袁小芳，祁 炯，趙 躍，馬鳳翔，宋玉梅，劉子恩，劉 偉

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022)

0 前言

六氟化硫(SF6)氣體的化學(xué)性質(zhì)是極為穩(wěn)定的，純SF6是無毒的，但其在電弧作用下的分解氣體卻是有毒或劇毒的。當(dāng)SF6氣體中含有水分、空氣雜質(zhì)，且與設(shè)備絕緣材料接觸時，一部分離解的分解產(chǎn)物會與這些物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成酸和酸性物質(zhì)[1-5]，這些物質(zhì)會對設(shè)備的金屬部件和絕緣材料造成腐蝕，從而影響電氣設(shè)備的機械、導(dǎo)電、絕緣性能，而且，SF6氣體中的酸度在一定程度上代表著SF6絕緣氣體的毒性大小，所以，有效地檢測SF6氣體中的酸度含量至關(guān)重要，以保證人身和電氣設(shè)備的安全。

傳統(tǒng)的SF6氣體中的酸度含量檢測是純手工滴定，操作比較繁瑣。隨著電力行業(yè)特高壓電網(wǎng)建設(shè)進程的加快，SF6氣體酸度的快速、準(zhǔn)確檢測迫在眉睫，因此研究SF6氣體中酸性物質(zhì)的快速吸收方法，以便使檢測能夠滿足低含量、高精度、準(zhǔn)確可靠的要求。

1 酸度檢測方法的研究

1.1 傳統(tǒng)的酸度檢測方法

SF6絕緣氣體中的酸度主要指SF6絕緣氣體中的酸(HF)和酸性物質(zhì)(S02)的存在程度，傳統(tǒng)SF6氣體酸度測定原理為一定體積SF6氣體中的酸性物質(zhì)被含有指示劑的酸堿溶液吸收，過量的堿用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。根據(jù)消耗酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積、濃度及SF6氣體質(zhì)量，計算出酸度，結(jié)果以氫氟酸(HF)的質(zhì)量和SF6氣體質(zhì)量比(μg/g)表示。操作如圖1所示，圖1為酸度吸收裝置，圖中5、6、7內(nèi)各加入150mL試驗用水，再用移液管分別加入2.0mL氫氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液，搖勻，并按圖1連接。同時記錄濕式氣體流量計的讀數(shù)V1，大氣壓力P1及室溫t1，依次打開SF6氣體的流量約為500mL/min。通氣約20min后，依次關(guān)閉鋼瓶及氧氣減壓表閥門。記錄濕式流量計的讀數(shù)V2，大氣壓力P2及室溫t2。最后拆下圖1中吸收瓶5、6、7，分別加入8滴混合指示劑，立即置于磁力攪拌器上，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(酒紅色)。記錄各吸收液所消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)液體積X、Y、B，若第二只吸收瓶的耗酸量大于第一只吸收瓶中耗酸量的10%，則認(rèn)為吸收不完全，需重新吸收。

圖1 傳統(tǒng)酸度檢測吸收裝置示意圖

上述主要依據(jù)DL/T916-2005《六氟化硫氣體酸度測定法》[6]和GB/T12022-2014《工業(yè)六氟化硫》[7]中的方法。SF6氣體通過一定濃度的NaOH溶液，酸性物質(zhì)被吸收后，再用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點。該方法存在以下缺點：(1)NaOH常壓吸收SF6氣體，吸收不完全，導(dǎo)致檢測重復(fù)性較差；(2)滴定終點顏色變化，純?nèi)庋勰恳暸袛?，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，平行試驗相對偏差大，不同技術(shù)人員測定結(jié)果誤差更大；(3)完全手動操作，耗時長，誤差不可避免，且有一系列的疊加誤差。

1.2 改進的酸度檢測方法

針對SF6中酸度檢測的傳統(tǒng)手工測量的技術(shù)問題，開展SF6中酸度的檢測方法及裝置的研究，實現(xiàn)SF6氣體酸度的快速準(zhǔn)確的檢測，研究SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制方法和裝置，解決酸度測量時標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞問題，實現(xiàn)SF6氣體中酸度檢測裝置直接校準(zhǔn)，避免了手工測量引起的試驗時間長、溶液量大及精度不高的問題，研究內(nèi)容框架如圖2所示。

圖2 SF6中酸度的現(xiàn)場檢測方法及裝置的研究

1.2.1 SF6氣體中酸性物質(zhì)“微正壓”吸收技術(shù)的研究

傳統(tǒng)的檢測方法是在常壓下采用純手動裝置，試驗裝置負(fù)責(zé)，且吸收速度慢，氣體與吸收溶液的接觸面積有限，為此，采用“微正壓”吸收技術(shù)，利用氣體在本身吸收池中形成的壓力，增大雜質(zhì)氣體在吸收液中的溶解系數(shù)(ki)，ki值越大，雜質(zhì)氣體在吸收液中的溶解度越高，也越容易與吸收液發(fā)生反應(yīng)，有利于促進吸收完全。

研究了氣體中酸性物質(zhì)快速吸收方法及裝置，如圖3所示，包括氣體吸收池、吸收液，吸收液設(shè)置于氣體吸收池內(nèi)部，設(shè)計一個新型細(xì)長狀氣體吸收池裝置，氣體吸收池的體積為100ml，氣體吸收池的高度與徑向尺寸之比為8:1，可大大增加氣體在吸收液中的行程，有效減少吸收液使用量。吸收液為一定濃度的氫氧化鈉溶液，能吸收SF6中酸性物質(zhì)；氣體吸收池的控制管路上設(shè)置有若干可任意進行開閉操作的電磁閥；氣體吸收池的底部連接有進氣口，進氣口與氣體吸收池的底部之間還依次連接有減壓閥、穩(wěn)流閥；氣體吸收池的底部還連接有自動進樣器、排液口，用于吸收液的定量加入與排放；氣體吸收池的頂部連接有排氣口，當(dāng)氣體吸收池內(nèi)壓力超過設(shè)定值時自動排氣；氣體吸收池的頂部設(shè)置有壓力傳感器，可實時顯示氣體吸收池內(nèi)的壓力。

圖3 SF6氣體中酸性物質(zhì)吸收裝置原理圖

1-氣體吸收池，2-電磁閥一，3-自動進樣器，4-電磁閥二，5-進氣口，6-減壓閥，7-穩(wěn)流閥，8-壓力傳感器，9-電磁閥三，10-排氣口，11-電磁閥四，12-排液口

1.2.2 SF6氣體酸度檢測裝置的研制

SF6氣體酸度是工業(yè)SF6及運行中SF6氣體質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)檢測方法使用錐形瓶常壓吸收氣體，需要至少重復(fù)三次以保證吸收完全，且滴定終點的顏色變化，為肉眼感官判斷，平行試驗誤差大；為了試驗的準(zhǔn)確性，一般還需要多次進行試驗以求取平均值，過程繁雜且花費時間多。

本文的SF6氣體酸度檢測裝置包括氣體吸收池1和pH傳感器2，氣體吸收池1為細(xì)長結(jié)構(gòu)且豎直設(shè)置以優(yōu)化對SF6氣體的吸收效果，pH傳感器2側(cè)立于氣體吸收池1的側(cè)壁上且其信號探頭3位于氣體吸收池1內(nèi)，優(yōu)選地，pH傳感器2與水平面呈60°夾角。結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

首創(chuàng)的溶液酸堿度超靈敏捕捉技術(shù)，溯源對數(shù)原理，攻克了強堿溶液中微量酸性物質(zhì)引起的pH變化無法測量的難題，巧妙設(shè)計方法步驟，利用溯源pH測量原理，在pH值接近中性時，酸堿變化引起pH值的變化趨勢比較明顯，設(shè)計一組對比試驗，進行兩次pH值的測量，既保證吸收液堿性濃度，又使pH值變化范圍落在趨勢明顯區(qū)域，實現(xiàn)使用pH傳感器對SF6氣體酸度的測量。保證溶液中酸性物質(zhì)有效吸收的同時，將pH值調(diào)整到變化最敏感的區(qū)域。

圖4 SF6氣體酸度檢測裝置原理圖

1-氣體吸收池，2-pH傳感器，3-信號探頭，4-排液口，5-進氣口，6-手動進樣口，7-排氣口，8-壓力傳感器，9-純水進樣口，10-酸液進樣口，11-堿液進樣口，12-電磁閥

1.2.3 SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制裝置及方法研究

為了確保電氣設(shè)備的安全運行，必須控制SF6氣體中各類雜質(zhì)組分的含量，特別是對電氣設(shè)備固體絕緣材料存在嚴(yán)重腐蝕性的酸和酸性組分要進行嚴(yán)格控制，其中最主要的一種腐蝕性酸是HF。因此，SF6氣體在使用前需進行酸度檢測，但是，目前SF6氣體酸度的標(biāo)準(zhǔn)測量方法無法進行直接校準(zhǔn)，為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制裝置，如圖5所示，可直接連接SF6氣體酸度測量裝置對其進行校準(zhǔn)試驗，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 SF6中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制方法原理圖

1-第一水浴槽，2-第二水浴槽，3-加熱模塊，4-鉑電阻，5-進氣管路，6-出氣管路，7-內(nèi)槽，8-流量調(diào)節(jié)閥，9-循環(huán)泵，10-透氣膜

研制具有彼此連通的第一水浴槽和第二水浴槽的恒溫水浴裝置，為第一水浴槽內(nèi)配備加熱模塊和溫度檢測模塊；第二水浴槽的頂部密封，其內(nèi)部設(shè)有用于盛放氫氟酸液體的內(nèi)槽，在內(nèi)槽頂部設(shè)有密封蓋，密封蓋能夠打開以加入氫氟酸液體，密封蓋的前端和后端分別連接穿過第二水浴槽的進氣管路和出氣管路，出氣管路的出口與SF6氣體酸度測量裝置相連接。利用加熱模塊對恒溫浴槽加熱，浴槽保持一定溫度不變，通過將純SF6氣體自進氣管路以恒定的流速通入充滿HF蒸汽的內(nèi)槽中，實現(xiàn)制備具有標(biāo)準(zhǔn)濃度的HF氣體的SF6氣體；解決了使用SF6氣體酸度檢測裝置測量酸度時的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞問題，實現(xiàn)對SF6氣體酸度檢測裝置進行直接校準(zhǔn)，使其測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

通過對以上研究的集成，研制的SF6氣體中酸度現(xiàn)場檢測方法裝置典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 SF6氣體酸度現(xiàn)場檢測裝置典型結(jié)果圖

2 小結(jié)

現(xiàn)有技術(shù)中的SF6生產(chǎn)工藝會使氣體中不可避免地混有酸和酸性物質(zhì)，對電氣設(shè)備的安全性和使用壽命都存在很大的影響。SF6氣體酸度是工業(yè)SF6及運行中SF6氣體質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)檢測方法在常壓下采用純手動裝置，試驗裝置復(fù)雜、吸收速度慢，且吸收不完全，為解決傳統(tǒng)方法的不足之處，我們研制了一種SF6氣體酸度檢測裝置，采用細(xì)長結(jié)構(gòu)、豎直設(shè)置的吸收池帶壓吸收SF6中的酸性氣體，增大了氣體在溶液中的溶解度及氣體與溶液的接觸面積，使吸收過程更趨于完全、速度更快，實現(xiàn)了SF6氣體中酸性物質(zhì)的快速吸收，利用pH傳感器實現(xiàn)儀器化，避免了滴定過程中純?nèi)庋叟袛嘟K點，能夠?qū)崿F(xiàn)SF6氣體酸度的快速、準(zhǔn)確檢測，節(jié)約試驗時間、大大提高試驗準(zhǔn)確性，進一步為充氣電力設(shè)備的安全運行及監(jiān)督提供有力保障。