淺談SF6氣體密度、濕度及泄露的在線檢測(cè)方法

陳　爽

（黑龍江省送變電工程公司調(diào)試分公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

淺談SF6氣體密度、濕度及泄露的在線檢測(cè)方法

陳爽

（黑龍江省送變電工程公司調(diào)試分公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

在SF6電器設(shè)備的正常運(yùn)行中，其電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體不可避免地會(huì)向外發(fā)生泄露，且電器外部的潮氣也會(huì)滲透到高壓電器之中，致使SF6氣體的密度下降，微水含量超標(biāo)，給高壓電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大的隱患。也正因如此，近些年來SF6泄露、SF6中微水含量的在線監(jiān)測(cè)則得到了越來越高的重視。本文筆者即結(jié)合個(gè)人實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，就SF6氣體密度、濕度及泄露的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行粗略的介紹，以供參考。

SF6；氣體密度；濕度；泄露；在線檢測(cè)

0. 前言

SF6電器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，往往不可避免地會(huì)發(fā)生SF6泄露問題，SF6微水含量超標(biāo)問題，給高壓電器設(shè)備的正常運(yùn)行帶來巨大的安全隱患。所以，近些年來，大家早已將關(guān)注的重點(diǎn)放在了對(duì)SF6泄露、SF6微水含量的在線監(jiān)測(cè)工作上，以期為進(jìn)一步提高SF6電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行做有益的鋪墊。因此，以下筆者即對(duì)SF6氣體密度、濕度以及泄露的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了逐一的分析與闡述，以期為廣大同行在今后SF6電器設(shè)備的在線檢測(cè)工作上提供有益的參考借鑒。

1. SF6氣體密度的在線監(jiān)測(cè)

做好SF6氣體密度的在線監(jiān)測(cè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，這是因?yàn)樽龊肧F6氣體密度監(jiān)測(cè)是確保高壓設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在，尤其是一旦SF6高壓電器設(shè)備發(fā)生泄露，那么SF6氣體密度勢(shì)必會(huì)隨之降低，不僅會(huì)造成高壓電器開關(guān)設(shè)備耐壓強(qiáng)度的逐漸降低，也會(huì)造成斷路設(shè)備開斷容量的逐步下降。所以，做好SF6氣體密度監(jiān)控則尤為重要。

一般而言，我們?cè)谂袛喔邏涸O(shè)備能否滿足絕緣性能要求或者是滅弧性能要求時(shí)，往往使用SF6氣體的密度對(duì)其進(jìn)行衡量，也正因如此，SF6的氣體密度值大小則會(huì)對(duì)SF6高壓電器設(shè)備的絕緣強(qiáng)度產(chǎn)生直接的作用與影響，即單位體積內(nèi)SF6氣體的分子數(shù)。我們可以用20℃時(shí)SF6氣體的實(shí)際氣壓表示SF6氣體的密度值。所以，為了能夠進(jìn)一步提高SF6氣體絕緣設(shè)備的安全運(yùn)行，就必須做好SF6氣體的密度值的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

而通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們可以得知，當(dāng)SF6氣體的密度恒定時(shí)，SF6氣體的擊穿強(qiáng)度與溫度之間是沒有關(guān)系的；而SF6氣體的壓力恒定時(shí)，那么SF6氣體的擊穿強(qiáng)度就會(huì)隨著溫度的不斷升高而相應(yīng)降低。尤其是在密度一定的前提下，溫度發(fā)生變化時(shí)，壓力也會(huì)發(fā)生變化，而這種變化無論因?yàn)槁?，還是溫度的作用，引起的不同變化，都可以利用溫度補(bǔ)償修正方法。一旦SF6氣體發(fā)生泄漏時(shí)，那么密度繼電器勢(shì)必會(huì)根據(jù)密度值的實(shí)際變化情況，發(fā)出提示，進(jìn)而人們可以根據(jù)相應(yīng)的提示，采取相應(yīng)的解決措施，及時(shí)補(bǔ)齊以防止電器設(shè)備絕緣性能的不斷降低。此外，如若SF6氣體泄漏過于嚴(yán)重，密度繼電器會(huì)給出一對(duì)閉鎖接點(diǎn)信號(hào)，在表現(xiàn)設(shè)備已經(jīng)不能再正常的運(yùn)行下去。

常見的溫度補(bǔ)償或者修正方法，主要有兩種：

第一種，是目前最常見的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)方程，即：

式中：P為壓力；t為溫度；ρ為密度。

系數(shù)A和B，分別是：

第二種，充分利用現(xiàn)代電子技術(shù)與傳感器技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)出發(fā)對(duì)不同密度值下的氣壓與溫度關(guān)系進(jìn)行測(cè)量分析，將測(cè)量值的密度補(bǔ)償?shù)?0℃時(shí)的密度值。

2. SF6氣體濕度的在線監(jiān)測(cè)

在SF6氣體絕緣設(shè)備的運(yùn)行中，無論如何進(jìn)行嚴(yán)格地安裝與運(yùn)行維護(hù)，其設(shè)備內(nèi)部必然會(huì)存有水蒸氣。雖然在沒有電弧或電暈的隔室中，SF6氣體即便含有較多的水分也不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅會(huì)對(duì)耐壓水平進(jìn)行降低。但如若在有電弧或者電暈的隔室中，除了絕緣能力會(huì)被降低意外，H2O與SF6氣體以及金屬材料還會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生劇毒物質(zhì)、腐蝕性氣體，進(jìn)而造成絕緣損壞與金屬腐蝕。因此，做好SF6氣體濕度的在線監(jiān)測(cè)尤為重要。

目前，我們可以采取以下兩種方法，對(duì)SF6氣體中的微水含量進(jìn)行表示。第一種，用SF6氣體中所包含的實(shí)際水氣體積與SF6氣體的實(shí)際體積之比進(jìn)行表達(dá)；第二種，用SF6中所含水氣的質(zhì)量與SF6氣體的質(zhì)量之比進(jìn)行表達(dá)。我們都知道，水分子含量為18，SF6氣體分子含量為146，那么二者比則為8.11，因此，二者之間的質(zhì)量比僅僅是二者之間體積比的1/8.11。

目前，我們多采用離線測(cè)量的方式對(duì)SF6氣體微水含量進(jìn)行測(cè)試，如：鏡面冷凝法、電容法。其中，鏡面冷凝法在測(cè)量的過程中需要迫使被測(cè)氣體流動(dòng)，雖然無法作為SF6氣體在線微水含量的測(cè)量方式，但是其測(cè)量準(zhǔn)確性極高；而電容法在測(cè)量中雖然不需要迫使被測(cè)氣體進(jìn)行流動(dòng)，但是測(cè)量準(zhǔn)確性較低。據(jù)最新研究表明，在SF6氣體含水量的測(cè)定上，濕敏電容傳感器具有準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好的諸多優(yōu)勢(shì)，可用在GIS/CGB封閉成套電器中SF6氣體微水含量的在線測(cè)試上。

法國(guó)Humirel公司的濕敏傳感器HM1520是目前選用最多的濕敏傳感器，其具備良好的穩(wěn)定性與抗化學(xué)腐蝕性，且響應(yīng)速度也很快，可用在低濕環(huán)境下。在SF6電器設(shè)備中，可將濕度傳感器置于SF6氣體循環(huán)回路中，從而對(duì)SF6氣體實(shí)施更好的濕度監(jiān)測(cè)。而在實(shí)際工作中，為了能夠進(jìn)一步方便工作人員的裝卸，在電器設(shè)備取氣口外接的在線測(cè)試腔體中裝有濕度傳感器探頭，從而迫使取氣腔體與被測(cè)氣體擴(kuò)散相通。

與空氣中的水分含量相比，SF6氣體中的含水量是十分低的。因此，要想準(zhǔn)確地測(cè)量出SF6氣體中的含水量，就必須運(yùn)用低濕度傳感器來測(cè)量。尤其是利用高分子聚合物或者是硅半導(dǎo)體親水材料制作的濕度傳感器，能夠直接測(cè)量出SF6氣體的相對(duì)濕度。而為了能夠更為準(zhǔn)確地測(cè)量出SF6氣體濕度值，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好保持20℃時(shí)的壓力值，采用修正公式對(duì)所測(cè)量的相對(duì)濕度值進(jìn)行修正。修正公式如下：

式中：H2為20℃時(shí)的微水體積比；H1為實(shí)時(shí)微水測(cè)量值；P1為SF6氣體實(shí)時(shí)測(cè)量氣壓值；P2為換算到20℃時(shí)SF6氣體的氣壓值；P1S為實(shí)時(shí)測(cè)量溫度下的飽和水氣壓；P2S為換算到20℃時(shí)飽和水氣壓值。

圖1　 SF6泄漏激光成像檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖

3. SF6氣體泄露的在線監(jiān)測(cè)

如若SF6氣體發(fā)生泄露，不僅會(huì)造成SF6氣體密度的降低，大大地降低高壓電器設(shè)備的絕緣耐壓強(qiáng)度，在經(jīng)過電弧放電時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生劇毒物質(zhì)與毒性很強(qiáng)的氣體，一旦泄露到大氣中，不僅會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)，也會(huì)進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)，促進(jìn)全球變暖。也正因如此，在1997年舉辦的防止地球變暖的國(guó)際會(huì)議上，SF6氣體已經(jīng)被明確規(guī)定為禁止排放的氣體之一。

目前，主要用激光成像法對(duì)SF6氣體泄露進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。其原理在于：當(dāng)激光系統(tǒng)發(fā)出的紅外激光，入射到被監(jiān)測(cè)區(qū)域的物體表面，那么其表面就會(huì)對(duì)該紅外激光進(jìn)行反射，而反射光勢(shì)必會(huì)沿著原來的光路重新回到監(jiān)測(cè)設(shè)備上。同時(shí)，由于被監(jiān)測(cè)區(qū)域本身就有著固定的溫度場(chǎng)，因此在這個(gè)大背景環(huán)境下勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量的紅外光線，而這些紅外光線一定會(huì)進(jìn)入到監(jiān)測(cè)設(shè)備之內(nèi)。如若此時(shí)，被監(jiān)測(cè)設(shè)備沒有泄漏，那么SF6氣體就不存在泄露問題，監(jiān)測(cè)設(shè)備所接收到的紅外線能源背景環(huán)境和它本身投射到的紅外光線能量就會(huì)相互疊加，反之則亦然。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，我們就是通過此種方式，對(duì)SF6氣體是否泄露進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并且能夠及時(shí)地找出泄露的準(zhǔn)確位置。其原理如圖1所示。

結(jié)語

正是因?yàn)镾F6氣體泄露會(huì)造成SF6氣體密度的不斷下降，并對(duì)高壓電器設(shè)備造成巨大的破壞，因此如何解決這一問題儼然已經(jīng)成為當(dāng)前人們關(guān)注的重點(diǎn)所在。尤其是通過分析，可以清楚地看到，70%～80%的SF6高壓電器故障，都有由于SF6泄露、微水含量超標(biāo)所致。因此，本文通過對(duì)SF6氣體密度、濕度、泄露的在線檢測(cè)方法進(jìn)行粗略地分析與介紹，旨在為廣大電力同行，在今后SF6氣體的線監(jiān)測(cè)工作上提供全新的思路與有益的參考。

［1］李泰軍，王章啟，毛艷. SF6氣體密度與濕度的在線監(jiān)測(cè)［J］.華通技術(shù)，2003（2）：151-152.

［2］陳振生. SF6氣體的密度和濕度及泄漏在線檢測(cè)方法［J］.江蘇電器，2006（10）：167-168.

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