基于改進露點法的SF6氣體濕度檢測系統的應用

王永奇，陳宏剛，樊新鴻，劉 媛

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050)

基于改進露點法的SF6氣體濕度檢測系統的應用

王永奇，陳宏剛，樊新鴻，劉 媛

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050)

闡述了SF6電氣設備氣體水分的主要來源以及水分對電氣設備的危害，分析了目前常用的SF6電氣設備氣體濕度檢測方法的優缺點，提出了基于改進冷鏡面露點法的SF6氣體濕度綜合檢測系統。該系統具有測量范圍寬、響應速度快、性能穩定等特點，可提高SF6電氣設備氣體現場試驗的工作效率。

SF6電氣設備；露點法；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，不僅化學性能穩定，而且具有優越的絕緣和滅弧性能，是一種理想的絕緣介質。因此，SF6電氣設備在電網中的應用日益廣泛。

雖然SF6氣體絕緣性能優越，但是若其含有水分，則電氣強度就會顯著降低。在高溫、有電弧或電暈的條件下，微量的水分與SF6氣體、金屬材料發生水解反應，生成劇毒物和腐蝕性氣體，會損壞絕緣或腐蝕金屬。SF6電氣設備中的SF6氣體濕度大小直接影響著電氣設備及電網的安全運行，因此國內外相關單位十分重視SF6電氣設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電氣設備在安裝、檢修過程中都可能接觸水分，并導致水分浸入設備中；

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

(4)?吸附劑帶入水分；

(5)?作為絕緣介質的SF6氣體在運行一段時間后濕度就會升高；

(6)?透過密封件滲入的水分。

目前電力系統常用的SF6濕度檢測方法主要有重量法、電解法、露點法、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，根據管的增重計算該體積氣體的濕度。

優點：該方法可以用來校核其他檢測方法。

缺點：需要玻璃U形管、氣量計、過濾器、精密天平等儀器，測量過程復雜。

因此，重量檢測法不適宜在現場應用，但可以在實驗室校驗其他方法的準確性。

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，其通過電解池的時候，水分被干燥的五氧化二磷薄膜吸收。同時，電流流過薄膜，將吸收的水電解產生氫氣和氧氣。根據法拉第定律，電解水所需的電量與薄膜吸入的水分正相關，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。

優點：價格較低、維修方便。

缺點：現場測量前，系統本身并不干燥，往往有本底值，使測量結果不夠精確。環境溫度和濕度對電解法測量結果有較大影響。

電解檢測法操作步驟繁瑣，并不適合現場測量使用。

1.3 露點法

檢測原理：使待測氣體通過一個密閉的槽，在槽內有一個暴露的金屬鏡面。調節鏡面溫度，當溫度足夠低時，氣體中的水分或其他物質在鏡面上冷凝形成明顯的霧或者“露”，或者在低溫時形成結晶的“霜”。當冷凝保持在穩定狀態時，鏡面溫度就是待測氣體中水分或其他物質的露點。查表就可以推算出SF6氣體中的水分含量。

優點：精度高，尤其在采用半導體制冷和光電檢測技術后，不確定度甚至可達0.1?℃；校準周期長，穩定性好。

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

1.4 阻容法

檢測原理：利用吸濕物質的電學參數隨溫度變化的原理進行濕度測量。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，使電容器的阻抗發生變化。其改變量與水蒸氣濃度成一定關系，經過標定就可以定量測量SF6氣體中的水分含量。

優點：具有線性好、抗干擾、響應快、測量范圍寬、高穩定的特點；同時在低濕段的線性佳，靈敏度高。

缺點：一般半年應校驗1次儀器，穩定性較差。

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別氣體分子和測量氣體體積分數的有效手段之一。不同的氣體都對應有不同的特征吸收峰，而且特征吸收峰的強度和氣體濃度相一致。這一特點就決定了光譜吸收型光纖傳感器的選擇性、鑒別性和計算氣體體積分數的唯一確定性。

優點：該方法具有較高的測量精度和時分辨率，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，響應速度快、穩定性好。

缺點：作為一種新興的測量方法，其設備造價高，對運行環境要求高，在技術方面還有待提高。

雖然目前SF6氣體濕度檢測方法比較多，但仍以露點檢測法最為常用。重量法只適合在實驗室使用，不宜在現場使用。電解法和阻容法是以離線檢測為基礎的。光譜吸收法等方法尚在實驗階段，沒有大規模應用的實例。

2 采用露點法檢測存在的問題分析

SF6電氣設備現場檢測氣體濕度的要求為：測量時間短，工作效率高，節省氣源；測量精度高，結果真實準確；測量范圍寬，無測量盲區；測量結果穩定可靠，重復性好。目前，采用露點法檢測存在如下幾個問題。

(1)?高溫低濕情況下數據長時間振蕩跳躍，不穩定，難以讀取終值，或者長時間測不出值。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溫度(T0)以下，揮發水分子數量大于凝結水分子數量，無法建立霜層至“特定厚度”。傳統PID調節需要制冷泵多次提供低于T0的溫度才能最終找到T0，否則會導致系統振蕩，長時間測不出值或測量失敗。野外SF6氣體濕度現場試驗，在間歇測量時，每次測量都會出現測量系統平衡后濕度值持續走低的現象。

(3)?受環境溫度、大氣壓力(特別是高原地區)影響大。

為滿足現場測量要求，提出了一種改進的冷鏡面露點檢測系統，以克服原露點法存在的響應速度較慢、高溫低濕制冷難等問題。通過對檢測系統的優化設計，改善原露點法的缺點，適用于現場測量SF6氣體濕度。

3 基于改進冷鏡面露點法的濕度檢測系統

3.1 智能快速響應系統

針對現場檢測出現的高溫低濕條件下用以判斷是否達到相平衡狀態的“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，設計了SF6電氣設備氣體濕度智能快速響應系統。

系統通過光能量的變化監測鏡面的霜層厚度及其變化率，從而計算滲透管內的水分含量；再綜合滲透管出口到鏡面的管路長度和內徑、當前形成的霜層厚度等因素，計算得到加濕系統應該關閉的時刻；使鏡面的霜層迅速建立到“特定厚度”又不至于過量。此系統克服了環境濕度對加濕效果的影響，使建立“特定厚度”霜層的時間從幾分鐘甚至幾十分鐘縮短為幾秒鐘。在環境濕度變化時，智能快速響應系統效果更加明顯，如圖1所示。

圖1 智能快速響應系統

3.2 采用模糊控制技術

當環境溫度越高時，露點室可降至的極限溫度升高，難以提供或難以多次提供反復重建霜層所需的低于T0的溫度，使系統振蕩，長時間測不出值或測量失敗。針對“系統振蕩，測不出值”的問題，采用模糊控制技術加以解決。

基于數字信號處理器(digital?signal?processing，DSP)的模糊控制技術最大限度減少了霜層重建次數；與智能響應系統共同作用，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”不變的露點溫度(T0)，使露點測量平衡穩定時間節省80?%以上。

采用基于DSP的模糊控制技術消除了傳統PID調節導致的測量過程振蕩，大大縮短了測量系統平衡穩定時間；通過采用改進型模糊控制算法、軟件濾波技術(SFIR)，使得測量更快速、準確。改進型模糊控制露點穩定平衡過程如圖2所示。

3.3 采用濕度折算與壓力校正

針對現場檢測環境溫度、大氣壓力變化所造成的測量偏差問題，系統采用濕度折算與壓力校正方法來解決。

對DL/T?506—2007《六氟化硫電氣設備中絕緣氣體濕度測量方法》提出的要求，系統將其程序化，采用微處理器將不同溫度的被測氣體測量結果，通過查表法轉化為標準條件下(20?℃)的濕度折算值;對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值的折算值;并給出是否符合國家標準的判定結果。

圖2 改進型模糊控制露點穩定平衡過程

由于露點室內的壓力是影響測量結果準確性的根本因素，所以將微型傳感器安裝在系統測量后端流量調節閥和露點室之間的管路內;當后端流量調節閥完全打開時，可測量當前大氣壓力值。微處理器在露點測量完畢時，根據測量的壓力對測量結果進行校正，并得出準確的測量值。檢測系統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 應用效果

當溫度曲線達到平衡、溫度基本穩定不變，儀器會自動給出露點對應的濕度值，此時即達到平衡狀態。稍等1—2?min即可按“停止”鍵，停止測量后，儀器自動將測量結果記錄、保存。檢測儀器露點測量平衡穩定曲線如圖4所示。通過實時曲線可以看出，檢測過程能在很短的時間內達到平衡，克服了改進前冷鏡面露點現場檢測存在的響應速度較慢、系統振蕩、長時間測不出值或測量失敗以及檢測過程受環境影響大等問題。濕度測量值隨著冷鏡溫度變化而變化，當測量值接近平衡時儀器就會實時顯示濕度值。測量過程一目了然，易于判斷測量過程是否已穩定，讀取結果更容易。中出現的響應速度較慢、系統振蕩、長時間測不出值或測量失敗以及受環境影響大等問題。該系統測量范圍寬、工作穩定、測量速度快(一般為1.5—3?min)，對測量結果進行壓力校正后再進行符合國家標準的溫度折算，能直接反映被測氣體真實濕度情況并對結果合格性進行即時判定，為現場試驗工作提供了極大方便，提高了電力試驗的工作效率。

圖4 檢測儀器露點測量平衡穩定曲線

5 結束語

運行中的SF6電氣設備對于SF6氣體濕度的要求相當嚴格，對于出現SF6濕度檢測值超標的電氣設備要及時進行原因分析及處理，以確保設備及電網的安全穩定運行。

基于改進冷鏡面露點法的SF6電氣設備氣體濕度檢測系統，采用智能快速響應系統、濕度折算與壓力校正方法及改進型模糊控制算法，徹底解決了電力試驗工作中SF6電氣設備氣體濕度現場測量中出現的響應速度較慢、系統振蕩、長時間測不出值或測量失敗以及受環境影響大等問題。該系統測量范圍寬、工作穩定、測量速度快(一般為1.5—3?min)，對測量結果進行壓力校正后再進行符合國家標準的溫度折算，能直接反映被測氣體真實濕度情況并對結果合格性進行即時判定，為現場試驗工作提供了極大方便，提高了電力試驗的工作效率。

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2017-06-04。

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

陳宏剛(1979—)，男，高級工程師，主要從事電氣設備故障診斷。

樊新鴻(1990—)，男，工程師，主要從事SF6電氣設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。