SF6微水含量在線檢測系統的研發

寧進榮

【摘 要】 SF6開關因為SF6優良的絕緣性和穩定性近年來得到了快速推廣應用，已經全面取代原來的油開關。但以SF6作保護氣一個最重要的前提是，SF6須非常的干燥，否則可能會引發嚴重的生產事故。由于開關柜密封的原因，SF6和空氣中的水分是不斷相互滲透的。為保證安全，必須經常地對SF6中的微水含量進行檢測。傳統的做法是，定期對SF6進行采樣分析。這種做法不僅SF6消耗大，工作量大，更重要的是不能及時發現問題。我們使用電容類濕敏元件做傳感器，設計開發出在線的SF6微水含量分析系統，以實時地對開關柜中的SF6的工況進行監控，并能較準確地反映出SF6的露點、含水量、密度、壓力及溫度等參數，一經發現，及時報警，將事故消滅于萌芽中。

【關鍵詞】 六氟化硫開關 微水含量 在線監測

【Abstract】 Famous for its good insulation and stability， SF6 Gas Insulation Switch is widely and rapidly applied these years， fully in replace of original oil switch. The most important premise for using SF6 as protective gas is that SF6 must be very dry， otherwise， it may cause serious accident. As the switch cabinet is closed， SF6 and water in the air is inter-infiltrated constantly. For security reason， the micro-water in SF6 must be checked constantly.Traditionally， sample analysis of SF6 will be done on a regular basis， the approach with take big workload and consume lots of SF6， but cant find problem in time. Now， we applied capacitance type humidity sensor， and developed on-line micro-water of SF6 analysis. By telling the parameters， such as drew point， water content， density， pressure and temperature， etc， SF6 in switch cabinet can be monitored in time and properly， Once a problem found， a timely alarm will be reported， and any possible accident will be nipped in the bud.

【Key words】 SF6 Gas switchgear； Moisture Content；On-line Monitoring

十二五規劃中，我國提出要大力發展智能電網，電力系統向超高壓、大電網、大容量和自動化方向發展，用于關合及開斷電力線路，以輸送和倒換電力負荷以及從電網中退出故障設備以保證系統安全運行的高壓開關就顯得尤為重要了。我們擬研發的SF6微水含量在線分析系統，也是順應這個規劃，為電網智能化，提供帶智慧的信息。對高壓開關的SF6微水含量進行實時的連續測量，可以及時地監測出高壓電氣設備保護氣體SF6出現的泄漏、水含量超標等事件，進而將可能影響電網安全運行的因素消滅在萌芽之中，從而保護電氣設備的安全。純凈的SF6，在高壓開關的運行過程中，受電弧放電或高溫后，會分解成單體硫、氟以及氟硫化合物：

正常情況下，當電弧或高溫條件消失后，分解成的物質又會合成穩定的SF6氣體。

SF6無色、無味，無毒，屬于惰性氣體，對人對設備均無害。而如果SF6氣體中含有水分的話，那怕只是微量水分時，受電弧或高溫分解產生的SF4就會與水反應生成腐蝕性很強的氫氟酸、氟氧化硫以及其他毒性很強的化學物質：

SOF2和HF都屬于劇毒物質，嚴重危及維護人員的生命安全。同時SOF2和2HF還是強腐蝕物質，對斷路器的絕緣材料或金屬材料可造成嚴重的侵蝕，使得絕緣老化，甚至可導致設備爆炸的危險。

因此監測SF6氣體中的微水含量，顯得特別的重要。目前監測SF6氣體中的微水含量，國內多采用“在線抽取樣氣、離線標準測量”的方式進行，即：先將樣氣從高壓開關中抽出來，然后使用微水儀進行測量。測量原理主要有重量法、電解法、露點法、振動頻率法以及阻容法等等。這些測量方法雖各有千秋，但都有相同的致命的缺點：（1）氣體微水測試儀的不同及測試技術上的差別，對測量結果影響很大；（2）抽取和檢測氣體時存在較大的人工誤差，而且樣氣進入檢測裝置前后周圍環境對濕度的最終結果影響極大；（3）從取樣到實驗室或進便攜式分析儀進行分析，作業流程復雜，花費的時間和費用較高，在技術經濟層面已不能適應電力系統發展的要求；（4）檢測周期長，不能及時發現設備的潛在隱患和進行有效的跟蹤監測，從而使得運行人員無法隨時掌握開關設備的運行狀況，給電網安全運行帶來隱患。

鑒于以上的諸多不足，人們開始尋找別的方法可以替代這些傳統的方法。我們研發微水在線檢測系統就是在此背景下因應而生的。它充分利用了當代先進的、由高分子材料制成的溫濕度傳感器和濕度元件，通過計算、補償達到對ppm級別水分的精確測量。

1 開關SF6微水含量的在線檢測系統的設計

1.1 系統擬達成的目標

本微水測量系統，擬在實時測得SF6微水含量、露點以及溫度壓力等參數的基礎，還將對這些的數據實時進行分析、運算、補償、歸檔及報警，此外，還能遠程實時地將數據傳輸至其它電網電站的管理系統，讓操作及管理人員能實時得得知各受監控設備的實際情況和狀態，以便采取相對應的策略來保障電網的穩定和設備的安全。

1.2 主要工作內容

SF6保護氣中微水含量檢測能否取得成功，首先是濕度傳感器是否選擇得當。因為被測對象中所含的水蒸汽濕度值相對于被測對象來說數量極其微小而且又特別難于均勻作用于濕敏功能材料的表面上，所以水分含量的測量非常之不易，同時，濕度又受外界的影響很大，尤其是對于微量水分的測量，要做到精確，穩定，難度不少。目前市場上，在線濕度測量的濕敏元件眾多，按測量原理區分，計有兩大類：電阻式和電容式。電阻式是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當氣體中的水蒸氣吸附在感濕膜片上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測得濕度。電阻式價格便宜，但一般用于空氣中濕度的等測量精度要求不高的場合，對ppm級的微水測量基本不能使用；而電容法采用的濕敏元件則是電容，濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當氣體濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，其電容變化量與待測濕度基本成正比。濕度敏感器件的選取，更應重點考慮如下特征參數：濕度量程、靈敏度、溫度系數、響應時間、濕滯回差、以及感濕特征量——濕度的特征曲線，并充分處置好這些因素的影響，才可能在實際測量中能得到一組接近實際工況的數據。本系統中，滿足ppm級的穩定測量只能選用電容式的濕敏元件。

1.2.1 濕度傳感器的濕感元件的選取

圖1是電容類濕度傳感器的感濕特性曲線：

由圖1可見輸出的濕度和測得的電容變化也不完全是線性關系，而且環境溫度不同，特性曲線也不同，所以由濕敏元件所得出的初始濕度，和實際濕度有時候會有較大的差別，不能完全反應實際的工況。另外，從圖2可以看出，濕滯回差對測量的結果也有極大的影響：

因此在選擇濕敏元件時應盡量選用線性度好的、濕滯回差小的電容類濕敏元件。聚酰亞胺濕度傳感器，采用的就是電容類濕敏元件，因為其在低濕度測量方面的精確度高，穩定性優，重復性好而被當作微量濕度測量的最佳選擇，但其缺點是成本稍高。聚酰亞胺濕敏元件是一種由高分子功能材料制成的電容類濕感的傳感器，經實際檢驗，其具有如下良好性能和特征：

（1）使用壽命長，長期穩定性好；（2）靈敏度高，濕敏特性曲線的線性度好；（3）使用范圍寬、濕度溫度系數?。唬?）響應時間短；（5）濕滯回差??；（6）能在有害氣氛的惡劣環境中使用；（7）可以連續在線工作；（8）器件的一致性和互換性好。

芬蘭VAISALA公司基于聚酰亞胺電容濕敏元件，開發出SF6氣體專用的DPT145濕度密度多參數變送器。DPT145濕度密度多參數變送器（見圖3），性能優異，功能強大：

測量參數：露點、壓力、溫度；計算參數：SF6氣體密度、標準化密度（以壓力表示）、常壓下露點和濕度ppm體積比；在線高可靠性，穩定性，測值的一致性。

參數SF6在線變送器DPT145內部功能如下圖4所示：

DPT145內置有中央處理單元（CPU），具有較強大的數據處理和分析判別能力，可結合溫度傳感器測得的工作溫度及壓力傳感器測得的當前壓力，來對露點數值進行環境溫度的補償，判斷是去濕還是加濕過程來修正電容系數等，使露點測量的誤差可在2%以內。同時，根據測得的數據，DPT145還可以算出當前SF6的密度等重要數據，密度比壓力在監測SF6泄露更敏感，更快速，因而十分之重要。這些數據最后是以串行通信的方式傳送到上位管理計算機。

1.2.2 采樣點的選擇

采樣點一定要選擇是SF6成分具有代表性的那個點，否則即便傳感器選擇的再合適，照樣會導致整個測量系統的失敗。據現場實地查看，最終在XX供電局下屬冠鵬變電站選擇了10臺云開110KV開關柜作為試驗地。下圖5 為DPT145安裝后的情形：

DPT145變送器安裝于SF6氣室的底部，由圖5中可見，DPT145前頭加裝了一個DILO的接頭。

1.2.3 計算機管理系統的開發

（1）計算機管理系統對濕度的計算補償；計算機管理系統首先須能將現場多參數檢測器DPT145檢測來的壓力下的露點正確地轉換成標準狀態下的相對濕度。濕度的計算方法很多，每種方法都對某一確定的范圍精確度較高。例如應用最為普遍的方法是水面下飽和水汽壓法則，它的精確度保證范圍在-60～60℃之間：

式子中，Ew：為飽和水汽壓；

T：混合氣體的（SF6及水份）絕對溫度；

實際水壓公式為：

式中，Pw： 為實際水汽壓；

r：混合比；

壓力為P，溫度為T 的混合氣體的壓力。

則，混合氣體的相對濕度，可表示為：

上述運算不算復雜，但難的是精確地確定式中的r的值。

在本系統中，充分應用管理計算機的優勢，我們設計為直接查表法來求得精確的濕度，轉換分為兩步：

首先將壓力下的露點轉換為標準狀態下的露點，其補償公式如下：

TdS=k* TdP+b

TdS和TdP分別代表的是標準狀態下的露點和壓力狀態下的露點。k和b是兩個常數，這兩個常數和混合氣體的壓力有關，下表分別是各壓力狀態的轉換公式：表1所示：

對于表1中所沒有的壓力，我們采用的是線性差值補償的方法。比如，假定混合氣體的絕對壓力為0.55MPa，其換算步驟如下：

查得P1=0.5 MPa下的k1=0.7891，b1=-21.5495；查得p2=0.7 MPa下的k2=0.7642，b2=-24.1795；計算p=0.55MPa下的k=k2-（k2-k1）*（p2-p）/（p2-p1）=0.7829；b=b2-（b2-b1）*（p2-p）/（p2-p1）=-22.1935。

得到P=0.55MPa下的補償公式為：

TdS=0.7829*TdP-22.1935

式中，TdP 是現場檢測器傳送過來的壓力露點，TdS是轉換后的標準狀態下的露點。得到這個標準狀態下的露點后，還需要轉換為標準狀態下的濕度。

露點轉濕度，我們設計為查表方式。下表 2 為SF6混合水分的露點——濕度：

露點由上述第一步驟計算而來，管理計算機利用這個露點，直接查出對應的濕度。上表2中只顯示出整數的露點，對非整數的露點，我們設計為差值法線性化的方法，比如假設DPT145檢測得到的露點為Td =-27.3℃，此時，我們的處理方法是：查表Td1=-27℃，對應Rh1=592.2，再查表Td2=-28℃，對應Rh2=542.2，則Td =-27.3℃對應的濕度計算為：

Rh=Rh1-（Rh1-Rh2）*（Td1-Td））/（Td1-Td2）=577.14所有數據，經過同公式法計算而來的數據對比，誤差率在0.5%以內。

（2）計算機管理系統的后臺功能；本微水在線檢測系統管理計算機以微軟公司的windows xp作為系統軟件，組態軟件則為組態王kingview6.55版。

本監控系統具備如下的功能：一、實時數據采集與處理；二、控制操作、保護和同步檢測；三、實時的運行監視和報警處理；四、在線計算及制表打印；五、豐富的人機界面；六、完備的運行管理功能等。

本微水在線檢測系統框圖6如下：

管理計算機是通過一塊MOXA通信卡，采用串行通信的方式，用一對通訊總線，接受所有DPT145變送器傳送過來的所有實時數據。管理計算機對得到的SF6氣體的溫度、濕度、壓力、密度等數據進行甄別、報告、存檔，并利用這些數據，實時地對SF6氣體絕緣狀況的進行評估，而對壓力（密度）的監測能夠迅速探測到突發泄漏及微量泄露，同時在線露點測量將實時提醒可能削弱SF6氣體絕緣性能、導致現場情況迅速惡化的水分濕度問題。

2 項目實施成果

2.1 實現的功能

本項目實施投運后，到目前為止已在線運行近5個月時間。項目基本按照預期，達成了最初設定的目標：

（1）同時在線監控10臺SF6保護氣中微水含量、露點、溫度、壓力及密度等參數，系統投運以來，從歷史記錄曲線上看，系統運行穩定、可靠，通過和便攜式濕度分析儀相比較，測量的綜合誤差均控制在讀數的2%以內；（2）可在管理系統中，查看SF6保護氣中微水含量、露點、溫度、壓力及密度等參數的變化趨勢，一邊提前發現可能的問題，并及時提供操作人員予以處置；（3）所得到的數據全部由計算機自動分析處理，并對不正常情況進行提示報警，所得重要數據、設備狀態等可以存盤長達一年，方便查詢。同時系統可自動形成月日報表等；（4）將運行情況實時傳送給電網調度系統及電網檢測系統等；（5）監控軟件滿足用戶各項功能的要求，為用戶提供交互式的、面向對象的、方便靈活的、易于掌握的、多樣化的查詢、操作、設置、二次開發等功能，方便用戶對圖形、曲線、報表、報文進行在線的修改組態。（6）計算機監控系統開發出多種通信借口：主要是與調度中心的通訊接口IEC60870-103通訊規約；與智能設備通訊的Modbus協議；其他通訊協議OPC等。

2.2 管理畫面

系統總貌及歷史趨勢圖7：

2.3 數據比較

（1）下表 3數據是XX供電局冠鵬變電站SF6中微水含量，由校準設備所測得的值：

（2）下表4 數據是XX供電局冠鵬變電站SF6中微水含量，由本系統所測得的值：

通過以上數據比較，最大的測量誤差是顯示值的1.94%，全部低于2%，符合本系統開發時所設置的目標。

3 結論

由于水分對SF6開關的危害特別大，所以有必要設計出一套完整的、穩定的、比較精確的SF6中微水在線監測設備。在開發這套系統之初，我們廣泛了調研了各類濕敏元器件，經過性能比較與分析，結合在線監測的技術要求以及氣體環境對濕敏材料的要求，選擇了高分子薄膜電容作濕敏元件。在確定使用高分子薄膜電容類濕敏元件后，從國內外眾多供應廠家中，我們最終選擇了業內最負盛名的VAISALA公司的DPT145多參數變送器作為濕度測量的設備。由于DPT145多參數變送器只需要一對通訊總線，再加一對電源線，就可以正常工作，這為我們免去了監控管理機側的多塊A/D轉換模塊，并節省了大量的電纜及這些電纜敷設所需要的工作量。

實踐證明，DPT145多參數變送器性能穩定，安裝簡單，測量精度高，抗干擾能力強，完全能適合110KV開關柜中SF6保護氣的監測。DPT145多參數變送器監測到的數據被送至監控管理機，由監控管理機對數據進行分析判別，對可疑情況及時提示報警，再由人工將事故消滅在萌芽狀態。監控管理機還能通過IEC60870-103通訊規約將SF6的工況送給電網系統，為電網工作人員提供設備狀況。

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