齊國棟，于乃海，冷述博，胥　婷，黃　清

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南　250003）

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1 000 kV泉城站SF6新氣實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制

齊國棟1，于乃海1，冷述博1，胥婷1，黃清2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

摘要：特高壓變電站在新建過程中需要向電氣設(shè)備注入SF6氣體，為保障設(shè)備的良好運(yùn)行，對注入的SF6新氣質(zhì)量要求嚴(yán)格。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室手段對其中的水含量和關(guān)鍵雜質(zhì)組分進(jìn)行檢測，確保所用氣體符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：特高壓；SF6；水含量；雜質(zhì)組分；氦離子檢測

0　引言

特高壓輸電是指在超高壓輸電的基礎(chǔ)上，使用1 000 kV及以上的電壓等級輸送電能，實(shí)現(xiàn)大功率的中、遠(yuǎn)距離輸電以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的電力系統(tǒng)互聯(lián)，建成聯(lián)合電力系統(tǒng)［1］。

隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步以及火電增速的放緩，山東省用電缺口在逐年增大，急需特高壓遠(yuǎn)距離的輸電支持。2014年7月12日，國家發(fā)展改革委向國網(wǎng)公司正式下發(fā)了《關(guān)于錫盟—山東1 000 kV特高壓交流輸變電工程核準(zhǔn)的批復(fù)》，明確錫盟—北京東—濟(jì)南雙回1 000 kV輸變電工程，并新建錫盟、北京東和濟(jì)南3個1 000 kV變電站。國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院六氟化硫?qū)嶒?yàn)室承擔(dān)了泉城特高壓站建設(shè)過程中SF6新氣質(zhì)量檢測，泉城特高壓站所建六氟化硫電氣設(shè)備需要約3 500瓶SF6氣體，對于SF6新氣的質(zhì)量控制尤為重要。

1　SF6氣體檢測意義

SF6氣體無毒、無味、無色并且化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，具有優(yōu)越的電氣絕緣性能和滅弧性能，被越來越廣泛的應(yīng)用于電氣設(shè)備中。但是在生產(chǎn)過程中或者在高能因子的作用下，會產(chǎn)生若干有毒甚至劇毒、強(qiáng)腐蝕性的有害雜質(zhì)引起設(shè)備材質(zhì)的腐蝕；水分的存在會在一定條件下導(dǎo)致電氣性能的劣化，可能造成嚴(yán)重設(shè)備事故；硫、氟、氧、氫等元素組合會形成對人體危害極大的化合物，甚至導(dǎo)致人身傷亡。SF6氣體是電氣設(shè)備（GIS、互感器、斷路器、接地開關(guān)等）的主要絕緣介質(zhì)，電氣設(shè)備的絕緣性能和滅弧性能與SF6氣體質(zhì)量存在必然聯(lián)系［2］。因此，在設(shè)備安裝過程中必須對SF6氣體進(jìn)行質(zhì)量控制，防止不合格氣體注入設(shè)備。根據(jù)GB/T 12022—2014《工業(yè)六氟化硫》要求［3］，SF6新氣質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

表1　SF6新氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求

2　SF6新氣水含量實(shí)驗(yàn)室檢測

目前SF6氣體中水分的檢測主要分為阻容法和冷凝式露點(diǎn)法，儀器測量誤差中要求阻容法儀器不超過±2.0℃，而冷凝式露點(diǎn)法儀器不超過±0.6℃［4］?；赟F6新氣中水分較低，因此本實(shí)驗(yàn)室對于水含量的檢測采用精度更高的冷凝式露點(diǎn)儀。

2.1儀器及原理

試驗(yàn)儀器：DP99mini鏡面露點(diǎn)儀，準(zhǔn)確度±0.2℃，取樣氣體流量為25～30 L/h。

工作原理：被測氣體進(jìn)入露點(diǎn)測量室后，由于鏡面溫度高于氣體的露點(diǎn)溫度，需要通過光電控制對鏡面進(jìn)行制冷處理。當(dāng)溫度降至一定值后會在鏡面形成露滴，此時鏡面的溫度值即為被測氣體的露點(diǎn)值。

2.2檢測結(jié)果

鏡面露點(diǎn)儀檢測值為水體積分?jǐn)?shù)，可按下式將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：wH2O為水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，μg/g；φH2O為水的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；MH2O為水的摩爾質(zhì)量，18 g/mol；MSF6為SF6的摩爾質(zhì)量，146 g/mol。

根據(jù)1 000 kV泉城站所到SF6氣體數(shù)量，按照GB/T 12022—2014《工業(yè)六氟化硫》規(guī)定，現(xiàn)階段抽檢81瓶新氣。執(zhí)行抽檢標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，所抽檢SF6氣體的水含量檢測情況如表3所示。

表2　瓶裝SF6新氣抽樣檢查表

表3　SF6新氣水含量檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SF6新氣中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wH2O≤5μg/g，從表3中可以看到，實(shí)驗(yàn)室所抽檢81瓶SF6新氣的檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3　SF6新氣雜質(zhì)組分色譜檢測

SF6氣體是一種合成氣體，常用生產(chǎn)方法為單質(zhì)硫磺和過量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成。化學(xué)合成的過程中會產(chǎn)生多種雜質(zhì)，例如O2、N2、CF4、C2F6、C3F8、SO2F2、SOF2、S2OF10等。工業(yè)化生產(chǎn)的SF6氣體粗品必須經(jīng)過熱解、水洗、堿洗、吸附、干燥等凈化精制才能得到符合要求的新氣。對于新氣中O2、N2、CF4、C2F6、C3F8等雜質(zhì)組分檢測尤為重要，若過量存在會直接影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。常規(guī)的氣相色譜熱導(dǎo)檢測器法，由于受其靈敏度的制約，難以對C2F6和C3F8以及其他低氟化物進(jìn)行檢測。本實(shí)驗(yàn)室選用了高靈敏度的氦離子化氣相色譜儀，能對SF6氣體中O2、N2、CF4、C2F6、C3F8、SO2F2、SOF2、SO2、H2S等15種雜質(zhì)組分進(jìn)行高靈敏度檢測，保證了泉城特高壓站采用的SF6氣體質(zhì)量。

3.1儀器及原理

儀器及材料：氦離子氣相色譜儀（采用氦離子化檢測器，檢測器溫度為180℃）；色譜柱選用Porpark Q，柱爐溫度為50℃；進(jìn)樣方式為定量管進(jìn)樣，壓力控制0.1 MPa；檢測靈敏度10-9；載氣為氦氣，純度大于99.999%；標(biāo)準(zhǔn)混合氣體為國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以氦氣為底氣。

分析原理：載氣（高純氦，99.999%）經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)入鈍化器，鈍化后的載氣流經(jīng)定量管，將標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品帶入色譜柱，標(biāo)準(zhǔn)氣體中的各種組分經(jīng)過分離后會隨著載氣進(jìn)入檢測器進(jìn)行電離，檢測器會根據(jù)電離后的已知濃度組分的譜峰信號確定出各自對應(yīng)的峰面積。依據(jù)同樣的方法檢測待測氣體，將所得到的待測氣體譜峰信號和標(biāo)準(zhǔn)氣體的譜峰信號進(jìn)行比對，最終得到待測氣體中各種組分的濃度。色譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

1-進(jìn)樣管；2-定量管；3-載氣；4-進(jìn)樣閥；5～10-進(jìn)樣閥接口；11-放空閥；12-色譜柱Ⅰ；13-連接管路；14-檢測器切換閥；15～18-檢測器切換閥接口；19-PDD檢測器Ⅰ；20-放空閥；21-分流器；22-氣流阻尼；23-放空閥；24-色譜柱Ⅱ；25-四通切換閥；26～29-四通切換閥接口；30-放空閥；31-四通閥載氣；32-PDD檢測器Ⅱ；33-放空閥；34-檢測器切換閥載氣。圖1　氣相色譜儀結(jié)構(gòu)

3.2檢測及結(jié)果分析

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測

實(shí)驗(yàn)過程中采用硫化物（SO2F2、H2S、COS、SOF2、CS2）和無機(jī)組分（H2、N2、O2、CH4、CO、CF4、CO2、C2F6、C3F8、SO2）混合物兩種標(biāo)準(zhǔn)氣體，各標(biāo)準(zhǔn)組分對應(yīng)的譜圖如圖2～5所示。

圖2　H2、O2、N2組分色譜

通過對標(biāo)準(zhǔn)氣體的分析，每種組分的保留時間及對應(yīng)的峰面積如表4所示。

圖3　CH4、CO、CF4、CO2、C2F6組分色譜

圖4　C3F8、SO2組分色譜

圖5　SO2F2、H2S、COS、SOF2、CS2組分色譜

從標(biāo)準(zhǔn)氣體各組分譜圖可看出，各組分所出峰形均比較對稱，不同組分之間無重峰，分離效果良好。

3.2.2待測樣品的檢測

圖6為一張典型的待測樣品的譜圖，從圖中可以看到待測樣品中含有N2、O2、C2F6和C3F8，而CF4及低氟化物等其他組分未檢出。

待測樣品中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按照式（2）計(jì)算，檢測結(jié)果如表5所示。

表4　標(biāo)準(zhǔn)氣體各組分保留時間及峰面積

圖6　待測樣品的分析譜圖

式中：wi為待測樣品中被測組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，μg/g；Ai為待測樣品中被測組分i的峰面積，μV·s；As為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品中相應(yīng)已知組分的峰面積，μV·s；φs為氣體標(biāo)準(zhǔn)樣品中相應(yīng)已知組分的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；Mi為標(biāo)準(zhǔn)樣品中組分i的摩爾質(zhì)量，g/mol；MSF6為六氟化硫的摩爾質(zhì)量，146 g/mol。

依據(jù)上述方法，對1 000 kV泉城站用所抽檢的81瓶SF6新氣進(jìn)行雜質(zhì)組分色譜檢測，檢測結(jié)果如表6所示。

表5　某樣品所檢出組分峰面積及濃度

表6　所抽檢氣體雜質(zhì)組分的檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表6可以看出，實(shí)驗(yàn)室所抽檢81瓶SF6新氣的空氣、CF4、C2F6、C3F8關(guān)鍵雜質(zhì)組分檢測結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。標(biāo)準(zhǔn)氣中所涉及其他組分雜質(zhì)未檢測出。

4　結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室手段對泉城1 000 kV變電站建設(shè)過程中所用的SF6氣體按標(biāo)準(zhǔn)要求抽檢81瓶新氣進(jìn)行水含量和關(guān)鍵雜質(zhì)組分的檢測，結(jié)果均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。SF6氣體的質(zhì)量直接關(guān)系到電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，在安裝調(diào)試過程中對SF6氣體的質(zhì)量監(jiān)督非常重要，同時也是工程質(zhì)量和進(jìn)度的基本保證。

實(shí)驗(yàn)室所建立的氦離子化氣相色譜儀，由于檢測雜質(zhì)組分多，靈敏度高，可用于特高壓站運(yùn)行SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測，有效診斷設(shè)備運(yùn)行中存在的潛伏性故障。

參考文獻(xiàn)

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Laboratory Quality Control of New SF6Gas in 1 000 kV Quancheng Substation

QI Guodong1，YU Naihai1，LENG Shubo1，XU Ting1，HUANG Qing2
（1. State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2. Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Abstract:In UHV substation gas insulation electrical equipment need to be injected six sulfur hexafluoride gas in the new process. In order to ensure the good operation of the equipment，strict requirement of new injection gas quality is needed. The water content and impurity component of six fluoride sulfur are tested by laboratory means to ensure that the gas can meet requirements of the national standard，and to ensure the safe operation of the equipment.

Key words:UHV；SF6；water content；impurity component；PDHID

中圖分類號：TM213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）05-0033-04

收稿日期：2016-03-20

作者簡介：

齊國棟（1987），男，工程師，從事電力用油（氣）工作。