齊國(guó)棟，于乃海，冷述博，胥　婷，黃　清

（1.國(guó)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(guó)棟1，于乃海1，冷述博1，胥婷1，黃清2

（1.國(guó)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(guò)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(duì)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(duì)其中的水含量和關(guān)鍵雜質(zhì)組分進(jìn)行檢測(cè)，確保所用氣體符合國(guó)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(cè)

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(jí)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(zhǎng)、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(guó)家發(fā)展改革委向國(guó)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(gè)1 000 kV變電站。國(guó)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(guò)程中SF6新氣質(zhì)量檢測(cè)，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(duì)于SF6新氣的質(zhì)量控制尤為重要。

1　SF6氣體檢測(cè)意義

SF6氣體無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)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(lái)越廣泛的應(yīng)用于電氣設(shè)備中。但是在生產(chǎn)過(guò)程中或者在高能因子的作用下，會(huì)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(huì)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(huì)形成對(duì)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(guò)程中必須對(duì)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(cè)

目前SF6氣體中水分的檢測(cè)主要分為阻容法和冷凝式露點(diǎn)法，儀器測(cè)量誤差中要求阻容法儀器不超過(guò)±2.0℃，而冷凝式露點(diǎn)法儀器不超過(guò)±0.6℃［4］。基于SF6新氣中水分較低，因此本實(shí)驗(yàn)室對(duì)于水含量的檢測(cè)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(cè)氣體進(jìn)入露點(diǎn)測(cè)量室后，由于鏡面溫度高于氣體的露點(diǎn)溫度，需要通過(guò)光電控制對(duì)鏡面進(jìn)行制冷處理。當(dāng)溫度降至一定值后會(huì)在鏡面形成露滴，此時(shí)鏡面的溫度值即為被測(cè)氣體的露點(diǎn)值。

2.2檢測(cè)結(jié)果

鏡面露點(diǎn)儀檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

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(guò)量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成?；瘜W(xué)合成的過(guò)程中會(huì)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(guò)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(duì)于新氣中O2、N2、CF4、C2F6、C3F8等雜質(zhì)組分檢測(cè)尤為重要，若過(guò)量存在會(huì)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(cè)器法，由于受其靈敏度的制約，難以對(duì)C2F6和C3F8以及其他低氟化物進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)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(cè)，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(cè)器，檢測(cè)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(cè)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(guó)家二級(jí)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(guò)分離后會(huì)隨著載氣進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行電離，檢測(cè)器會(huì)根據(jù)電離后的已知濃度組分的譜峰信號(hào)確定出各自對(duì)應(yīng)的峰面積。依據(jù)同樣的方法檢測(cè)待測(cè)氣體，將所得到的待測(cè)氣體譜峰信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)氣體的譜峰信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，最終得到待測(cè)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(cè)器切換閥；15～18-檢測(cè)器切換閥接口；19-PDD檢測(cè)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(cè)器Ⅱ；33-放空閥；34-檢測(cè)器切換閥載氣。圖1　氣相色譜儀結(jié)構(gòu)

3.2檢測(cè)及結(jié)果分析

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用硫化物（SO2F2、H2S、COS、SOF2、CS2）和無(wú)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(duì)應(yīng)的譜圖如圖2～5所示。

圖2　H2、O2、N2組分色譜

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的分析，每種組分的保留時(shí)間及對(duì)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(duì)稱，不同組分之間無(wú)重峰，分離效果良好。

3.2.2待測(cè)樣品的檢測(cè)

圖6為一張典型的待測(cè)樣品的譜圖，從圖中可以看到待測(cè)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(cè)樣品中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按照式（2）計(jì)算，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表4　標(biāo)準(zhǔn)氣體各組分保留時(shí)間及峰面積

圖6　待測(cè)樣品的分析譜圖

式中：wi為待測(cè)樣品中被測(cè)組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，μg/g；Ai為待測(cè)樣品中被測(cè)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(duì)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(cè)，檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)出。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室手段對(duì)泉城1 000 kV變電站建設(shè)過(guò)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(cè)，結(jié)果均符合國(guó)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(guò)程中對(duì)SF6氣體的質(zhì)量監(jiān)督非常重要，同時(shí)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(cè)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(cè)，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(hào)：TM213

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9904（2016）05-0033-04

收稿日期：2016-03-20

作者簡(jiǎn)介：

齊國(guó)棟（1987），男，工程師，從事電力用油（氣）工作。