SF6氣體進入檢測分析模塊進行檢測，檢測完成后的氣體進入不銹鋼氣缸存儲。如圖3所示，閥門V1、V3、V4和V5打開，其余全部關閉，真空泵停止運行，往復式氣缸電動機啟動，采集SF6設備中的氣體進入微水在線分析儀進行分析，檢測完成后的氣體進入不銹鋼氣缸存儲。

圖3　采樣流程

c) 回充。待采氣量達到預定值后，系統將氣缸的氣體重新回充原GIS設備，以防止氣體排放所造成的環境污染。如圖4所示。

圖4　氣體回充流程

圖4中，閥門V1、V2和V5打開，其余全部關閉，真空泵停止運行，往復式氣缸電動機啟動，推動氣缸內的氣體進入原SF6設備內，整個過程中，SF6氣體不進入分析模塊。

2SF6微水在線檢測儀試驗方法

2.1氣路系統試驗

氣路系統試驗主要用于研究該SF6在線采樣系統的氣體回充效率以及重復性等性能。試驗裝置如圖5所示。

圖5　氣路系統試驗回路

從圖5可知，在GIS氣室接樣口處設置電磁閥1個，壓力表1個(瑞士KELLER，ECO1；量程為0.001 ～ 40.000 MPa)，在SF6檢測系統中安裝壓力表1個(SMC，PSE300數字式壓力表；量程-0.1～1 MPa)。氣體回充效率

(1)

式中：p1為GIS氣室采樣開始前的壓力，MPa；p2為系統完成氣體檢測，尚未回充時GIS氣室的壓力，MPa；p3為GIS氣室采樣完成后的壓力，MPa。

2.2微水檢測比對試驗

2.2.1試驗方法

微水檢測比對試驗方法如圖6所示。

圖6　微水檢測試驗流程

SF6在線檢測系統和微水分析儀同時采集GIS氣室產生的SF6氣體，并記錄其檢測到的不同微水值。

2.2.2一致性評價方法

3SF6微水在線檢測儀試驗結果

3.1氣路系統試驗

3.1.1采樣體積不同的影響

在模擬GIS氣室壓力為0.4 MPa的情況下，不同采樣體積對SF6在線采樣系統采樣回充效率的影響結果見表1。

表1不同采樣體積回充試驗結果

序號標準狀態采樣體積/L氣體回充效率/%10.5710020.9110031.1410041.5510051.9510062.26100

表1顯示在系統采樣體積(標準狀態，下同)從0.57 L增加到2.26 L的工程中，SF6在線采樣系統檢測氣體的回充效率均能達到100%，說明SF6在線采樣系統回充效率不受采氣量大小的影響。

3.1.2氣室大小不同的影響

在采樣體積為0.91 L的情況下，模擬GIS氣室壓力為0.45 MPa，當模擬GIS氣室體積為1 L、8 L、20 L和40 L時，在線采樣系統回充效率的影響結果見表2。

表2不同氣室體積的回充試驗結果

序號氣室大小/L氣體回充效率/%111002410038100420100540100

表2顯示對于不同大小的GIS氣室，采用本項目研發的SF6在線檢測裝置，單次采樣回充效率均能達到100%。說明該SF6在線采樣系統可適用于變電站不同大小GIS氣室的在線檢測分析。

3.1.3重復性試驗

在標準狀態采樣體積為0.91 L的情況下，模擬GIS氣室壓力為0.45 MPa時，使用SF6在線檢測系統對模擬GIS氣室進行連續多次采樣檢測，重復性次數對該系統氣體回充效率的影響結果見表3。

表3回充重復性試驗結果

序號連續采樣次數氣體回充效率/%111002510031010041510052099.994

表3顯示當系統連續采樣次數大于20次時，氣體回充效率為99.994%，即在連續20次的采樣過程中，有約0.006%的氣體泄漏。根據GB 11023—1989《高壓開關設備六氟化硫氣體密封試驗方法》規定GIS設備每年1%的泄漏率要求，對于20 L、0.4 MPa的GIS氣室，使用該系統可以連續采集約2 000次，完全能達到在線檢測GIS設備SF6氣體組分變化的目的。

3.1.4氣體泄漏率試驗

SF6在線分析系統在一定階段會執行抽真空功能，這時系統管路處于負壓(小于0.1 MPa，絕對壓力)狀態，理論上可能會造成高壓空氣向系統內泄漏，而泄漏率試驗就是反映空氣向SF6在線采樣系統的泄漏指標。為進行SF6在線采樣檢測系統的泄漏率試驗，采用1.02 L模擬GIS氣室，連續檢測5次、10次、20次，并采用GC-14CPTF氣相色譜儀(純度精度：±1%)對模擬GIS氣室內的氣體純度檢測，以模擬GIS氣室內SF6氣體純度的變化來反應SF6在線采樣檢測系統的泄漏率。試驗結果見表4。當連續采樣次數為5次時，采樣結束后GIS氣室內SF6的體積分數約為0.002 9%，但連續采樣次數為10次、20次時，采樣結束后GIS氣室內SF6的體積分數卻變大，分別為0.002 7%和0.015 8%，遠低于±1%的精度值。由此可知，當SF6在線采樣檢測系統進行氣體檢測時，不會發生空氣向SF6在線分析系統內的泄漏。

表4　氣體泄漏率試驗結果

3.2微水檢測比對試驗結果

圖7　B-A一致性分析圖

如圖7所示，所有散點中有95.23 %(1/21)的散點位于95 %的一致性界限以內，滿足B-A一致性評價的第一條件。SF6在線檢測系統微水檢測值M與微水分析儀檢測值N的95%的一致性界限為(-2.3, 1.3)Td/℃，且政治性界限內所有的點均位于實際中可接受的(-2, 2)Td/℃范圍，表明SF6在線檢測系統微水檢測值M與微水分析儀檢測值N具有良好的一致性，兩種檢測方法可以互相代替。

4結論

本文研制的SF6微水在線檢測系統極大提高了高壓電氣設備微水檢測的準確度和安全性，并得到如下結果：

a) 采樣、分析和回充的操作過程中，該系統在不同采樣體積、不同氣室大小和連續性重復試驗中的氣體回充效率均能達到國家有關標注要求；

b) 通過SF6氣體在線檢測裝置的泄漏率試驗發現，在連續采樣過程中，不會造成高壓空氣向系統內部泄漏的問題；

c) 水檢測比對試驗結果表明，SF6在線檢測系統微水檢測值與微水分析儀檢測值具有良好的一致性，兩種檢測方法可以互相代替。

參考文獻：

[1] 莊建煌, 柯敏, 秦偉. 高壓電氣設備中SF6氣體密度和微水的在線監測方法研究[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(8): 2065-2067.

ZHUANG Jianhuang, KE Min, QIN Wei. Research on SF6Gas Density and Moisture Online Monitoring for High-voltage Apparatus[J]. Computer Measurement Control, 2013, 21(8): 2065-2067.

[2] 呂鎮庭. 基于露點的SF6室內微水在線監測儀的設計[J]. 電子測量技術, 2010,33(8)：96-98.

Lü Zhenting. Design of Moisture Content in SF6On-line Monitoring Instrument Based on Dew Point[J]. Electronic Measurement Technology, 2010,33(8)：96-98.

[3] 王宇, 李智, 程諾偉, 等. 電力行業用六氟化硫質量控制探討[J]. 廣東電力, 2009, 22(10): 16-23.

WANG Yu, LI Zhi, CHENG Nuowei, et al. Discussion About Quality Control of Sulfur Hexafluoride Used in Electric Equipment[J]. Guangdong Electric Power, 2009, 22(10): 16-23.

[4] 唐炬, 裘吟君, 曾福平, 等. 局部放電下微水對SF6分解組分的形成及其影響規律[J]. 電工技術學報, 2012, 27(10): 13-18.

TANG Ju, QIU Yinjun, ZENG Fuping, et al. Formation Mechanism and Influence Rules of Trace Leves H2O on SF6Characteristic Decomposition Components Under Partial Discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(10): 13-18.

[5] 陳輝, 朱廣名, 安向陽. 10 kV環網柜SF6氣體在線監測技術研究與系統開發[J]. 廣東電力, 2013, 26(3): 65-68.

CHEN Hui, ZHU Guangming, AN Xiangyang. Study on SF6On-line Monitoring Technology for 10 kV Ring Main Unit and System Development[J]. Guangdong Electric Power, 2013, 26(3): 65-68.

[6] 吳曉春. SF6微水在線監測裝置在變電站的應用[J]. 上海電力, 2011, (1): 96-98.

WU Xiaochun. Application of SF6Water on-line Monitoring Device in Substation[J]. Shanghai Electric Power, 2011(1): 96-98.

[7] 趙鑫, 徐元哲. 六氟化硫斷路器微水檢測裝置的研究[J]. 工程與試驗, 2009, 49(1): 55-57.

ZHAO Xin, XU Yuanzhe. Study on SF6Breakers Micro-water Examination Device[J]. Engineering Test, 2009, 49(1): 55-57.

[8] 李明蕓, 江秀臣, 趙子玉,等. 組合電器中微水含量在線監測試驗研究[J]. 高電壓技術, 2004, 30(3): 32-33.

LI Mingyun, JIANG Xiuchen, ZHAO Ziyu, et al. Study on the On-line Humidity Monitoring of SF6Gas in GIS[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(3): 32-33.

[9] 李鎰沖, 李曉松. 兩種測量方法定量測量結果的一致性評價[J]. 現代預防醫學, 2007, 34(17)：3263-3269.

LI Yichong, LI Xiaosong. Evaluation on Different Assessment Methods of Consistency of Quantitative Measurements[J]. Modern Preventive Medicine, 2007, 34(17)：3263-3269.

[10] 李榮娟, 蘇武錦. Bland-Altman分析法在臨床檢驗方法比較的實例應用和繪圖介紹[J]. 國際檢驗醫學雜志, 2013, 34(20): 2727-2729.

LI Rongjuan, SU Wujin. Bland-Altman Example Application and Drawing Introduction of Analysis Method in Clinical Examination[J]. International Journal of Laboratoty Medicine, 2013, 34(20): 2727-2729.

樊小鵬(1986)，男，山西洪洞人。工程師，工學博士，主要從事電力環境保護工作。

周永言(1964)，男，湖南湘鄉人。教授級高級工程師，工學碩士，主要從事發電廠化學分析、鍋爐及設備保護、燃煤分析、變電站保護工作。

李麗(1971)，女，江西全南人。教授級高級工程師，工學碩士，主要從事電力環境保護，SF6清潔生產和職業衛生相關工作。

(編輯王夏慧)

Research and Development of Online Automatic Detection Technology for SF6Micro-water Content

FAN Xiaopeng, ZHOU Yongyan, LI Li, TANG Nian, HUANG Chengji

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

Abstract：In allusion to existing deficiencies of traditional detection method for SF6 gas micro-water in precision, security, and so on, a kind of new online detection system for SF6 micro-water is studied and developed. This paper discusses structure and working principles of this system studies performances including sampling return filling efficiency, gas leakage rate, micro-water sampling, and so on. Experimental results indicate that under different sampling conditions, sampling return filling efficiencies of the system could satisfy operating requirements and the detection value of micro-water has good consistency with that of detector.

Key words：SF6 gas; micro-water content; online detection; programmable logic control

作者簡介：

中圖分類號：TM 938.82

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0059-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.012

收稿日期：2014-12-08