樊小鵬，周永言，李麗，唐念，黃成吉

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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SF6微水含量在線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)

樊小鵬，周永言，李麗，唐念，黃成吉

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)SF6氣體微水檢測(cè)方法在精確度、安全性等方面存在不足的問(wèn)題，研發(fā)了一種新的SF6微水在線檢測(cè)系統(tǒng)。為此，論述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，研究在線采樣系統(tǒng)的采樣回充效率、氣體泄漏率以及微水采樣等方面的性能。所得試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)在不同采樣條件下，采樣回充效率均能滿足使用要求，且微水檢測(cè)值與微水檢測(cè)儀檢測(cè)值具有良好的一致性。

關(guān)鍵詞：SF6氣體；微水含量；在線檢測(cè)；可編程邏輯控制器(PLC)

SF6氣體作為一種重要的絕緣介質(zhì)已被廣泛用于各種電氣設(shè)備中，如SF6氣體絕緣全封閉組合電器電器(gas insulated switchgear, GIS)、SF6電流、電壓互感器及SF6斷路器等。然而，在高壓環(huán)境下，微量的雜質(zhì)對(duì)SF6氣體的性質(zhì)影響很大，特別是水分的含量，直接影響到SF6氣體的絕緣性能及電弧分解產(chǎn)物的特性[1-5]。因此，為保證電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)SF6電氣設(shè)備中SF6氣體微水含量實(shí)時(shí)在線分析、檢測(cè)具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，我國(guó)電力行業(yè)對(duì)SF6微水檢測(cè)一般采用離線式檢測(cè)方法，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，且測(cè)定方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)事，還產(chǎn)生廢氣，對(duì)環(huán)境和人員的危害也較大。目前的在線式微水檢測(cè)方法一般是將檢測(cè)探頭安裝于GIS設(shè)備的取氣口處進(jìn)行，由于GIS取氣口處存在死體積以及取氣口與GIS氣室內(nèi)的氣體循環(huán)性較差等問(wèn)題，該方法經(jīng)常出現(xiàn)采樣代表性不足的問(wèn)題[6-8]?；诖?，本文研發(fā)了一套新的SF6微水自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集氣體、檢測(cè)與回充過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備中SF6氣體微水含量的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，能滿足實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的目的，同時(shí)也不會(huì)造成氣體浪費(fèi)。

1SF6微水在線檢測(cè)儀

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SF6微水在線檢測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)造如圖1所示。

PLC—可編程邏輯控制器， programmable logic controller的縮寫；V1—V7為閥門。圖1　SF6在線采樣結(jié)構(gòu)

從圖1可知，SF6微水在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由SF6在線采樣氣路控制模塊、檢測(cè)分析模塊和SF6在線控制系統(tǒng)模塊3大部分組成。具體分析如下：

a) 氣路控制模塊。主要用于GIS設(shè)備中SF6氣體的采集、檢測(cè)以及SF6氣體的回充控制等，主要由氣路、電磁閥、真空泵、往復(fù)式氣缸(存儲(chǔ)氣體用)等部件組成。

b) 檢測(cè)分析模塊。主要用于檢測(cè)SF6氣體中的微水含量，包含1個(gè)露點(diǎn)傳感器、壓力傳感器、1個(gè)溫度傳感器和信號(hào)處理器，隨時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的SF6氣體的溫度、壓力和含水量結(jié)果進(jìn)行修正，然后將結(jié)果反饋給控制單元。

c) 在線控制系統(tǒng)模塊。主要包含PLC控制系統(tǒng)和人機(jī)交換平臺(tái)，它將檢測(cè)指令傳遞給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)指令執(zhí)行檢測(cè)具體功能，并將檢測(cè)狀態(tài)和結(jié)果反饋給人機(jī)交換平臺(tái)。

1.2分析過(guò)程

系統(tǒng)的氣體檢測(cè)分析過(guò)程如下：

a) 抽真空。為防止系統(tǒng)中存在的氣體對(duì)待檢測(cè)氣體的干擾，系統(tǒng)執(zhí)行抽真空功能，去除原系統(tǒng)的雜質(zhì)氣體，如圖2所示。閥門V1、V3、V4和V7關(guān)閉，V2、V5、V6打開(kāi)，真空泵啟動(dòng)，將系統(tǒng)內(nèi)的氣體抽真空，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)氣壓達(dá)到一定值時(shí)，真空泵關(guān)閉，所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2　抽真空流程

b) 檢測(cè)。PLC模塊控制氣路系統(tǒng)，控制GIS設(shè)備中的SF6氣體進(jìn)入檢測(cè)分析模塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后的氣體進(jìn)入不銹鋼氣缸存儲(chǔ)。如圖3所示，閥門V1、V3、V4和V5打開(kāi)，其余全部關(guān)閉，真空泵停止運(yùn)行，往復(fù)式氣缸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，采集SF6設(shè)備中的氣體進(jìn)入微水在線分析儀進(jìn)行分析，檢測(cè)完成后的氣體進(jìn)入不銹鋼氣缸存儲(chǔ)。

圖3　采樣流程

c) 回充。待采氣量達(dá)到預(yù)定值后，系統(tǒng)將氣缸的氣體重新回充原GIS設(shè)備，以防止氣體排放所造成的環(huán)境污染。如圖4所示。

圖4　氣體回充流程

圖4中，閥門V1、V2和V5打開(kāi)，其余全部關(guān)閉，真空泵停止運(yùn)行，往復(fù)式氣缸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，推動(dòng)氣缸內(nèi)的氣體進(jìn)入原SF6設(shè)備內(nèi)，整個(gè)過(guò)程中，SF6氣體不進(jìn)入分析模塊。

2SF6微水在線檢測(cè)儀試驗(yàn)方法

2.1氣路系統(tǒng)試驗(yàn)

氣路系統(tǒng)試驗(yàn)主要用于研究該SF6在線采樣系統(tǒng)的氣體回充效率以及重復(fù)性等性能。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5　氣路系統(tǒng)試驗(yàn)回路

從圖5可知，在GIS氣室接樣口處設(shè)置電磁閥1個(gè)，壓力表1個(gè)(瑞士KELLER，ECO1；量程為0.001 ～ 40.000 MPa)，在SF6檢測(cè)系統(tǒng)中安裝壓力表1個(gè)(SMC，PSE300數(shù)字式壓力表；量程-0.1～1 MPa)。氣體回充效率

(1)

式中：p1為GIS氣室采樣開(kāi)始前的壓力，MPa；p2為系統(tǒng)完成氣體檢測(cè)，尚未回充時(shí)GIS氣室的壓力，MPa；p3為GIS氣室采樣完成后的壓力，MPa。

2.2微水檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)方法

微水檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)方法如圖6所示。

圖6　微水檢測(cè)試驗(yàn)流程

SF6在線檢測(cè)系統(tǒng)和微水分析儀同時(shí)采集GIS氣室產(chǎn)生的SF6氣體，并記錄其檢測(cè)到的不同微水值。

2.2.2一致性評(píng)價(jià)方法

3SF6微水在線檢測(cè)儀試驗(yàn)結(jié)果

3.1氣路系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1.1采樣體積不同的影響

在模擬GIS氣室壓力為0.4 MPa的情況下，不同采樣體積對(duì)SF6在線采樣系統(tǒng)采樣回充效率的影響結(jié)果見(jiàn)表1。

表1不同采樣體積回充試驗(yàn)結(jié)果

序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)采樣體積/L氣體回充效率/%10.5710020.9110031.1410041.5510051.9510062.26100

表1顯示在系統(tǒng)采樣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)從0.57 L增加到2.26 L的工程中，SF6在線采樣系統(tǒng)檢測(cè)氣體的回充效率均能達(dá)到100%，說(shuō)明SF6在線采樣系統(tǒng)回充效率不受采氣量大小的影響。

3.1.2氣室大小不同的影響

在采樣體積為0.91 L的情況下，模擬GIS氣室壓力為0.45 MPa，當(dāng)模擬GIS氣室體積為1 L、8 L、20 L和40 L時(shí)，在線采樣系統(tǒng)回充效率的影響結(jié)果見(jiàn)表2。

表2不同氣室體積的回充試驗(yàn)結(jié)果

序號(hào)氣室大小/L氣體回充效率/%111002410038100420100540100

表2顯示對(duì)于不同大小的GIS氣室，采用本項(xiàng)目研發(fā)的SF6在線檢測(cè)裝置，單次采樣回充效率均能達(dá)到100%。說(shuō)明該SF6在線采樣系統(tǒng)可適用于變電站不同大小GIS氣室的在線檢測(cè)分析。

3.1.3重復(fù)性試驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)采樣體積為0.91 L的情況下，模擬GIS氣室壓力為0.45 MPa時(shí)，使用SF6在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)模擬GIS氣室進(jìn)行連續(xù)多次采樣檢測(cè)，重復(fù)性次數(shù)對(duì)該系統(tǒng)氣體回充效率的影響結(jié)果見(jiàn)表3。

表3回充重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

序號(hào)連續(xù)采樣次數(shù)氣體回充效率/%111002510031010041510052099.994

表3顯示當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)采樣次數(shù)大于20次時(shí)，氣體回充效率為99.994%，即在連續(xù)20次的采樣過(guò)程中，有約0.006%的氣體泄漏。根據(jù)GB 11023—1989《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備六氟化硫氣體密封試驗(yàn)方法》規(guī)定GIS設(shè)備每年1%的泄漏率要求，對(duì)于20 L、0.4 MPa的GIS氣室，使用該系統(tǒng)可以連續(xù)采集約2 000次，完全能達(dá)到在線檢測(cè)GIS設(shè)備SF6氣體組分變化的目的。

3.1.4氣體泄漏率試驗(yàn)

SF6在線分析系統(tǒng)在一定階段會(huì)執(zhí)行抽真空功能，這時(shí)系統(tǒng)管路處于負(fù)壓(小于0.1 MPa，絕對(duì)壓力)狀態(tài)，理論上可能會(huì)造成高壓空氣向系統(tǒng)內(nèi)泄漏，而泄漏率試驗(yàn)就是反映空氣向SF6在線采樣系統(tǒng)的泄漏指標(biāo)。為進(jìn)行SF6在線采樣檢測(cè)系統(tǒng)的泄漏率試驗(yàn)，采用1.02 L模擬GIS氣室，連續(xù)檢測(cè)5次、10次、20次，并采用GC-14CPTF氣相色譜儀(純度精度：±1%)對(duì)模擬GIS氣室內(nèi)的氣體純度檢測(cè)，以模擬GIS氣室內(nèi)SF6氣體純度的變化來(lái)反應(yīng)SF6在線采樣檢測(cè)系統(tǒng)的泄漏率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。當(dāng)連續(xù)采樣次數(shù)為5次時(shí)，采樣結(jié)束后GIS氣室內(nèi)SF6的體積分?jǐn)?shù)約為0.002 9%，但連續(xù)采樣次數(shù)為10次、20次時(shí)，采樣結(jié)束后GIS氣室內(nèi)SF6的體積分?jǐn)?shù)卻變大，分別為0.002 7%和0.015 8%，遠(yuǎn)低于±1%的精度值。由此可知，當(dāng)SF6在線采樣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，不會(huì)發(fā)生空氣向SF6在線分析系統(tǒng)內(nèi)的泄漏。

表4　氣體泄漏率試驗(yàn)結(jié)果

3.2微水檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

圖7　B-A一致性分析圖

如圖7所示，所有散點(diǎn)中有95.23 %(1/21)的散點(diǎn)位于95 %的一致性界限以內(nèi)，滿足B-A一致性評(píng)價(jià)的第一條件。SF6在線檢測(cè)系統(tǒng)微水檢測(cè)值M與微水分析儀檢測(cè)值N的95%的一致性界限為(-2.3, 1.3)Td/℃，且政治性界限內(nèi)所有的點(diǎn)均位于實(shí)際中可接受的(-2, 2)Td/℃范圍，表明SF6在線檢測(cè)系統(tǒng)微水檢測(cè)值M與微水分析儀檢測(cè)值N具有良好的一致性，兩種檢測(cè)方法可以互相代替。

4結(jié)論

本文研制的SF6微水在線檢測(cè)系統(tǒng)極大提高了高壓電氣設(shè)備微水檢測(cè)的準(zhǔn)確度和安全性，并得到如下結(jié)果：

a) 采樣、分析和回充的操作過(guò)程中，該系統(tǒng)在不同采樣體積、不同氣室大小和連續(xù)性重復(fù)試驗(yàn)中的氣體回充效率均能達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)注要求；

b) 通過(guò)SF6氣體在線檢測(cè)裝置的泄漏率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)采樣過(guò)程中，不會(huì)造成高壓空氣向系統(tǒng)內(nèi)部泄漏的問(wèn)題；

c) 水檢測(cè)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果表明，SF6在線檢測(cè)系統(tǒng)微水檢測(cè)值與微水分析儀檢測(cè)值具有良好的一致性，兩種檢測(cè)方法可以互相代替。

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樊小鵬(1986)，男，山西洪洞人。工程師，工學(xué)博士，主要從事電力環(huán)境保護(hù)工作。

周永言(1964)，男，湖南湘鄉(xiāng)人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事發(fā)電廠化學(xué)分析、鍋爐及設(shè)備保護(hù)、燃煤分析、變電站保護(hù)工作。

李麗(1971)，女，江西全南人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力環(huán)境保護(hù)，SF6清潔生產(chǎn)和職業(yè)衛(wèi)生相關(guān)工作。

(編輯王夏慧)

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

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TM 938.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)02-0059-05

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

收稿日期：2014-12-08