SF6氣體檢測(cè)設(shè)備性能評(píng)估技術(shù)應(yīng)用研究

魯旭臣，劉佳鑫，趙義松，黃福存，王 勇

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

SF6氣體檢測(cè)設(shè)備性能評(píng)估技術(shù)應(yīng)用研究

魯旭臣1，劉佳鑫1，趙義松1，黃福存1，王 勇2

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

分解物檢測(cè)法廣泛應(yīng)用于SF6斷路器、氣體絕緣全封閉組合電器 （GIS）等電氣設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷中。目前對(duì)于SF6分解物檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)檢定尚缺乏相應(yīng)的手段和設(shè)備。針對(duì)SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀校驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用展開研究，建立了一套SF6氣體檢測(cè)設(shè)備性能評(píng)估系統(tǒng)，利用已知配比的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)分解產(chǎn)物測(cè)試儀進(jìn)行校驗(yàn)。采用該方法開展了東北地區(qū)SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀的全性能自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估，并針對(duì)檢測(cè)儀的不足提出相應(yīng)的整改建議。

SF6氣體；分解產(chǎn)物；檢測(cè)儀器；性能評(píng)估

隨著SF6電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)備的健康程度直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝等過程中遺留的微小缺陷，可能在運(yùn)行過程中逐步顯現(xiàn)，甚至嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全。但在設(shè)備故障潛伏期，常規(guī)電氣試驗(yàn)方法難以有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷。研究表明，在設(shè)備絕緣故障初期，分解產(chǎn)物含量也會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生變化。因此，SF6氣體中SO2、H2S、CO等組分的含量和變化趨勢(shì)可作為判斷SF6電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)［1－5］。 SF6電氣設(shè)備配套相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)分析儀器主要有SF6分解產(chǎn)物分析儀、SF6純度測(cè)試儀等。隨著近年來(lái)新興儀器的逐漸增多，目前對(duì)于這些檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)和檢定，尚缺乏相應(yīng)的手段和設(shè)備［6－9］。

本文針對(duì)SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀校驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用開展研究。建立一套SF6氣體檢測(cè)設(shè)備性能評(píng)估系統(tǒng)，利用已知配比的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)分解物檢測(cè)儀器開展校驗(yàn)和性能評(píng)估，并對(duì)校驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該系統(tǒng)研制后應(yīng)用于對(duì)東北地區(qū)SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀的全性能自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估，填補(bǔ)了東北地區(qū)SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀檢測(cè)與評(píng)估領(lǐng)域的一項(xiàng)空白，既有效提高了儀器校驗(yàn)工作效率又減少了毒害氣體排放，能夠避免對(duì)檢測(cè)人員造成傷害，在確保SF6分解產(chǎn)物測(cè)試儀的廣泛應(yīng)用上有著重要意義，在電網(wǎng)的狀態(tài)檢修工作中也將發(fā)揮更大作用，具有很大的市場(chǎng)潛力及現(xiàn)實(shí)意義。

1 檢測(cè)依據(jù)

現(xiàn)行國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《電力設(shè)備帶電檢測(cè)儀器技術(shù)規(guī)范第13部分：SF6氣體分解產(chǎn)物帶電檢測(cè)儀技術(shù)規(guī)范 （Q／GDW 11304.13）中明確規(guī)定了針對(duì)分解物檢測(cè)儀各項(xiàng)性能指標(biāo)的校驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)［10］，其中關(guān)于檢測(cè)范圍及誤差的相關(guān)要求見表1。

表1 檢測(cè)范圍及誤差要求

2 智能校驗(yàn)平臺(tái)

2.1 基本原理

為解決目前SF6檢測(cè)儀器校驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)多、工作量大且效率低的問題，本文研究開發(fā)了一套基于標(biāo)氣的多組分SF6檢測(cè)儀智能校驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，集成了自動(dòng)配氣標(biāo)定系統(tǒng)、檢測(cè)校驗(yàn)工作系統(tǒng)、尾氣回收處理系統(tǒng)、無(wú)毒排放處理系統(tǒng)等功能部件。由處理器自動(dòng)控制多組分動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)按預(yù)設(shè)比例配氣，用于SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)儀的校驗(yàn)。依靠平臺(tái)自帶的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體泄漏時(shí)將聲光報(bào)警并自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，保障試驗(yàn)環(huán)境安全。

圖1 SF6氣體分解物檢測(cè)儀檢驗(yàn)工作平臺(tái)

2.2 動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)

SF6分解產(chǎn)物傳感器是非線性的，因此檢測(cè)系統(tǒng)需要預(yù)制不同濃度標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定。然而標(biāo)定點(diǎn)過多將直接導(dǎo)致配氣成本的大幅增加，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量過少將直接影響檢測(cè)系統(tǒng)輸入／輸出曲線的準(zhǔn)確性。本文的研究工作中采用了一種基于高精度質(zhì)量流量控制器的多組分動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)，可根據(jù)設(shè)定的配氣比例 （連續(xù)可調(diào)）自動(dòng)配制并輸出多組分標(biāo)氣。

配氣裝置工作流程如圖2所示，設(shè)4路進(jìn)氣控制，一般以A路為載氣 （載氣可選擇SF6或N2），另3路分別為SO2、H2S和CO。軟件調(diào)整后，也可用于上述氣體以外的氣體配制。每路氣體流量由質(zhì)量流量控制器精確控制，通過控制電路的計(jì)算配比即可輸出標(biāo)準(zhǔn)濃度的混合氣體。動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)適用于 N2、 Air、 H2、 CH4、SF6、CO、H2S、SO2等氣體的濃度配制。如圖3

圖2 動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)原理圖

所示，前面板中部為觸摸液晶顯示屏，其左右位置分別為排氣口和樣氣口的浮子式氣體流量計(jì)，面板下方為A、B、C、D4路進(jìn)氣端口。通過前面板的配比控制可實(shí)現(xiàn)SF6、N2、SO2、H2S、CO氣體的精確混合和配制，可調(diào)節(jié)參數(shù)包括流量范圍、組分比例、稀釋倍數(shù)等，如圖4所示。

2.3 尾氣回收系統(tǒng)

圖3 前面板配置

圖4 濃度配氣界面

系統(tǒng)啟動(dòng)后將自動(dòng)進(jìn)入組態(tài)控制界面，如圖5所示，同時(shí)啟動(dòng)配氣儀、儀表，儀表排放口的尾氣常壓自動(dòng)流入系統(tǒng)的緩沖瓶，進(jìn)氣流量為0.2～2.5 L／min，回收系統(tǒng)檢測(cè)到氣體流入啟動(dòng)一級(jí)壓縮機(jī)并進(jìn)行壓力平衡調(diào)節(jié)，平衡調(diào)節(jié)時(shí)間約40 s。尾氣通過一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)入中轉(zhuǎn)袋，中轉(zhuǎn)袋容積為2×42 L，當(dāng)中轉(zhuǎn)袋的壓力達(dá)到設(shè)定值3 kPa左右時(shí)，報(bào)警燈閃爍，提醒操作者開啟二級(jí)壓縮機(jī)。當(dāng)外接鋼瓶氣體壓力大于0.8 MPa時(shí)，二級(jí)回收瓶壓力報(bào)警，提示操作者更換鋼瓶。鋼瓶回收充滿后關(guān)閉鋼瓶封閉閥將停止壓縮機(jī)工作。

實(shí)驗(yàn)室尾氣回收裝置可分別用于SF6氣體、有毒有害氣體的尾氣回收。尾氣常壓自然流入緩沖瓶，對(duì)前級(jí)調(diào)試儀表及配氣系統(tǒng)無(wú)影響。系統(tǒng)壓力動(dòng)態(tài)反饋控制，氣泵模糊自動(dòng)啟動(dòng)，回收工作運(yùn)行平穩(wěn)。雙級(jí)回收壓縮設(shè)計(jì)，界面提示工作狀態(tài)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。2路進(jìn)氣口設(shè)計(jì)，可多通道同時(shí)工作，互不干涉。二級(jí)回收高壓輸出，尾氣回收灌裝效果好。

圖5 操作界面

3 測(cè)試分析

SF6氣體分解產(chǎn)物帶電檢測(cè)儀試驗(yàn)項(xiàng)目分為響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、單組分準(zhǔn)確度測(cè)試、多組分準(zhǔn)確度測(cè)試和重復(fù)性測(cè)試4部分。

3.1 校驗(yàn)步驟

a.將各標(biāo)氣鋼瓶與動(dòng)態(tài)配氣儀對(duì)應(yīng)輸入通道連接，調(diào)節(jié)鋼瓶壓力輸出至合理范圍內(nèi)。

b.將動(dòng)態(tài)配氣儀輸出口與待校驗(yàn)儀器輸入口連接。

c. 選擇標(biāo)氣通道，根據(jù)目標(biāo)濃度確定質(zhì)量流量，動(dòng)態(tài)配制特定組分標(biāo)氣并調(diào)節(jié)輸出流量。

d. 約300 s后，讀取待校驗(yàn)儀器示數(shù)并記錄配氣濃度。

3.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

a. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出檢測(cè)儀檢測(cè)量程80%～90%濃度的混合氣體通入檢測(cè)儀，待檢測(cè)儀示值穩(wěn)定 （30 s內(nèi)示值變化不大于2μL／L），讀取穩(wěn)定示值。

b. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測(cè)儀至檢測(cè)儀示數(shù)為零 （沖洗時(shí)間不宜超過10 min）。

c. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出步驟a中相同濃度的混合氣體通入檢測(cè)儀，同時(shí)用秒表記錄檢測(cè)儀從通入混合氣體時(shí)刻到穩(wěn)定示值90%的時(shí)間，為檢測(cè)時(shí)間。

d. 重復(fù)步驟c 3次，取檢測(cè)時(shí)間的算術(shù)平均值為檢測(cè)儀的響應(yīng)時(shí)間。

e. 各組分均需分別進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

3.3 準(zhǔn)確度測(cè)試 （單組分）

a. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，配制輸出單組分標(biāo)氣至待校驗(yàn)儀器，并記錄檢測(cè)結(jié)果 （參考表2規(guī)定的氣體濃度）。

b. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測(cè)儀至檢測(cè)儀示數(shù)為零 （沖洗時(shí)間不宜超過10 min）。

c. 重復(fù)步驟a和b 3次 （單組分重復(fù)測(cè)量3次）。

d. 當(dāng)待校驗(yàn)儀器檢測(cè)的SO2、H2S氣體濃度含量小于5μL／L及CO氣體濃度小于50μL／L時(shí)，其示值穩(wěn)定時(shí)間不超過5 min，其它情況下的檢測(cè)儀示值穩(wěn)定時(shí)間不超過3 min。

表2 單組分準(zhǔn)確度試驗(yàn)的氣體濃度參考值 μL／L

e. 測(cè)量結(jié)果誤差的計(jì)算方法。

對(duì)于SO2和H2S氣體含量≤10μL／L，CO氣體含量≤50μL／L，按式 （1）計(jì)算待校驗(yàn)儀器的測(cè)量誤差：

式中：J為待校驗(yàn)儀器示數(shù)；C為被測(cè)氣體實(shí)際濃度。

對(duì)于SO2和H2S氣體含量＞10μL／L，CO氣體含量＞50μL／L，按式 （2）計(jì)算待校驗(yàn)儀器的測(cè)量誤差：

3.4 多組分準(zhǔn)確度測(cè)試

a. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，配制輸出SO2、H2S和CO混合標(biāo)氣至待校驗(yàn)儀器，并記錄檢測(cè)結(jié)果 （參考表3規(guī)定的氣體濃度）。

b. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測(cè)儀至檢測(cè)儀示數(shù)為零 （沖洗時(shí)間不宜超過10 min）。

c. 重復(fù)步驟a和b 5次。

d. 按式 （1）或式 （2）計(jì)算待校驗(yàn)儀器的測(cè)量誤差。

表3 組分準(zhǔn)確度試驗(yàn)氣體濃度參考值 μL／L

3.5 重復(fù)性測(cè)試

a. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，配制輸出濃度為5μL／L的單組分氣體至待校驗(yàn)儀器，并記錄檢測(cè)結(jié)果。

b. 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測(cè)儀至檢測(cè)儀示數(shù)為零 （沖洗時(shí)間不宜超過10 min）。

c. 重復(fù)步驟a和b 3次 （單組分重復(fù)測(cè)量3次）。

d. 測(cè)量結(jié)果重復(fù)性的計(jì)算方法。

對(duì)于SO2和H2S氣體濃度≤10μL／L，CO氣體濃度≤50μL／L時(shí)，按式 （3）計(jì)算待校驗(yàn)儀器的重復(fù)性：

式中：C 為檢測(cè)儀示值的算術(shù)平均值；Ci為第i次的檢測(cè)儀示值。

對(duì)于SO2和H2S氣體濃度＞10μL／L，CO氣體濃度＞50μL／L時(shí)，重復(fù)性以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV表示，按式 （4）計(jì)算待校驗(yàn)儀器的重復(fù)性：

式中：n為檢測(cè)次數(shù)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 平衡氣問題

對(duì)分解物檢測(cè)儀采用N2和SF62種平衡氣分別配制標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定，其對(duì)比結(jié)果見圖6。采用N2為平衡氣標(biāo)定的儀器測(cè)試值低于真實(shí)值30%～60%，因此采用N2為平衡氣無(wú)法真實(shí)反映被測(cè)氣體中組分含量的實(shí)際值，不適合作為儀器標(biāo)定平衡氣。

圖6 不同平衡氣標(biāo)定結(jié)果對(duì)比

4.2 傳感器問題

電化學(xué)傳感器會(huì)隨使用次數(shù)增加、時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸老化，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。如圖7所示，自2008年起，合格率隨出廠年份逐漸升高。部分出廠3年及以上的儀器，雖經(jīng)歷過返廠維修，但檢驗(yàn)結(jié)果普遍偏小，均因儀器出廠日期較早、傳感器老化失效造成。此類儀器在更換傳感器后復(fù)檢均合格。

圖7 儀器校驗(yàn)合格率變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

a.SF6分解物檢測(cè)儀校驗(yàn)宜采用以SF6為平衡氣所配制的標(biāo)氣，所得校驗(yàn)結(jié)果將更接近于真實(shí)值。

b.SF6分解物檢測(cè)儀的電化學(xué)傳感器會(huì)逐漸老化，建議對(duì)使用中的儀器每年至少檢驗(yàn)1次，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)儀器日常維護(hù)工作。

c.依照技術(shù)規(guī)范書，開展新購(gòu)置儀器的到貨驗(yàn)收工作。

［1］ 田慶陽(yáng)，李 爽，魯旭臣.SF6分解物在開關(guān)設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用 ［J］.東北電力技術(shù)， 2015， 36 （8）： 10－12.

［2］ 顏湘蓮，王承玉，宋 杲，等.氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)與設(shè)備故障診斷的研究進(jìn)展 ［J］.高壓電器， 2013， 56 （6）： 1－9.

［3］ 汲勝昌，鐘理鵬，劉 凱，等.SF6放電分解組分分析及其應(yīng)用的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 ［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（9）： 2 318－2 332.

［4］ 張寶軍，劉 洋，關(guān)艷玲，等.SF6分解產(chǎn)物分析在GIS絕緣故障診斷中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 ［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（5）： 18－20.

［5］ 楊 韌，吳水鋒，薛 軍，等.SF6斷路器內(nèi)部懸浮電位放電產(chǎn)生的分解產(chǎn)物分析 ［J］.高壓電器，2013，56（6）：17－21.

［6］ 洪文生.SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)在故障排查中的應(yīng)用 ［J］.東北電力技術(shù)，2015，36 （3）： 28－31.

［7］ 楊少才，武 哲，苗 宇.SF6氣體帶電檢測(cè)方法的研究［J］.東北電力技術(shù)， 2016， 37 （11）： 56－59.

［8］ 洪 鶴，李 斌，魯旭臣.組合電器狀態(tài)檢測(cè)新技術(shù)在遼寧電網(wǎng)的應(yīng)用 ［J］.東北電力技術(shù)， 2014， 35 （8）：49－55.

［9］ 魯旭臣，李 爽，畢海濤，等.遼寧電網(wǎng)GIS與HGIS運(yùn)行可靠性和實(shí)用性分析 ［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（9）：20－22.

Application Research on Performance Evaluation of SF6Gas Inspection Equipment

LU Xuchen1， LIU Jiaxin1， ZHAO Yisong1， HUANG Fucun1， WANG Yong2

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Decomposition detection is widely used in state evaluation and fault diagnosis of SF6circuit breaker， GIS and other electrical equipments.There is no unified calibration standard of SF6decomposition instrument in power industry.Therefore，the accuracy of test result is difficult to determine.Itmakes trouble on the SF6decomposition field detection.This paper studies on performance evaluation of SF6gas inspection equipment and establishment.A SF6gas detection equipment performance evaluation system which could check the decomposition instrument using standard gaswith a given ratio.The full performance automation detection and evaluation of SF6gas inspection equipments is processed.To use this system which gives corresponding rectification suggestions on the shortcomings.

SF6gas； decomposition product； inspection equipment； performance evaluation

TM507

A

1004－7913（2017）11－0020－04

魯旭臣 （1983），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高壓開關(guān)技術(shù)研究工作。

2017－07－02）