周星，許家琿，張嵌

（1．國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095；2．國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300000；3．北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043）

智能變電站中金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）多采用六氟化硫（SF6）作為絕緣介質(zhì)。SF6氣體含水量是監(jiān)督設(shè)備安全運行的一項重要指標[1-2]，SF6水分含量過高，會影響氣體分解物的生成，導(dǎo)致機械操作失靈，使沿面閃絡(luò)電壓急劇下降，危及設(shè)備的安全運行。同時，Q/GDW 534—2010《變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》提出：500 kV及以上電壓等級SF6斷路器或220 kV及以上電壓等級GIS可根據(jù)需要配置SF6氣體壓力和濕度在線監(jiān)測裝置。由此可見，在智能變電站中，對220 kV及以上GIS進行SF6氣體微水的研究和監(jiān)測具有十分重要的意義。

1 SF6微水測試原理和方法

電力系統(tǒng)中SF6微水測量多采用電解法、露點法、阻容法3種[3]。

電解法是用涂覆了磷酸的2個電極形成1個電解池，在2電極之間施加直流電壓，氣體中水分被池內(nèi)P2O5膜層連續(xù)吸收，生成磷酸，并被電解成氫和氧，同時P2O5可以再生。當吸收和電解達到平衡后，進入電解池的水分全部被P2O5膜層吸收，并全部被電解。若已知環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和樣氣流量，根據(jù)法拉第電解定律和氣體定律，可推導(dǎo)出水的電解電流與樣氣濕度之間的關(guān)系：

式中，T0=273.15 K；F=96485 C；P0=101325 Pa；I為水的電解電流，μA；Q為樣氣流量，mL/min；U為樣氣溫度的體積分數(shù)，10-6；P為環(huán)境壓力，Pa；T為環(huán)境的熱力學(xué)溫度，K；V0為標準狀態(tài)下樣氣的摩爾體積，L/mol。

由式（1）可見，電解電流的大小正比于氣體濕度，因此可通過測量電解電流來測量樣氣的濕度[4]。由于此方法需要在測量介質(zhì)兩端加裝電極，對氣體流量和電池壽命等要求較高，因此不適合在電力現(xiàn)場應(yīng)用。

阻容法利用電阻或電容等半導(dǎo)體濕敏器件的電阻值或電容值隨環(huán)境濕度的變化而變化的特點，來進行濕度的測量，輸出信號一般為相對濕度。阻容法的優(yōu)點是測量快速、準確，受溫度影響較小，缺點主要是價格昂貴，并且由于其采用復(fù)雜的電子回路，在變電站電磁環(huán)境極其惡劣的場合易受到電磁干擾問題，有時在現(xiàn)場測量遇到電磁干擾時會導(dǎo)致測量系統(tǒng)死機的現(xiàn)象。

露點法通過測定氣體的露點來測定氣體中微量水分。具體原理為：當一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻降溫時，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點。通常是在氣體流經(jīng)的測定氣室中安裝鏡面及其附件，通過測定在單位時間內(nèi)離開和返回鏡面的水分子數(shù)達到動態(tài)平衡時的鏡面溫度來確定氣體的露點，一定的氣體水分含量對應(yīng)一個露點溫度，同時一個露點溫度對應(yīng)一定的氣體水分含量。因此測定氣體的露點溫度就可以測定氣體的水分含量。由露點值可以計算出氣體中微量水分含量，由露點和所測氣體的溫度可以得到氣體的相對水分含量。原理如圖1所示。

圖1 露點法測量示意圖Fig.1 Diagram of the dew-point measurement method

露點-體積分數(shù)（V/V）的對應(yīng)關(guān)系按式（2）計算[5]：

式中，Vr為體積比，μL/L；ed為在露點溫度下的飽和水蒸氣壓，Pa；f為大氣壓，Pa；p為增強因子。

露點法是目前SF6微水監(jiān)測的典型方法，具有測量精度高、測量時間短、操作方便、適宜現(xiàn)場測量等優(yōu)點。但是，露點法也存在一定的問題，除了需要強迫使被測氣體流動，較難用于SF6氣體微水含量在線監(jiān)測外，還有若SF6氣體中有以蒸汽形式存在的烴類或電弧分解產(chǎn)物，這些物質(zhì)在水分凝露之前就要凝露，從而影響測量結(jié)果。這種現(xiàn)象在四川、江蘇、浙江、廣東和黑龍江等省都曾經(jīng)出現(xiàn)過，具有較普遍意義。

2 SF6微水現(xiàn)場測試方法

現(xiàn)階段智能變電站內(nèi)SF6氣體微水的現(xiàn)場監(jiān)測主要有在線監(jiān)測和離線監(jiān)測2種：SF6氣體微水在線監(jiān)測、SF6氣體微水離線監(jiān)測。

2.1 SF6氣體微水在線監(jiān)測

目前在線系統(tǒng)安裝的水分傳感器大多采用露點法和阻容法，主要有3種：冷鏡法、金屬氧化法和聚合物法，如圖2所示。

圖2 SF6微水在線監(jiān)測裝置Fig.2 SF6micro-water on-line monitoring device

2.1.1 冷鏡法

冷鏡法可以在很寬的測量范圍內(nèi)取得較高的精度，但由于光學(xué)測量原理的局限性使其極易受鏡面污染物和灰塵的影響，從而影響精度，并且不易區(qū)分霜點和露點。為克服此缺點，測量系統(tǒng)往往需要附加許多額外設(shè)備以提供鏡面清洗、防護等功能，造成整套設(shè)備比較昂貴。冷鏡法往往用于精度要求極高且具有良好操作、維護的場合（如實驗室），而對于大多數(shù)在線測量，則維護成本較高。

2.1.2 濕敏元件型傳感器

水具有較大的電子親和力，易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)中使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出。

水分子親和力型傳感器分為金屬氧化物濕度傳感器和高分子材料濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式2大類。

濕敏電阻是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。

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。當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。電子式濕敏傳感器的準確度可達2%~3%RH。

濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度和長期穩(wěn)定性。

1）金屬氧化物傳感器。用于工業(yè)過程控制中的低露點測量。此測量法在正確使用時可以測得較低的露點，其缺點是長期穩(wěn)定性差。由于測濕敏元件本身造成的漂移，使得頻繁的標定工作必不可少，而且傳感器不能在線標定，大多數(shù)情況下要送到原廠標定，且標定成本較高，這將會影響日后的準確測量、正常生產(chǎn)，增大了維護工作量。金屬氧化物傳感器在高濕或冷凝的情況下一旦受損，其功能將無法恢復(fù)。

2）聚合物薄膜法。利用聚合物薄膜為濕敏電容介質(zhì)，性能穩(wěn)定，不受凝結(jié)水和大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的影響，測量范圍寬、精度高、長期穩(wěn)定性好、性價比較好。

假設(shè)材料介電常數(shù)為ε1，水的介電常數(shù)為ε2，則高分子材料在吸收水分后的介電常數(shù)為ε值為：

式中，準2（H2O）與相對濕度RH成正比，因此ε∝RH，電容量C正比于ε，故測試C值就可求出RH值[6-7]。

2.1.3 相對濕度值的修正

與空氣中的水分含量相比，SF6氣體中水分含量是比較低的，因此必須用低濕度傳感器來測量SF6氣體中水分含量。利用高分子聚合物或硅半導(dǎo)體親水材料的濕度傳感器，可以直接測量SF6氣體的相對濕度，為了使測量結(jié)果能具有可比較性，工業(yè)現(xiàn)場是采用溫度為20℃時的SF6氣體的濕度值，因此還需要測量實時溫度值，實時壓力值及修正后20℃時壓力值，采用修正公式對所測量的相對濕度值進行修正，以滿足工業(yè)現(xiàn)場習(xí)慣。結(jié)果用如下經(jīng)驗式（4）進行修正：

式中，H2為20℃時的微水體積比；H1為水分的實時測量值，mL/L；P1為測量時SF6氣體的壓力；P2為根據(jù)密度檢測原理換算到20℃時的SF6氣體壓力；P1s為測量時測量溫度下的飽和水氣壓，P2s為20℃時的飽和水氣壓。

2.2 SF6氣體微水離線監(jiān)測

目前，我國電力行業(yè)一般采用便攜式精密微水儀進行離線式微水監(jiān)測，需要從氣室中抽取部分SF6氣體，測試5-10 min，新裝時測試1次，大修后1 a內(nèi)復(fù)測1次，如濕度符合要求，則正常運行中1~3 a測試1次[8]，如表1所示。采用此種策略已經(jīng)能滿足開關(guān)設(shè)備對微水的測量要求，且投資很小。

表1 運行中SF6氣體的試驗項目、周期和要求Tab.1 The SF6test，its cycle and requirements during operation

傳統(tǒng)方法操作繁瑣，且放氣和補氣過程對操作人員身體健康有威脅，但是可以保證測量精度，較現(xiàn)階段在線監(jiān)測仍具有測量精度高，經(jīng)濟性較好、可靠性與穩(wěn)定性較高等優(yōu)點。

2.3 SF6微水在線監(jiān)測的可行性分析

2.3.1 受溫度影響較大

應(yīng)用露點法的SF6微水傳感器必須考慮環(huán)境溫度帶來的影響。采用模擬現(xiàn)場標定，在不同的溫度條件下，測量出相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，通過軟件將補償參數(shù)寫入SF6微水變送器內(nèi)部的信號處理電路中來保證測量數(shù)據(jù)的準確性。如圖3所示。同時，還需要考慮密封和現(xiàn)場干擾等問題[9-12]。

圖3 微水值與環(huán)境溫度關(guān)系曲線Fig.3 The relation curve of micro-water values and temperatures

2.3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展仍不成熟（長期穩(wěn)定性差）

由于測濕敏元件本身造成的漂移，使得頻繁的標定工作必不可少，而且傳感器不能在線標定，多數(shù)情況下要送到原廠標定，且標定成本較高，將會影響日后的準確測量、正常生產(chǎn)，增大了維護工作量。且傳感器在高濕或冷凝的情況下一旦受損，其功能將無法恢復(fù)[13-15]。

另外，微水傳感器是電子元件，電子元件的使用壽命是有限的，并不能滿足長期的微水測量要求，一旦出現(xiàn)故障，還需要用戶在投資維修、更換。

2.3.3 傳感器價格昂貴且經(jīng)濟性較低

單只SF6微水傳感器價格在1萬元左右，且變電站在線監(jiān)測時數(shù)量要求很大，尤其對于一些低電壓等級設(shè)備，往往傳感器費用要占設(shè)備費用中很大比例。

2.3.4 測量準確性有待確認

微水傳感器安裝在氣室的末端，且并不能真實反應(yīng)整個氣室微水的實際情況，測量的結(jié)果和真實值有偏差。

由于某些化學(xué)物質(zhì)氣體分子長期聚集在濕敏元件內(nèi)部影響測量精度，雖然有些廠家開發(fā)出了自動校準軟件，使傳感器升溫，使其內(nèi)部聚集的化學(xué)物質(zhì)分子蒸發(fā)，可是，這些化學(xué)物質(zhì)并不能完全被排除，時間久了，很難保證測量精度。同時不能解決油污聚集影響反應(yīng)時間的困擾。

3 結(jié)論

綜上所述，由于目前微水傳感器在經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性等方面尚存在較多問題，因此目前尚不適用于智能變電站現(xiàn)場SF6氣體在線實時測量，現(xiàn)階段使用傳統(tǒng)離線式測量方法完全可以滿足智能變電站對微水含量的測量要求，因此建議智能變電站中對高壓開關(guān)設(shè)備中SF6氣體微水監(jiān)測采用離線方法。

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