SF6微水含量在线自动检测技术的研发

樊小鹏，周永言，李丽，唐念，黄成吉

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



SF6微水含量在线自动检测技术的研发

樊小鹏，周永言，李丽，唐念，黄成吉

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

摘要：针对传统SF6气体微水检测方法在精确度、安全性等方面存在不足的问题，研发了一种新的SF6微水在线检测系统。为此，论述了该系统的结构、工作原理，研究在线采样系统的采样回充效率、气体泄漏率以及微水采样等方面的性能。所得试验结果表明：该系统在不同采样条件下，采样回充效率均能满足使用要求，且微水检测值与微水检测仪检测值具有良好的一致性。

关键词：SF6气体；微水含量；在线检测；可编程逻辑控制器(PLC)

SF6气体作为一种重要的绝缘介质已被广泛用于各种电气设备中，如SF6气体绝缘全封闭组合电器电器(gas insulated switchgear, GIS)、SF6电流、电压互感器及SF6断路器等。然而，在高压环境下，微量的杂质对SF6气体的性质影响很大，特别是水分的含量，直接影响到SF6气体的绝缘性能及电弧分解产物的特性[1-5]。因此，为保证电气设备的安全、稳定运行，对SF6电气设备中SF6气体微水含量实时在线分析、检测具有非常重要的实际应用价值。

目前，我国电力行业对SF6微水检测一般采用离线式检测方法，远不能满足实时检测的要求，且测定方法费时、费事，还产生废气，对环境和人员的危害也较大。目前的在线式微水检测方法一般是将检测探头安装于GIS设备的取气口处进行，由于GIS取气口处存在死体积以及取气口与GIS气室内的气体循环性较差等问题，该方法经常出现采样代表性不足的问题[6-8]。基于此，本文研发了一套新的SF6微水自动在线检测系统，通过采集气体、检测与回充过程来实现对GIS设备中SF6气体微水含量的实时在线检测，能满足实时在线检测的目的，同时也不会造成气体浪费。

1SF6微水在线检测仪

1.1系统结构

SF6微水在线检测系统的总体构造如图1所示。

PLC—可编程逻辑控制器， programmable logic controller的缩写；V1—V7为阀门。图1　SF6在线采样结构

从图1可知，SF6微水在线检测系统主要由SF6在线采样气路控制模块、检测分析模块和SF6在线控制系统模块3大部分组成。具体分析如下：

a) 气路控制模块。主要用于GIS设备中SF6气体的采集、检测以及SF6气体的回充控制等，主要由气路、电磁阀、真空泵、往复式气缸(存储气体用)等部件组成。

b) 检测分析模块。主要用于检测SF6气体中的微水含量，包含1个露点传感器、压力传感器、1个温度传感器和信号处理器，随时根据实时检测到的SF6气体的温度、压力和含水量结果进行修正，然后将结果反馈给控制单元。

c) 在线控制系统模块。主要包含PLC控制系统和人机交换平台，它将检测指令传递给PLC控制系统，PLC控制系统根据指令执行检测具体功能，并将检测状态和结果反馈给人机交换平台。

1.2分析过程

系统的气体检测分析过程如下：

a) 抽真空。为防止系统中存在的气体对待检测气体的干扰，系统执行抽真空功能，去除原系统的杂质气体，如图2所示。阀门V1、V3、V4和V7关闭，V2、V5、V6打开，真空泵启动，将系统内的气体抽真空，当系统内气压达到一定值时，真空泵关闭，所有阀门处于关闭状态。

图2　抽真空流程

b) 检测。PLC模块控制气路系统，控制GIS设备中的SF6气体进入检测分析模块进行检测，检测完成后的气体进入不锈钢气缸存储。如图3所示，阀门V1、V3、V4和V5打开，其余全部关闭，真空泵停止运行，往复式气缸电动机启动，采集SF6设备中的气体进入微水在线分析仪进行分析，检测完成后的气体进入不锈钢气缸存储。

图3　采样流程

c) 回充。待采气量达到预定值后，系统将气缸的气体重新回充原GIS设备，以防止气体排放所造成的环境污染。如图4所示。

图4　气体回充流程

图4中，阀门V1、V2和V5打开，其余全部关闭，真空泵停止运行，往复式气缸电动机启动，推动气缸内的气体进入原SF6设备内，整个过程中，SF6气体不进入分析模块。

2SF6微水在线检测仪试验方法

2.1气路系统试验

气路系统试验主要用于研究该SF6在线采样系统的气体回充效率以及重复性等性能。试验装置如图5所示。

图5　气路系统试验回路

从图5可知，在GIS气室接样口处设置电磁阀1个，压力表1个(瑞士KELLER，ECO1；量程为0.001 ～ 40.000 MPa)，在SF6检测系统中安装压力表1个(SMC，PSE300数字式压力表；量程-0.1～1 MPa)。气体回充效率

(1)

式中：p1为GIS气室采样开始前的压力，MPa；p2为系统完成气体检测，尚未回充时GIS气室的压力，MPa；p3为GIS气室采样完成后的压力，MPa。

2.2微水检测比对试验

2.2.1试验方法

微水检测比对试验方法如图6所示。

图6　微水检测试验流程

SF6在线检测系统和微水分析仪同时采集GIS气室产生的SF6气体，并记录其检测到的不同微水值。

2.2.2一致性评价方法

3SF6微水在线检测仪试验结果

3.1气路系统试验

3.1.1采样体积不同的影响

在模拟GIS气室压力为0.4 MPa的情况下，不同采样体积对SF6在线采样系统采样回充效率的影响结果见表1。

表1不同采样体积回充试验结果

序号标准状态采样体积/L气体回充效率/%10.5710020.9110031.1410041.5510051.9510062.26100

表1显示在系统采样体积(标准状态，下同)从0.57 L增加到2.26 L的工程中，SF6在线采样系统检测气体的回充效率均能达到100%，说明SF6在线采样系统回充效率不受采气量大小的影响。

3.1.2气室大小不同的影响

在采样体积为0.91 L的情况下，模拟GIS气室压力为0.45 MPa，当模拟GIS气室体积为1 L、8 L、20 L和40 L时，在线采样系统回充效率的影响结果见表2。

表2不同气室体积的回充试验结果

序号气室大小/L气体回充效率/%111002410038100420100540100

表2显示对于不同大小的GIS气室，采用本项目研发的SF6在线检测装置，单次采样回充效率均能达到100%。说明该SF6在线采样系统可适用于变电站不同大小GIS气室的在线检测分析。

3.1.3重复性试验

在标准状态采样体积为0.91 L的情况下，模拟GIS气室压力为0.45 MPa时，使用SF6在线检测系统对模拟GIS气室进行连续多次采样检测，重复性次数对该系统气体回充效率的影响结果见表3。

表3回充重复性试验结果

序号连续采样次数气体回充效率/%111002510031010041510052099.994

表3显示当系统连续采样次数大于20次时，气体回充效率为99.994%，即在连续20次的采样过程中，有约0.006%的气体泄漏。根据GB 11023—1989《高压开关设备六氟化硫气体密封试验方法》规定GIS设备每年1%的泄漏率要求，对于20 L、0.4 MPa的GIS气室，使用该系统可以连续采集约2 000次，完全能达到在线检测GIS设备SF6气体组分变化的目的。

3.1.4气体泄漏率试验

SF6在线分析系统在一定阶段会执行抽真空功能，这时系统管路处于负压(小于0.1 MPa，绝对压力)状态，理论上可能会造成高压空气向系统内泄漏，而泄漏率试验就是反映空气向SF6在线采样系统的泄漏指标。为进行SF6在线采样检测系统的泄漏率试验，采用1.02 L模拟GIS气室，连续检测5次、10次、20次，并采用GC-14CPTF气相色谱仪(纯度精度：±1%)对模拟GIS气室内的气体纯度检测，以模拟GIS气室内SF6气体纯度的变化来反应SF6在线采样检测系统的泄漏率。试验结果见表4。当连续采样次数为5次时，采样结束后GIS气室内SF6的体积分数约为0.002 9%，但连续采样次数为10次、20次时，采样结束后GIS气室内SF6的体积分数却变大，分别为0.002 7%和0.015 8%，远低于±1%的精度值。由此可知，当SF6在线采样检测系统进行气体检测时，不会发生空气向SF6在线分析系统内的泄漏。

表4　气体泄漏率试验结果

3.2微水检测比对试验结果

图7　B-A一致性分析图

如图7所示，所有散点中有95.23 %(1/21)的散点位于95 %的一致性界限以内，满足B-A一致性评价的第一条件。SF6在线检测系统微水检测值M与微水分析仪检测值N的95%的一致性界限为(-2.3, 1.3)Td/℃，且政治性界限内所有的点均位于实际中可接受的(-2, 2)Td/℃范围，表明SF6在线检测系统微水检测值M与微水分析仪检测值N具有良好的一致性，两种检测方法可以互相代替。

4结论

本文研制的SF6微水在线检测系统极大提高了高压电气设备微水检测的准确度和安全性，并得到如下结果：

a) 采样、分析和回充的操作过程中，该系统在不同采样体积、不同气室大小和连续性重复试验中的气体回充效率均能达到国家有关标注要求；

b) 通过SF6气体在线检测装置的泄漏率试验发现，在连续采样过程中，不会造成高压空气向系统内部泄漏的问题；

c) 水检测比对试验结果表明，SF6在线检测系统微水检测值与微水分析仪检测值具有良好的一致性，两种检测方法可以互相代替。

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樊小鹏(1986)，男，山西洪洞人。工程师，工学博士，主要从事电力环境保护工作。

周永言(1964)，男，湖南湘乡人。教授级高级工程师，工学硕士，主要从事发电厂化学分析、锅炉及设备保护、燃煤分析、变电站保护工作。

李丽(1971)，女，江西全南人。教授级高级工程师，工学硕士，主要从事电力环境保护，SF6清洁生产和职业卫生相关工作。

(编辑王夏慧)

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

作者简介：

中图分类号：TM 938.82

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0059-05

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

收稿日期：2014-12-08