SF6微水含量在線檢測系統(tǒng)的研發(fā)

寧進(jìn)榮

【摘 要】 SF6開關(guān)因?yàn)镾F6優(yōu)良的絕緣性和穩(wěn)定性近年來得到了快速推廣應(yīng)用，已經(jīng)全面取代原來的油開關(guān)。但以SF6作保護(hù)氣一個最重要的前提是，SF6須非常的干燥，否則可能會引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。由于開關(guān)柜密封的原因，SF6和空氣中的水分是不斷相互滲透的。為保證安全，必須經(jīng)常地對SF6中的微水含量進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的做法是，定期對SF6進(jìn)行采樣分析。這種做法不僅SF6消耗大，工作量大，更重要的是不能及時發(fā)現(xiàn)問題。我們使用電容類濕敏元件做傳感器，設(shè)計開發(fā)出在線的SF6微水含量分析系統(tǒng)，以實(shí)時地對開關(guān)柜中的SF6的工況進(jìn)行監(jiān)控，并能較準(zhǔn)確地反映出SF6的露點(diǎn)、含水量、密度、壓力及溫度等參數(shù)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，及時報警，將事故消滅于萌芽中。

【關(guān)鍵詞】 六氟化硫開關(guān) 微水含量 在線監(jiān)測

【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

十二五規(guī)劃中，我國提出要大力發(fā)展智能電網(wǎng)，電力系統(tǒng)向超高壓、大電網(wǎng)、大容量和自動化方向發(fā)展，用于關(guān)合及開斷電力線路，以輸送和倒換電力負(fù)荷以及從電網(wǎng)中退出故障設(shè)備以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的高壓開關(guān)就顯得尤為重要了。我們擬研發(fā)的SF6微水含量在線分析系統(tǒng)，也是順應(yīng)這個規(guī)劃，為電網(wǎng)智能化，提供帶智慧的信息。對高壓開關(guān)的SF6微水含量進(jìn)行實(shí)時的連續(xù)測量，可以及時地監(jiān)測出高壓電氣設(shè)備保護(hù)氣體SF6出現(xiàn)的泄漏、水含量超標(biāo)等事件，進(jìn)而將可能影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的因素消滅在萌芽之中，從而保護(hù)電氣設(shè)備的安全。純凈的SF6，在高壓開關(guān)的運(yùn)行過程中，受電弧放電或高溫后，會分解成單體硫、氟以及氟硫化合物：

正常情況下，當(dāng)電弧或高溫條件消失后，分解成的物質(zhì)又會合成穩(wěn)定的SF6氣體。

SF6無色、無味，無毒，屬于惰性氣體，對人對設(shè)備均無害。而如果SF6氣體中含有水分的話，那怕只是微量水分時，受電弧或高溫分解產(chǎn)生的SF4就會與水反應(yīng)生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸、氟氧化硫以及其他毒性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)：

SOF2和HF都屬于劇毒物質(zhì)，嚴(yán)重危及維護(hù)人員的生命安全。同時SOF2和2HF還是強(qiáng)腐蝕物質(zhì)，對斷路器的絕緣材料或金屬材料可造成嚴(yán)重的侵蝕，使得絕緣老化，甚至可導(dǎo)致設(shè)備爆炸的危險。

因此監(jiān)測SF6氣體中的微水含量，顯得特別的重要。目前監(jiān)測SF6氣體中的微水含量，國內(nèi)多采用“在線抽取樣氣、離線標(biāo)準(zhǔn)測量”的方式進(jìn)行，即：先將樣氣從高壓開關(guān)中抽出來，然后使用微水儀進(jìn)行測量。測量原理主要有重量法、電解法、露點(diǎn)法、振動頻率法以及阻容法等等。這些測量方法雖各有千秋，但都有相同的致命的缺點(diǎn)：（1）氣體微水測試儀的不同及測試技術(shù)上的差別，對測量結(jié)果影響很大；（2）抽取和檢測氣體時存在較大的人工誤差，而且樣氣進(jìn)入檢測裝置前后周圍環(huán)境對濕度的最終結(jié)果影響極大；（3）從取樣到實(shí)驗(yàn)室或進(jìn)便攜式分析儀進(jìn)行分析，作業(yè)流程復(fù)雜，花費(fèi)的時間和費(fèi)用較高，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求；（4）檢測周期長，不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在隱患和進(jìn)行有效的跟蹤監(jiān)測，從而使得運(yùn)行人員無法隨時掌握開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來隱患。

鑒于以上的諸多不足，人們開始尋找別的方法可以替代這些傳統(tǒng)的方法。我們研發(fā)微水在線檢測系統(tǒng)就是在此背景下因應(yīng)而生的。它充分利用了當(dāng)代先進(jìn)的、由高分子材料制成的溫濕度傳感器和濕度元件，通過計算、補(bǔ)償達(dá)到對ppm級別水分的精確測量。

1 開關(guān)SF6微水含量的在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)擬達(dá)成的目標(biāo)

本微水測量系統(tǒng)，擬在實(shí)時測得SF6微水含量、露點(diǎn)以及溫度壓力等參數(shù)的基礎(chǔ)，還將對這些的數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行分析、運(yùn)算、補(bǔ)償、歸檔及報警，此外，還能遠(yuǎn)程實(shí)時地將數(shù)據(jù)傳輸至其它電網(wǎng)電站的管理系統(tǒng)，讓操作及管理人員能實(shí)時得得知各受監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際情況和狀態(tài)，以便采取相對應(yīng)的策略來保障電網(wǎng)的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。

1.2 主要工作內(nèi)容

SF6保護(hù)氣中微水含量檢測能否取得成功，首先是濕度傳感器是否選擇得當(dāng)。因?yàn)楸粶y對象中所含的水蒸汽濕度值相對于被測對象來說數(shù)量極其微小而且又特別難于均勻作用于濕敏功能材料的表面上，所以水分含量的測量非常之不易，同時，濕度又受外界的影響很大，尤其是對于微量水分的測量，要做到精確，穩(wěn)定，難度不少。目前市場上，在線濕度測量的濕敏元件眾多，按測量原理區(qū)分，計有兩大類：電阻式和電容式。電阻式是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)氣體中的水蒸氣吸附在感濕膜片上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測得濕度。電阻式價格便宜，但一般用于空氣中濕度的等測量精度要求不高的場合，對ppm級的微水測量基本不能使用；而電容法采用的濕敏元件則是電容，濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)氣體濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與待測濕度基本成正比。濕度敏感器件的選取，更應(yīng)重點(diǎn)考慮如下特征參數(shù)：濕度量程、靈敏度、溫度系數(shù)、響應(yīng)時間、濕滯回差、以及感濕特征量——濕度的特征曲線，并充分處置好這些因素的影響，才可能在實(shí)際測量中能得到一組接近實(shí)際工況的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，滿足ppm級的穩(wěn)定測量只能選用電容式的濕敏元件。

1.2.1 濕度傳感器的濕感元件的選取

圖1是電容類濕度傳感器的感濕特性曲線：

由圖1可見輸出的濕度和測得的電容變化也不完全是線性關(guān)系，而且環(huán)境溫度不同，特性曲線也不同，所以由濕敏元件所得出的初始濕度，和實(shí)際濕度有時候會有較大的差別，不能完全反應(yīng)實(shí)際的工況。另外，從圖2可以看出，濕滯回差對測量的結(jié)果也有極大的影響：

因此在選擇濕敏元件時應(yīng)盡量選用線性度好的、濕滯回差小的電容類濕敏元件。聚酰亞胺濕度傳感器，采用的就是電容類濕敏元件，因?yàn)槠湓诘蜐穸葴y量方面的精確度高，穩(wěn)定性優(yōu)，重復(fù)性好而被當(dāng)作微量濕度測量的最佳選擇，但其缺點(diǎn)是成本稍高。聚酰亞胺濕敏元件是一種由高分子功能材料制成的電容類濕感的傳感器，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，其具有如下良好性能和特征：

（1）使用壽命長，長期穩(wěn)定性好；（2）靈敏度高，濕敏特性曲線的線性度好；（3）使用范圍寬、濕度溫度系數(shù)?。唬?）響應(yīng)時間短；（5）濕滯回差??；（6）能在有害氣氛的惡劣環(huán)境中使用；（7）可以連續(xù)在線工作；（8）器件的一致性和互換性好。

芬蘭VAISALA公司基于聚酰亞胺電容濕敏元件，開發(fā)出SF6氣體專用的DPT145濕度密度多參數(shù)變送器。DPT145濕度密度多參數(shù)變送器（見圖3），性能優(yōu)異，功能強(qiáng)大：

測量參數(shù)：露點(diǎn)、壓力、溫度；計算參數(shù)：SF6氣體密度、標(biāo)準(zhǔn)化密度（以壓力表示）、常壓下露點(diǎn)和濕度ppm體積比；在線高可靠性，穩(wěn)定性，測值的一致性。

參數(shù)SF6在線變送器DPT145內(nèi)部功能如下圖4所示：

DPT145內(nèi)置有中央處理單元（CPU），具有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析判別能力，可結(jié)合溫度傳感器測得的工作溫度及壓力傳感器測得的當(dāng)前壓力，來對露點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行環(huán)境溫度的補(bǔ)償，判斷是去濕還是加濕過程來修正電容系數(shù)等，使露點(diǎn)測量的誤差可在2%以內(nèi)。同時，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，DPT145還可以算出當(dāng)前SF6的密度等重要數(shù)據(jù)，密度比壓力在監(jiān)測SF6泄露更敏感，更快速，因而十分之重要。這些數(shù)據(jù)最后是以串行通信的方式傳送到上位管理計算機(jī)。

1.2.2 采樣點(diǎn)的選擇

采樣點(diǎn)一定要選擇是SF6成分具有代表性的那個點(diǎn)，否則即便傳感器選擇的再合適，照樣會導(dǎo)致整個測量系統(tǒng)的失敗。據(jù)現(xiàn)場實(shí)地查看，最終在XX供電局下屬冠鵬變電站選擇了10臺云開110KV開關(guān)柜作為試驗(yàn)地。下圖5 為DPT145安裝后的情形：

DPT145變送器安裝于SF6氣室的底部，由圖5中可見，DPT145前頭加裝了一個DILO的接頭。

1.2.3 計算機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)

（1）計算機(jī)管理系統(tǒng)對濕度的計算補(bǔ)償；計算機(jī)管理系統(tǒng)首先須能將現(xiàn)場多參數(shù)檢測器DPT145檢測來的壓力下的露點(diǎn)正確地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對濕度。濕度的計算方法很多，每種方法都對某一確定的范圍精確度較高。例如應(yīng)用最為普遍的方法是水面下飽和水汽壓法則，它的精確度保證范圍在-60～60℃之間：

式子中，Ew：為飽和水汽壓；

T：混合氣體的（SF6及水份）絕對溫度；

實(shí)際水壓公式為：

式中，Pw： 為實(shí)際水汽壓；

r：混合比；

壓力為P，溫度為T 的混合氣體的壓力。

則，混合氣體的相對濕度，可表示為：

上述運(yùn)算不算復(fù)雜，但難的是精確地確定式中的r的值。

在本系統(tǒng)中，充分應(yīng)用管理計算機(jī)的優(yōu)勢，我們設(shè)計為直接查表法來求得精確的濕度，轉(zhuǎn)換分為兩步：

首先將壓力下的露點(diǎn)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的露點(diǎn)，其補(bǔ)償公式如下：

TdS=k* TdP+b

TdS和TdP分別代表的是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的露點(diǎn)和壓力狀態(tài)下的露點(diǎn)。k和b是兩個常數(shù)，這兩個常數(shù)和混合氣體的壓力有關(guān)，下表分別是各壓力狀態(tài)的轉(zhuǎn)換公式：表1所示：

對于表1中所沒有的壓力，我們采用的是線性差值補(bǔ)償?shù)姆椒?。比如，假定混合氣體的絕對壓力為0.55MPa，其換算步驟如下：

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；計算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下的補(bǔ)償公式為：

TdS=0.7829*TdP-22.1935

式中，TdP 是現(xiàn)場檢測器傳送過來的壓力露點(diǎn)，TdS是轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的露點(diǎn)。得到這個標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的露點(diǎn)后，還需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濕度。

露點(diǎn)轉(zhuǎn)濕度，我們設(shè)計為查表方式。下表 2 為SF6混合水分的露點(diǎn)——濕度：

露點(diǎn)由上述第一步驟計算而來，管理計算機(jī)利用這個露點(diǎn)，直接查出對應(yīng)的濕度。上表2中只顯示出整數(shù)的露點(diǎn)，對非整數(shù)的露點(diǎn)，我們設(shè)計為差值法線性化的方法，比如假設(shè)DPT145檢測得到的露點(diǎn)為Td =-27.3℃，此時，我們的處理方法是：查表Td1=-27℃，對應(yīng)Rh1=592.2，再查表Td2=-28℃，對應(yīng)Rh2=542.2，則Td =-27.3℃對應(yīng)的濕度計算為：

Rh=Rh1-（Rh1-Rh2）*（Td1-Td））/（Td1-Td2）=577.14所有數(shù)據(jù)，經(jīng)過同公式法計算而來的數(shù)據(jù)對比，誤差率在0.5%以內(nèi)。

（2）計算機(jī)管理系統(tǒng)的后臺功能；本微水在線檢測系統(tǒng)管理計算機(jī)以微軟公司的windows xp作為系統(tǒng)軟件，組態(tài)軟件則為組態(tài)王kingview6.55版。

本監(jiān)控系統(tǒng)具備如下的功能：一、實(shí)時數(shù)據(jù)采集與處理；二、控制操作、保護(hù)和同步檢測；三、實(shí)時的運(yùn)行監(jiān)視和報警處理；四、在線計算及制表打?。晃?、豐富的人機(jī)界面；六、完備的運(yùn)行管理功能等。

本微水在線檢測系統(tǒng)框圖6如下：

管理計算機(jī)是通過一塊MOXA通信卡，采用串行通信的方式，用一對通訊總線，接受所有DPT145變送器傳送過來的所有實(shí)時數(shù)據(jù)。管理計算機(jī)對得到的SF6氣體的溫度、濕度、壓力、密度等數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別、報告、存檔，并利用這些數(shù)據(jù)，實(shí)時地對SF6氣體絕緣狀況的進(jìn)行評估，而對壓力（密度）的監(jiān)測能夠迅速探測到突發(fā)泄漏及微量泄露，同時在線露點(diǎn)測量將實(shí)時提醒可能削弱SF6氣體絕緣性能、導(dǎo)致現(xiàn)場情況迅速惡化的水分濕度問題。

2 項目實(shí)施成果

2.1 實(shí)現(xiàn)的功能

本項目實(shí)施投運(yùn)后，到目前為止已在線運(yùn)行近5個月時間。項目基本按照預(yù)期，達(dá)成了最初設(shè)定的目標(biāo)：

（1）同時在線監(jiān)控10臺SF6保護(hù)氣中微水含量、露點(diǎn)、溫度、壓力及密度等參數(shù)，系統(tǒng)投運(yùn)以來，從歷史記錄曲線上看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，通過和便攜式濕度分析儀相比較，測量的綜合誤差均控制在讀數(shù)的2%以內(nèi)；（2）可在管理系統(tǒng)中，查看SF6保護(hù)氣中微水含量、露點(diǎn)、溫度、壓力及密度等參數(shù)的變化趨勢，一邊提前發(fā)現(xiàn)可能的問題，并及時提供操作人員予以處置；（3）所得到的數(shù)據(jù)全部由計算機(jī)自動分析處理，并對不正常情況進(jìn)行提示報警，所得重要數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等可以存盤長達(dá)一年，方便查詢。同時系統(tǒng)可自動形成月日報表等；（4）將運(yùn)行情況實(shí)時傳送給電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)及電網(wǎng)檢測系統(tǒng)等；（5）監(jiān)控軟件滿足用戶各項功能的要求，為用戶提供交互式的、面向?qū)ο蟮?、方便靈活的、易于掌握的、多樣化的查詢、操作、設(shè)置、二次開發(fā)等功能，方便用戶對圖形、曲線、報表、報文進(jìn)行在線的修改組態(tài)。（6）計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)出多種通信借口：主要是與調(diào)度中心的通訊接口IEC60870-103通訊規(guī)約；與智能設(shè)備通訊的Modbus協(xié)議；其他通訊協(xié)議OPC等。

2.2 管理畫面

系統(tǒng)總貌及歷史趨勢圖7：

2.3 數(shù)據(jù)比較

（1）下表 3數(shù)據(jù)是XX供電局冠鵬變電站SF6中微水含量，由校準(zhǔn)設(shè)備所測得的值：

（2）下表4 數(shù)據(jù)是XX供電局冠鵬變電站SF6中微水含量，由本系統(tǒng)所測得的值：

通過以上數(shù)據(jù)比較，最大的測量誤差是顯示值的1.94%，全部低于2%，符合本系統(tǒng)開發(fā)時所設(shè)置的目標(biāo)。

3 結(jié)論

由于水分對SF6開關(guān)的危害特別大，所以有必要設(shè)計出一套完整的、穩(wěn)定的、比較精確的SF6中微水在線監(jiān)測設(shè)備。在開發(fā)這套系統(tǒng)之初，我們廣泛了調(diào)研了各類濕敏元器件，經(jīng)過性能比較與分析，結(jié)合在線監(jiān)測的技術(shù)要求以及氣體環(huán)境對濕敏材料的要求，選擇了高分子薄膜電容作濕敏元件。在確定使用高分子薄膜電容類濕敏元件后，從國內(nèi)外眾多供應(yīng)廠家中，我們最終選擇了業(yè)內(nèi)最負(fù)盛名的VAISALA公司的DPT145多參數(shù)變送器作為濕度測量的設(shè)備。由于DPT145多參數(shù)變送器只需要一對通訊總線，再加一對電源線，就可以正常工作，這為我們免去了監(jiān)控管理機(jī)側(cè)的多塊A/D轉(zhuǎn)換模塊，并節(jié)省了大量的電纜及這些電纜敷設(shè)所需要的工作量。

實(shí)踐證明，DPT145多參數(shù)變送器性能穩(wěn)定，安裝簡單，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，完全能適合110KV開關(guān)柜中SF6保護(hù)氣的監(jiān)測。DPT145多參數(shù)變送器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)被送至監(jiān)控管理機(jī)，由監(jiān)控管理機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別，對可疑情況及時提示報警，再由人工將事故消滅在萌芽狀態(tài)。監(jiān)控管理機(jī)還能通過IEC60870-103通訊規(guī)約將SF6的工況送給電網(wǎng)系統(tǒng)，為電網(wǎng)工作人員提供設(shè)備狀況。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL506-92.六氟化硫氣體絕緣設(shè)備中水分含量的現(xiàn)場測量方法.

[2]曲明鑫.SF6氣體中的水分管理[J].中國電力，1994（7）：69-71.

[3]楊杰，蘇國莉.六氟化硫濕度現(xiàn)場檢測與運(yùn)行管理[J].山西電力技術(shù)，1998（3）：19-22.

[4]王永強(qiáng).關(guān)于SF6氣體絕緣組合電器中微水含量問題的研究[J].電力情報，2001（2）：40-43.

[5]林立生.關(guān)于SF6開關(guān)設(shè)備中微水含量問題[J].華北電力技術(shù)，1998（1）：41-44.

[6]路自強(qiáng).SF6中水分監(jiān)、控制與處理[J].青海電力，1996（3）：22-25.

[7]胡邦基.全封閉組合電器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].華北電力出版社，1994（7）：45-49.

[8]W.莫爾斯.高壓絕緣用六佛化硫[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984（1）：3-10.

[9]黎明，等.SF6氣體及SF6氣體絕緣變電站的運(yùn)行[M].水利電力出版社，1994（1）：12-28.

[10]羅學(xué)琛.SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）[M].中國電力出版社，1998.19-24.

[11]倪健.SF6氣體中水分對設(shè)備的危害程度及設(shè)備絕緣狀況判斷[J].電工技術(shù)，2001（7）：45-46.