SF6微水含量在线检测系统的研发

宁进荣

【摘 要】 SF6开关因为SF6优良的绝缘性和稳定性近年来得到了快速推广应用，已经全面取代原来的油开关。但以SF6作保护气一个最重要的前提是，SF6须非常的干燥，否则可能会引发严重的生产事故。由于开关柜密封的原因，SF6和空气中的水分是不断相互渗透的。为保证安全，必须经常地对SF6中的微水含量进行检测。传统的做法是，定期对SF6进行采样分析。这种做法不仅SF6消耗大，工作量大，更重要的是不能及时发现问题。我们使用电容类湿敏元件做传感器，设计开发出在线的SF6微水含量分析系统，以实时地对开关柜中的SF6的工况进行监控，并能较准确地反映出SF6的露点、含水量、密度、压力及温度等参数，一经发现，及时报警，将事故消灭于萌芽中。

【关键词】 六氟化硫开关 微水含量 在线监测

【Abstract】 Famous for its good insulation and stability， SF6 Gas Insulation Switch is widely and rapidly applied these years， fully in replace of original oil switch. The most important premise for using SF6 as protective gas is that SF6 must be very dry， otherwise， it may cause serious accident. As the switch cabinet is closed， SF6 and water in the air is inter-infiltrated constantly. For security reason， the micro-water in SF6 must be checked constantly.Traditionally， sample analysis of SF6 will be done on a regular basis， the approach with take big workload and consume lots of SF6， but cant find problem in time. Now， we applied capacitance type humidity sensor， and developed on-line micro-water of SF6 analysis. By telling the parameters， such as drew point， water content， density， pressure and temperature， etc， SF6 in switch cabinet can be monitored in time and properly， Once a problem found， a timely alarm will be reported， and any possible accident will be nipped in the bud.

【Key words】 SF6 Gas switchgear； Moisture Content；On-line Monitoring

十二五规划中，我国提出要大力发展智能电网，电力系统向超高压、大电网、大容量和自动化方向发展，用于关合及开断电力线路，以输送和倒换电力负荷以及从电网中退出故障设备以保证系统安全运行的高压开关就显得尤为重要了。我们拟研发的SF6微水含量在线分析系统，也是顺应这个规划，为电网智能化，提供带智慧的信息。对高压开关的SF6微水含量进行实时的连续测量，可以及时地监测出高压电气设备保护气体SF6出现的泄漏、水含量超标等事件，进而将可能影响电网安全运行的因素消灭在萌芽之中，从而保护电气设备的安全。纯净的SF6，在高压开关的运行过程中，受电弧放电或高温后，会分解成单体硫、氟以及氟硫化合物：

正常情况下，当电弧或高温条件消失后，分解成的物质又会合成稳定的SF6气体。

SF6无色、无味，无毒，属于惰性气体，对人对设备均无害。而如果SF6气体中含有水分的话，那怕只是微量水分时，受电弧或高温分解产生的SF4就会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、氟氧化硫以及其他毒性很强的化学物质：

SOF2和HF都属于剧毒物质，严重危及维护人员的生命安全。同时SOF2和2HF还是强腐蚀物质，对断路器的绝缘材料或金属材料可造成严重的侵蚀，使得绝缘老化，甚至可导致设备爆炸的危险。

因此监测SF6气体中的微水含量，显得特别的重要。目前监测SF6气体中的微水含量，国内多采用“在线抽取样气、离线标准测量”的方式进行，即：先将样气从高压开关中抽出来，然后使用微水仪进行测量。测量原理主要有重量法、电解法、露点法、振动频率法以及阻容法等等。这些测量方法虽各有千秋，但都有相同的致命的缺点：（1）气体微水测试仪的不同及测试技术上的差别，对测量结果影响很大；（2）抽取和检测气体时存在较大的人工误差，而且样气进入检测装置前后周围环境对湿度的最终结果影响极大；（3）从取样到实验室或进便携式分析仪进行分析，作业流程复杂，花费的时间和费用较高，在技术经济层面已不能适应电力系统发展的要求；（4）检测周期长，不能及时发现设备的潜在隐患和进行有效的跟踪监测，从而使得运行人员无法随时掌握开关设备的运行状况，给电网安全运行带来隐患。

鉴于以上的诸多不足，人们开始寻找别的方法可以替代这些传统的方法。我们研发微水在线检测系统就是在此背景下因应而生的。它充分利用了当代先进的、由高分子材料制成的温湿度传感器和湿度元件，通过计算、补偿达到对ppm级别水分的精确测量。

1 开关SF6微水含量的在线检测系统的设计

1.1 系统拟达成的目标

本微水测量系统，拟在实时测得SF6微水含量、露点以及温度压力等参数的基础，还将对这些的数据实时进行分析、运算、补偿、归档及报警，此外，还能远程实时地将数据传输至其它电网电站的管理系统，让操作及管理人员能实时得得知各受监控设备的实际情况和状态，以便采取相对应的策略来保障电网的稳定和设备的安全。

1.2 主要工作内容

SF6保护气中微水含量检测能否取得成功，首先是湿度传感器是否选择得当。因为被测对象中所含的水蒸汽湿度值相对于被测对象来说数量极其微小而且又特别难于均匀作用于湿敏功能材料的表面上，所以水分含量的测量非常之不易，同时，湿度又受外界的影响很大，尤其是对于微量水分的测量，要做到精确，稳定，难度不少。目前市场上，在线湿度测量的湿敏元件众多，按测量原理区分，计有两大类：电阻式和电容式。电阻式是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当气体中的水蒸气吸附在感湿膜片上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测得湿度。电阻式价格便宜，但一般用于空气中湿度的等测量精度要求不高的场合，对ppm级的微水测量基本不能使用；而电容法采用的湿敏元件则是电容，湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当气体湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与待测湿度基本成正比。湿度敏感器件的选取，更应重点考虑如下特征参数：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、以及感湿特征量——湿度的特征曲线，并充分处置好这些因素的影响，才可能在实际测量中能得到一组接近实际工况的数据。本系统中，满足ppm级的稳定测量只能选用电容式的湿敏元件。

1.2.1 湿度传感器的湿感元件的选取

图1是电容类湿度传感器的感湿特性曲线：

由图1可见输出的湿度和测得的电容变化也不完全是线性关系，而且环境温度不同，特性曲线也不同，所以由湿敏元件所得出的初始湿度，和实际湿度有时候会有较大的差别，不能完全反应实际的工况。另外，从图2可以看出，湿滞回差对测量的结果也有极大的影响：

因此在选择湿敏元件时应尽量选用线性度好的、湿滞回差小的电容类湿敏元件。聚酰亚胺湿度传感器，采用的就是电容类湿敏元件，因为其在低湿度测量方面的精确度高，稳定性优，重复性好而被当作微量湿度测量的最佳选择，但其缺点是成本稍高。聚酰亚胺湿敏元件是一种由高分子功能材料制成的电容类湿感的传感器，经实际检验，其具有如下良好性能和特征：

（1）使用寿命长，长期稳定性好；（2）灵敏度高，湿敏特性曲线的线性度好；（3）使用范围宽、湿度温度系数小；（4）响应时间短；（5）湿滞回差小；（6）能在有害气氛的恶劣环境中使用；（7）可以连续在线工作；（8）器件的一致性和互换性好。

芬兰VAISALA公司基于聚酰亚胺电容湿敏元件，开发出SF6气体专用的DPT145湿度密度多参数变送器。DPT145湿度密度多参数变送器（见图3），性能优异，功能强大：

测量参数：露点、压力、温度；计算参数：SF6气体密度、标准化密度（以压力表示）、常压下露点和湿度ppm体积比；在线高可靠性，稳定性，测值的一致性。

参数SF6在线变送器DPT145内部功能如下图4所示：

DPT145内置有中央处理单元（CPU），具有较强大的数据处理和分析判别能力，可结合温度传感器测得的工作温度及压力传感器测得的当前压力，来对露点数值进行环境温度的补偿，判断是去湿还是加湿过程来修正电容系数等，使露点测量的误差可在2%以内。同时，根据测得的数据，DPT145还可以算出当前SF6的密度等重要数据，密度比压力在监测SF6泄露更敏感，更快速，因而十分之重要。这些数据最后是以串行通信的方式传送到上位管理计算机。

1.2.2 采样点的选择

采样点一定要选择是SF6成分具有代表性的那个点，否则即便传感器选择的再合适，照样会导致整个测量系统的失败。据现场实地查看，最终在XX供电局下属冠鹏变电站选择了10台云开110KV开关柜作为试验地。下图5 为DPT145安装后的情形：

DPT145变送器安装于SF6气室的底部，由图5中可见，DPT145前头加装了一个DILO的接头。

1.2.3 计算机管理系统的开发

（1）计算机管理系统对湿度的计算补偿；计算机管理系统首先须能将现场多参数检测器DPT145检测来的压力下的露点正确地转换成标准状态下的相对湿度。湿度的计算方法很多，每种方法都对某一确定的范围精确度较高。例如应用最为普遍的方法是水面下饱和水汽压法则，它的精确度保证范围在-60～60℃之间：

式子中，Ew：为饱和水汽压；

T：混合气体的（SF6及水份）绝对温度；

实际水压公式为：

式中，Pw： 为实际水汽压；

r：混合比；

压力为P，温度为T 的混合气体的压力。

则，混合气体的相对湿度，可表示为：

上述运算不算复杂，但难的是精确地确定式中的r的值。

在本系统中，充分应用管理计算机的优势，我们设计为直接查表法来求得精确的湿度，转换分为两步：

首先将压力下的露点转换为标准状态下的露点，其补偿公式如下：

TdS=k* TdP+b

TdS和TdP分别代表的是标准状态下的露点和压力状态下的露点。k和b是两个常数，这两个常数和混合气体的压力有关，下表分别是各压力状态的转换公式：表1所示：

对于表1中所没有的压力，我们采用的是线性差值补偿的方法。比如，假定混合气体的绝对压力为0.55MPa，其换算步骤如下：

查得P1=0.5 MPa下的k1=0.7891，b1=-21.5495；查得p2=0.7 MPa下的k2=0.7642，b2=-24.1795；计算p=0.55MPa下的k=k2-（k2-k1）*（p2-p）/（p2-p1）=0.7829；b=b2-（b2-b1）*（p2-p）/（p2-p1）=-22.1935。

得到P=0.55MPa下的补偿公式为：

TdS=0.7829*TdP-22.1935

式中，TdP 是现场检测器传送过来的压力露点，TdS是转换后的标准状态下的露点。得到这个标准状态下的露点后，还需要转换为标准状态下的湿度。

露点转湿度，我们设计为查表方式。下表 2 为SF6混合水分的露点——湿度：

露点由上述第一步骤计算而来，管理计算机利用这个露点，直接查出对应的湿度。上表2中只显示出整数的露点，对非整数的露点，我们设计为差值法线性化的方法，比如假设DPT145检测得到的露点为Td =-27.3℃，此时，我们的处理方法是：查表Td1=-27℃，对应Rh1=592.2，再查表Td2=-28℃，对应Rh2=542.2，则Td =-27.3℃对应的湿度计算为：

Rh=Rh1-（Rh1-Rh2）*（Td1-Td））/（Td1-Td2）=577.14所有数据，经过同公式法计算而来的数据对比，误差率在0.5%以内。

（2）计算机管理系统的后台功能；本微水在线检测系统管理计算机以微软公司的windows xp作为系统软件，组态软件则为组态王kingview6.55版。

本监控系统具备如下的功能：一、实时数据采集与处理；二、控制操作、保护和同步检测；三、实时的运行监视和报警处理；四、在线计算及制表打印；五、丰富的人机界面；六、完备的运行管理功能等。

本微水在线检测系统框图6如下：

管理计算机是通过一块MOXA通信卡，采用串行通信的方式，用一对通讯总线，接受所有DPT145变送器传送过来的所有实时数据。管理计算机对得到的SF6气体的温度、湿度、压力、密度等数据进行甄别、报告、存档，并利用这些数据，实时地对SF6气体绝缘状况的进行评估，而对压力（密度）的监测能够迅速探测到突发泄漏及微量泄露，同时在线露点测量将实时提醒可能削弱SF6气体绝缘性能、导致现场情况迅速恶化的水分湿度问题。

2 项目实施成果

2.1 实现的功能

本项目实施投运后，到目前为止已在线运行近5个月时间。项目基本按照预期，达成了最初设定的目标：

（1）同时在线监控10台SF6保护气中微水含量、露点、温度、压力及密度等参数，系统投运以来，从历史记录曲线上看，系统运行稳定、可靠，通过和便携式湿度分析仪相比较，测量的综合误差均控制在读数的2%以内；（2）可在管理系统中，查看SF6保护气中微水含量、露点、温度、压力及密度等参数的变化趋势，一边提前发现可能的问题，并及时提供操作人员予以处置；（3）所得到的数据全部由计算机自动分析处理，并对不正常情况进行提示报警，所得重要数据、设备状态等可以存盘长达一年，方便查询。同时系统可自动形成月日报表等；（4）将运行情况实时传送给电网调度系统及电网检测系统等；（5）监控软件满足用户各项功能的要求，为用户提供交互式的、面向对象的、方便灵活的、易于掌握的、多样化的查询、操作、设置、二次开发等功能，方便用户对图形、曲线、报表、报文进行在线的修改组态。（6）计算机监控系统开发出多种通信借口：主要是与调度中心的通讯接口IEC60870-103通讯规约；与智能设备通讯的Modbus协议；其他通讯协议OPC等。

2.2 管理画面

系统总貌及历史趋势图7：

2.3 数据比较

（1）下表 3数据是XX供电局冠鹏变电站SF6中微水含量，由校准设备所测得的值：

（2）下表4 数据是XX供电局冠鹏变电站SF6中微水含量，由本系统所测得的值：

通过以上数据比较，最大的测量误差是显示值的1.94%，全部低于2%，符合本系统开发时所设置的目标。

3 结论

由于水分对SF6开关的危害特别大，所以有必要设计出一套完整的、稳定的、比较精确的SF6中微水在线监测设备。在开发这套系统之初，我们广泛了调研了各类湿敏元器件，经过性能比较与分析，结合在线监测的技术要求以及气体环境对湿敏材料的要求，选择了高分子薄膜电容作湿敏元件。在确定使用高分子薄膜电容类湿敏元件后，从国内外众多供应厂家中，我们最终选择了业内最负盛名的VAISALA公司的DPT145多参数变送器作为湿度测量的设备。由于DPT145多参数变送器只需要一对通讯总线，再加一对电源线，就可以正常工作，这为我们免去了监控管理机侧的多块A/D转换模块，并节省了大量的电缆及这些电缆敷设所需要的工作量。

实践证明，DPT145多参数变送器性能稳定，安装简单，测量精度高，抗干扰能力强，完全能适合110KV开关柜中SF6保护气的监测。DPT145多参数变送器监测到的数据被送至监控管理机，由监控管理机对数据进行分析判别，对可疑情况及时提示报警，再由人工将事故消灭在萌芽状态。监控管理机还能通过IEC60870-103通讯规约将SF6的工况送给电网系统，为电网工作人员提供设备状况。

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