王永奇，陳宏剛，樊新鴻，劉 媛

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

基于改進(jìn)露點(diǎn)法的SF6氣體濕度檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

王永奇，陳宏剛，樊新鴻，劉 媛

(國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050)

闡述了SF6電氣設(shè)備氣體水分的主要來源以及水分對(duì)電氣設(shè)備的危害，分析了目前常用的SF6電氣設(shè)備氣體濕度檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于改進(jìn)冷鏡面露點(diǎn)法的SF6氣體濕度綜合檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測量范圍寬、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可提高SF6電氣設(shè)備氣體現(xiàn)場試驗(yàn)的工作效率。

SF6電氣設(shè)備；露點(diǎn)法；濕度綜合檢測

0 引言

SF6在常溫常壓下為無色、無臭、無毒、不可燃的氣體，不僅化學(xué)性能穩(wěn)定，而且具有優(yōu)越的絕緣和滅弧性能，是一種理想的絕緣介質(zhì)。因此，SF6電氣設(shè)備在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛。

雖然SF6氣體絕緣性能優(yōu)越，但是若其含有水分，則電氣強(qiáng)度就會(huì)顯著降低。在高溫、有電弧或電暈的條件下，微量的水分與SF6氣體、金屬材料發(fā)生水解反應(yīng)，生成劇毒物和腐蝕性氣體，會(huì)損壞絕緣或腐蝕金屬。SF6電氣設(shè)備中的SF6氣體濕度大小直接影響著電氣設(shè)備及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此國內(nèi)外相關(guān)單位十分重視SF6電氣設(shè)備氣體濕度的檢測和控制。

1 SF6氣體濕度檢測方法

高壓電氣設(shè)備中SF6氣體水分的來源主要如下：

(1)?SF6新氣中固有的殘留水分；

(2)?SF6電氣設(shè)備在安裝、檢修過程中都可能接觸水分，并導(dǎo)致水分浸入設(shè)備中；

(3)?SF6電氣設(shè)備的有機(jī)絕緣材料內(nèi)部仍含有0.1?%—0.5?% 重量比的水分；

(4)?吸附劑帶入水分；

(5)?作為絕緣介質(zhì)的SF6氣體在運(yùn)行一段時(shí)間后濕度就會(huì)升高；

(6)?透過密封件滲入的水分。

目前電力系統(tǒng)常用的SF6濕度檢測方法主要有重量法、電解法、露點(diǎn)法、阻容法、光譜吸收法。

1.1 重量法

檢測原理：將一定體積的待測SF6氣體通過裝有無水高氯酸鎂作干燥劑的U形管，根據(jù)管的增重計(jì)算該體積氣體的濕度。

優(yōu)點(diǎn)：該方法可以用來校核其他檢測方法。

缺點(diǎn)：需要玻璃U形管、氣量計(jì)、過濾器、精密天平等儀器，測量過程復(fù)雜。

因此，重量檢測法不適宜在現(xiàn)場應(yīng)用，但可以在實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)其他方法的準(zhǔn)確性。

1.2 電解法

檢測原理：讓待測氣體通過電解池，若SF6氣體中含有水分，其通過電解池的時(shí)候，水分被干燥的五氧化二磷薄膜吸收。同時(shí)，電流流過薄膜，將吸收的水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣。根據(jù)法拉第定律，電解水所需的電量與薄膜吸入的水分正相關(guān)，因此可以通過測量電解電流的大小求得SF6氣體中的水分含量。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格較低、維修方便。

缺點(diǎn)：現(xiàn)場測量前，系統(tǒng)本身并不干燥，往往有本底值，使測量結(jié)果不夠精確。環(huán)境溫度和濕度對(duì)電解法測量結(jié)果有較大影響。

電解檢測法操作步驟繁瑣，并不適合現(xiàn)場測量使用。

1.3 露點(diǎn)法

檢測原理：使待測氣體通過一個(gè)密閉的槽，在槽內(nèi)有一個(gè)暴露的金屬鏡面。調(diào)節(jié)鏡面溫度，當(dāng)溫度足夠低時(shí)，氣體中的水分或其他物質(zhì)在鏡面上冷凝形成明顯的霧或者“露”，或者在低溫時(shí)形成結(jié)晶的“霜”。當(dāng)冷凝保持在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，鏡面溫度就是待測氣體中水分或其他物質(zhì)的露點(diǎn)。查表就可以推算出SF6氣體中的水分含量。

優(yōu)點(diǎn)：精度高，尤其在采用半導(dǎo)體制冷和光電檢測技術(shù)后，不確定度甚至可達(dá)0.1?℃；校準(zhǔn)周期長，穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)：響應(yīng)速度較慢，尤其在露點(diǎn)-60?℃以下，平衡時(shí)間甚至達(dá)幾個(gè)小時(shí)。在夏季環(huán)境溫度很高的情況(35?℃以上)時(shí)，測量濕度較低的氣體有可能出現(xiàn)儀器制冷量達(dá)不到要求的情況，即鏡面溫度已無法下降，但鏡面卻始終沒有結(jié)露。而且此方法對(duì)樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，否則會(huì)影響光電檢測效果或產(chǎn)生“偽結(jié)露”，造成測量誤差。

1.4 阻容法

檢測原理：利用吸濕物質(zhì)的電學(xué)參數(shù)隨溫度變化的原理進(jìn)行濕度測量。使SF6氣體與測量探頭充分接觸，其中的水分被多孔性的氧化鋁層吸附，使電容器的阻抗發(fā)生變化。其改變量與水蒸氣濃度成一定關(guān)系，經(jīng)過標(biāo)定就可以定量測量SF6氣體中的水分含量。

優(yōu)點(diǎn)：具有線性好、抗干擾、響應(yīng)快、測量范圍寬、高穩(wěn)定的特點(diǎn)；同時(shí)在低濕段的線性佳，靈敏度高。

缺點(diǎn)：一般半年應(yīng)校驗(yàn)1次儀器，穩(wěn)定性較差。

1.5 光譜吸收法

檢測原理：測量氣體分子的紅外吸收光譜是識(shí)別氣體分子和測量氣體體積分?jǐn)?shù)的有效手段之一。不同的氣體都對(duì)應(yīng)有不同的特征吸收峰，而且特征吸收峰的強(qiáng)度和氣體濃度相一致。這一特點(diǎn)就決定了光譜吸收型光纖傳感器的選擇性、鑒別性和計(jì)算氣體體積分?jǐn)?shù)的唯一確定性。

優(yōu)點(diǎn)：該方法具有較高的測量精度和時(shí)分辨率，使用操作簡單，選擇性好，不易受有害氣體的影響而中毒、老化，響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)：作為一種新興的測量方法，其設(shè)備造價(jià)高，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求高，在技術(shù)方面還有待提高。

雖然目前SF6氣體濕度檢測方法比較多，但仍以露點(diǎn)檢測法最為常用。重量法只適合在實(shí)驗(yàn)室使用，不宜在現(xiàn)場使用。電解法和阻容法是以離線檢測為基礎(chǔ)的。光譜吸收法等方法尚在實(shí)驗(yàn)階段，沒有大規(guī)模應(yīng)用的實(shí)例。

2 采用露點(diǎn)法檢測存在的問題分析

SF6電氣設(shè)備現(xiàn)場檢測氣體濕度的要求為：測量時(shí)間短，工作效率高，節(jié)省氣源；測量精度高，結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確；測量范圍寬，無測量盲區(qū)；測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好。目前，采用露點(diǎn)法檢測存在如下幾個(gè)問題。

(1)?高溫低濕情況下數(shù)據(jù)長時(shí)間振蕩跳躍，不穩(wěn)定，難以讀取終值，或者長時(shí)間測不出值。低濕樣氣中水分子少，難以提供建立“特定厚度”霜層所需的水分子。

(2)?鏡面溫度難以降低至露點(diǎn)溫度(T0)以下，揮發(fā)水分子數(shù)量大于凝結(jié)水分子數(shù)量，無法建立霜層至“特定厚度”。傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)需要制冷泵多次提供低于T0的溫度才能最終找到T0，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，長時(shí)間測不出值或測量失敗。野外SF6氣體濕度現(xiàn)場試驗(yàn)，在間歇測量時(shí)，每次測量都會(huì)出現(xiàn)測量系統(tǒng)平衡后濕度值持續(xù)走低的現(xiàn)象。

(3)?受環(huán)境溫度、大氣壓力(特別是高原地區(qū))影響大。

為滿足現(xiàn)場測量要求，提出了一種改進(jìn)的冷鏡面露點(diǎn)檢測系統(tǒng)，以克服原露點(diǎn)法存在的響應(yīng)速度較慢、高溫低濕制冷難等問題。通過對(duì)檢測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善原露點(diǎn)法的缺點(diǎn)，適用于現(xiàn)場測量SF6氣體濕度。

3 基于改進(jìn)冷鏡面露點(diǎn)法的濕度檢測系統(tǒng)

3.1 智能快速響應(yīng)系統(tǒng)

針對(duì)現(xiàn)場檢測出現(xiàn)的高溫低濕條件下用以判斷是否達(dá)到相平衡狀態(tài)的“特定厚度”霜層難以形成，以及低濕樣氣中水分子少，難以提供建立“特定厚度”霜層所需的水分子等問題，設(shè)計(jì)了SF6電氣設(shè)備氣體濕度智能快速響應(yīng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)通過光能量的變化監(jiān)測鏡面的霜層厚度及其變化率，從而計(jì)算滲透管內(nèi)的水分含量；再綜合滲透管出口到鏡面的管路長度和內(nèi)徑、當(dāng)前形成的霜層厚度等因素，計(jì)算得到加濕系統(tǒng)應(yīng)該關(guān)閉的時(shí)刻；使鏡面的霜層迅速建立到“特定厚度”又不至于過量。此系統(tǒng)克服了環(huán)境濕度對(duì)加濕效果的影響，使建立“特定厚度”霜層的時(shí)間從幾分鐘甚至幾十分鐘縮短為幾秒鐘。在環(huán)境濕度變化時(shí)，智能快速響應(yīng)系統(tǒng)效果更加明顯，如圖1所示。

圖1 智能快速響應(yīng)系統(tǒng)

3.2 采用模糊控制技術(shù)

當(dāng)環(huán)境溫度越高時(shí)，露點(diǎn)室可降至的極限溫度升高，難以提供或難以多次提供反復(fù)重建霜層所需的低于T0的溫度，使系統(tǒng)振蕩，長時(shí)間測不出值或測量失敗。針對(duì)“系統(tǒng)振蕩，測不出值”的問題，采用模糊控制技術(shù)加以解決。

基于數(shù)字信號(hào)處理器(digital?signal?processing，DSP)的模糊控制技術(shù)最大限度減少了霜層重建次數(shù)；與智能響應(yīng)系統(tǒng)共同作用，理想情況下可一次性建立霜層至“特定厚度”并找到保持霜層“特定厚度”不變的露點(diǎn)溫度(T0)，使露點(diǎn)測量平衡穩(wěn)定時(shí)間節(jié)省80?%以上。

采用基于DSP的模糊控制技術(shù)消除了傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)導(dǎo)致的測量過程振蕩，大大縮短了測量系統(tǒng)平衡穩(wěn)定時(shí)間；通過采用改進(jìn)型模糊控制算法、軟件濾波技術(shù)(SFIR)，使得測量更快速、準(zhǔn)確。改進(jìn)型模糊控制露點(diǎn)穩(wěn)定平衡過程如圖2所示。

3.3 采用濕度折算與壓力校正

針對(duì)現(xiàn)場檢測環(huán)境溫度、大氣壓力變化所造成的測量偏差問題，系統(tǒng)采用濕度折算與壓力校正方法來解決。

對(duì)DL/T?506—2007《六氟化硫電氣設(shè)備中絕緣氣體濕度測量方法》提出的要求，系統(tǒng)將其程序化，采用微處理器將不同溫度的被測氣體測量結(jié)果，通過查表法轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)條件下(20?℃)的濕度折算值;對(duì)于不能直接從表中獲取的值，采用線性插值的方法獲得接近真實(shí)值的折算值;并給出是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的判定結(jié)果。

圖2 改進(jìn)型模糊控制露點(diǎn)穩(wěn)定平衡過程

由于露點(diǎn)室內(nèi)的壓力是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的根本因素，所以將微型傳感器安裝在系統(tǒng)測量后端流量調(diào)節(jié)閥和露點(diǎn)室之間的管路內(nèi);當(dāng)后端流量調(diào)節(jié)閥完全打開時(shí)，可測量當(dāng)前大氣壓力值。微處理器在露點(diǎn)測量完畢時(shí)，根據(jù)測量的壓力對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行校正，并得出準(zhǔn)確的測量值。檢測系統(tǒng)的溫度折算與壓力校正界面如圖3所示。

圖3 溫度折算與壓力校正界面

4 應(yīng)用效果

當(dāng)溫度曲線達(dá)到平衡、溫度基本穩(wěn)定不變，儀器會(huì)自動(dòng)給出露點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濕度值，此時(shí)即達(dá)到平衡狀態(tài)。稍等1—2?min即可按“停止”鍵，停止測量后，儀器自動(dòng)將測量結(jié)果記錄、保存。檢測儀器露點(diǎn)測量平衡穩(wěn)定曲線如圖4所示。通過實(shí)時(shí)曲線可以看出，檢測過程能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，克服了改進(jìn)前冷鏡面露點(diǎn)現(xiàn)場檢測存在的響應(yīng)速度較慢、系統(tǒng)振蕩、長時(shí)間測不出值或測量失敗以及檢測過程受環(huán)境影響大等問題。濕度測量值隨著冷鏡溫度變化而變化，當(dāng)測量值接近平衡時(shí)儀器就會(huì)實(shí)時(shí)顯示濕度值。測量過程一目了然，易于判斷測量過程是否已穩(wěn)定，讀取結(jié)果更容易。中出現(xiàn)的響應(yīng)速度較慢、系統(tǒng)振蕩、長時(shí)間測不出值或測量失敗以及受環(huán)境影響大等問題。該系統(tǒng)測量范圍寬、工作穩(wěn)定、測量速度快(一般為1.5—3?min)，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行壓力校正后再進(jìn)行符合國家標(biāo)準(zhǔn)的溫度折算，能直接反映被測氣體真實(shí)濕度情況并對(duì)結(jié)果合格性進(jìn)行即時(shí)判定，為現(xiàn)場試驗(yàn)工作提供了極大方便，提高了電力試驗(yàn)的工作效率。

圖4 檢測儀器露點(diǎn)測量平衡穩(wěn)定曲線

5 結(jié)束語

運(yùn)行中的SF6電氣設(shè)備對(duì)于SF6氣體濕度的要求相當(dāng)嚴(yán)格，對(duì)于出現(xiàn)SF6濕度檢測值超標(biāo)的電氣設(shè)備要及時(shí)進(jìn)行原因分析及處理，以確保設(shè)備及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

基于改進(jìn)冷鏡面露點(diǎn)法的SF6電氣設(shè)備氣體濕度檢測系統(tǒng)，采用智能快速響應(yīng)系統(tǒng)、濕度折算與壓力校正方法及改進(jìn)型模糊控制算法，徹底解決了電力試驗(yàn)工作中SF6電氣設(shè)備氣體濕度現(xiàn)場測量中出現(xiàn)的響應(yīng)速度較慢、系統(tǒng)振蕩、長時(shí)間測不出值或測量失敗以及受環(huán)境影響大等問題。該系統(tǒng)測量范圍寬、工作穩(wěn)定、測量速度快(一般為1.5—3?min)，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行壓力校正后再進(jìn)行符合國家標(biāo)準(zhǔn)的溫度折算，能直接反映被測氣體真實(shí)濕度情況并對(duì)結(jié)果合格性進(jìn)行即時(shí)判定，為現(xiàn)場試驗(yàn)工作提供了極大方便，提高了電力試驗(yàn)的工作效率。

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2017-06-04。

王永奇(1983—)，男，工程師，主要從事SF6電氣設(shè)備故障診斷及分析工作，email：wangyongqi33@126.com。

陳宏剛(1979—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)備故障診斷。

樊新鴻(1990—)，男，工程師，主要從事SF6電氣設(shè)備故障診斷及分析工作。

劉??媛(1975—)，女，工程師，主要從事絕緣油檢測分析工作。