室內(nèi)變電站SF6報(bào)警裝置應(yīng)用現(xiàn)狀和對策

于乃海，米勁臣

（山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

SF6氣體以其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)變電站的GIS設(shè)備上。由于受制造、安裝等質(zhì)量的差異以及材料老化等因素影響，SF6電氣設(shè)備發(fā)生泄漏是個(gè)普遍的現(xiàn)象，而泄漏出來的SF6氣體及其分解物會(huì)往室內(nèi)低層空間積聚，造成局部缺氧和帶毒，對進(jìn)入室內(nèi)的工作人員的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重的危險(xiǎn)。

SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報(bào)警裝置 （以下簡稱SF6報(bào)警裝置）是根據(jù)《〈電業(yè)安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[1]，在室內(nèi)SF6電氣設(shè)備工作場所，安裝的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中SF6氣體和氧氣含量的智能化在線監(jiān)測系統(tǒng)，其作用是當(dāng)環(huán)境中SF6氣體含量超標(biāo)或缺氧時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)排風(fēng)設(shè)施，以保證進(jìn)入室內(nèi)工作人員的人身安全。目前山東電網(wǎng)GIS變電站有幾百個(gè)，安裝的SF6報(bào)警裝置總數(shù)量有近千套。但由于行業(yè)一直缺乏對SF6報(bào)警裝置有效監(jiān)督管理的手段，裝置的準(zhǔn)確性一直是未知數(shù)。

2011年根據(jù)承擔(dān)的山東電力集團(tuán)公司“SF6氣體泄漏在線監(jiān)測報(bào)警裝置可靠性評(píng)價(jià)的研究”課題要求，對山東電網(wǎng)室內(nèi)110kV等級(jí)以上GIS變電站安裝的SF6報(bào)警裝置運(yùn)行可靠性進(jìn)行了抽查評(píng)價(jià)。

1 測試評(píng)價(jià)方案

1.1 SF6報(bào)警裝置統(tǒng)計(jì)

截止到2011年2月底，全省17個(gè)地區(qū)供電公司共有350個(gè)110 kV及以上變電站安裝了446套SF6報(bào)警裝置，涉及30個(gè)制造廠家，其中95%以上采樣方式為擴(kuò)散式SF6報(bào)警裝置，僅有少量為泵吸式SF6報(bào)警裝置。

1.2 樣品選取原則

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合各單位使用狀況，選取不同制造廠家產(chǎn)品，并且以采用數(shù)量多的廠家為主要測試對象，每個(gè)單位抽查變電站數(shù)量為4～5個(gè)。

1.3 測試方法

采用SMF06-5型SF6泄漏報(bào)警裝置校準(zhǔn)系統(tǒng)，配置目標(biāo)濃度的SF6和氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，通入到現(xiàn)場安裝的SF6報(bào)警裝置測量傳感器，進(jìn)行報(bào)警及性能測試。

SMF06-5型SF6泄漏報(bào)警裝置校準(zhǔn)系統(tǒng)，配氣不確定度±1%。 配氣采用SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度范圍1%～2%（V/V），不確定度1%，氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度范圍40%～41%（V/V），不確定度1%。

1.4 評(píng)價(jià)考核指標(biāo)

根據(jù)GB12358-2006《作業(yè)場所環(huán)境氣體檢測報(bào)警儀通用技術(shù)要求》規(guī)定[2]，對SF6報(bào)警裝置校準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行報(bào)警誤差、檢測誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間等多項(xiàng)指標(biāo)的測試，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工作特點(diǎn)和DL408-91《電業(yè)安全工作規(guī)程》（變電所和發(fā)電廠部分）相關(guān)規(guī)定，主要對報(bào)警誤差、檢測誤差、功能檢驗(yàn)3個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行了檢測評(píng)定，考核標(biāo)準(zhǔn)見表 1。

對于定性報(bào)警裝置，主要考核報(bào)警誤差，對于定量報(bào)警裝置，主要考核報(bào)警和檢測誤差。

表1 報(bào)警裝置控制標(biāo)準(zhǔn)

2 檢測評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對全省17個(gè)地區(qū)供電公司80個(gè)變電站，20個(gè)主要廠家生產(chǎn)的81套在用SF6報(bào)警裝置，其中76套為傳感器擴(kuò)散式原理，5套為泵吸式定量原理，共計(jì)174臺(tái)正常運(yùn)行檢測單元（每套報(bào)警裝置根據(jù)工作場所面積，可配置多個(gè)檢測單元，也稱為變送器）進(jìn)行了檢測。

（1）正常投運(yùn)率。抽查80個(gè)變電站，其中62套SF6報(bào)警裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，19套設(shè)備未正常投運(yùn)，正常投運(yùn)率76.5%。未正常投運(yùn)原因，主要是設(shè)備誤報(bào)警、主機(jī)屏幕不顯示或亂顯示，通訊異常等故障而被停運(yùn)或帶故障運(yùn)行，但無法正常監(jiān)測。

（2）SF6報(bào)警率和合格率。

所檢測57套正常運(yùn)行的擴(kuò)散式SF6報(bào)警裝置，對于SF6檢測，除個(gè)別廠家2套產(chǎn)品外，其它基本上全為定性測試，所檢測5套泵吸式SF6報(bào)警裝置，SF6氣體全部采用定量檢測。

測試174臺(tái)運(yùn)行檢測單元，設(shè)定裝置報(bào)警濃度值 1 000 μL/L，以配置 SF6氣體濃度 3 000 μL/L作為評(píng)判報(bào)警極限點(diǎn)，共報(bào)警51臺(tái)，報(bào)警率29.3%，其中符合表1報(bào)警誤差要求12臺(tái)，報(bào)警合格率6.9%。表2是51臺(tái)發(fā)生報(bào)警的裝置其報(bào)警誤差分布結(jié)果，表3是擴(kuò)散式和泵吸式報(bào)警裝置對SF6報(bào)警檢測結(jié)果，由于擴(kuò)散式SF6報(bào)警裝置對于SF6氣體的檢測為定性原理，因此無檢測誤差的數(shù)據(jù)。

表2 SF6報(bào)警和檢測誤差分布結(jié)果

表3 擴(kuò)散和泵吸式報(bào)警裝置對SF6檢測結(jié)果

（3）氧氣報(bào)警率和合格率。

所檢測62套正常運(yùn)行的SF6報(bào)警裝置，對于氧氣檢測，無論裝置是擴(kuò)散式還是泵吸式，全部采用化學(xué)傳感器檢測原理，測試174臺(tái)運(yùn)行檢測單元，其中165臺(tái)為定量顯示，9臺(tái)為定性。試驗(yàn)設(shè)置裝置報(bào)警濃度值為18%（V/V），以配置氧氣濃度12.5%（V/V）為評(píng)判報(bào)警極限點(diǎn)，共報(bào)警97臺(tái)，報(bào)警率55.7%，其中定量顯示報(bào)警92臺(tái)，定性報(bào)警5臺(tái)，符合表2報(bào)警誤差要求18臺(tái)，合格率10.3%，符合檢測誤差要求9臺(tái)，合格率5.5%。表4是97臺(tái)發(fā)生報(bào)警的裝置其報(bào)警誤差和檢測誤差分布結(jié)果。

表4 氧氣報(bào)警和檢測誤差分布結(jié)果

（4）功能檢測。對變電站正常運(yùn)行的62套SF6報(bào)警裝置，按照儀器說明書對其語音提示功能、聲光報(bào)警功能及風(fēng)機(jī)自動(dòng)/手動(dòng)功能進(jìn)行了檢查，對能發(fā)生報(bào)警設(shè)備結(jié)合試驗(yàn)過程檢查，對不發(fā)生報(bào)警正常運(yùn)行設(shè)備，通過調(diào)整設(shè)備報(bào)警點(diǎn)值進(jìn)行功能檢查。

風(fēng)機(jī)自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)功能。按DL408-91《電力安全工作規(guī)程要求》，SF6報(bào)警裝置必須與GIS室內(nèi)風(fēng)機(jī)相連，當(dāng)室內(nèi)SF6氣體和氧氣含量超出控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)警裝置在報(bào)警時(shí)候，能同時(shí)自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，檢查結(jié)果，基本都符合要求。

語音提示功能。62套正常運(yùn)行的裝置，其中有8套無語音提示功能，3套語音功能異常，功能具備完好率82.3%。

聲光報(bào)警功能。62套正常運(yùn)行的設(shè)備，無聲光報(bào)警功能8臺(tái)，聲光報(bào)警功能異常2臺(tái)，功能完好率83.8%。

2.2 結(jié)果評(píng)價(jià)

從測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)看，在用SF6報(bào)警裝置投運(yùn)率76.5%，SF6報(bào)警合格率6.9%，氧氣報(bào)警合格率10.3%，氧氣檢測誤差合格率5.5%，語音和聲光報(bào)警功能完好率占正常運(yùn)行設(shè)備的80%以上，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)功能基本都符合要求。實(shí)際檢測結(jié)果，僅有2套紅外吸收激光定量原理的報(bào)警裝置能同時(shí)滿足表1規(guī)定的SF6氣體和氧氣誤差要求，占總檢測單元的1.4%，占總報(bào)警裝置套數(shù)2.5%，而對于擴(kuò)散式測量原理的SF6報(bào)警裝置，還沒有一個(gè)檢測單元，能同時(shí)滿足表1的SF6氣體和氧氣報(bào)警或檢測誤差要求。電網(wǎng)普遍采用的擴(kuò)散式SF6泄漏在線監(jiān)測報(bào)警裝置基本流于表面形式，達(dá)不到GB12358-2006《作業(yè)場所環(huán)境氣體檢測報(bào)警儀通用技術(shù)要求》和《電業(yè)安全工作規(guī)程》的規(guī)定，存在重大質(zhì)量缺陷。

3 討論及對策

3.1 設(shè)備原理正確選型

SF6報(bào)警裝置按采樣方式分類主要為擴(kuò)散式和泵吸式。由于價(jià)格優(yōu)勢和技術(shù)發(fā)展水平的制約，目前電網(wǎng)中普遍采用擴(kuò)散式傳感器原理的SF6報(bào)警裝置，這類裝置對SF6氣體報(bào)警相對定性較多，氧氣報(bào)警相對定量較多。對SF6氣體測量原理大多采用了高壓放電電離法、鹵素傳感器法、半導(dǎo)體法及熱導(dǎo)法，對氧氣檢測主要采用電化學(xué)傳感器法原理，由于受現(xiàn)場環(huán)境、傳感器結(jié)構(gòu)、性能及材質(zhì)影響，其測量穩(wěn)定性差，壽命短，衰變和漂移大，尤其測量氧氣的電化學(xué)傳感器使用壽命僅2年左右。泵吸式紅外光譜吸收 （又稱紅外激光）原理SF6報(bào)警裝置，是近幾年發(fā)展起來的一種新的成熟技術(shù)，由于價(jià)格較高，電網(wǎng)中目前采用還相對較少，其測量原理主要是利用SF6氣體對特定波段有強(qiáng)吸收特性來檢測SF6氣體濃度，通過檢測SF6氣體對光的波長和強(qiáng)度的影響，其吸收強(qiáng)度變化取決于被測氣體的濃度，依據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律，確定 SF6氣體的濃度，主要用于SF6氣體定量檢測。其特點(diǎn)測量靈敏度和準(zhǔn)確度高，不受環(huán)境的影響和干擾。

為了有效驗(yàn)證泵吸式紅外激光定量SF6報(bào)警裝置的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室委托試驗(yàn)，共對5個(gè)制造商7臺(tái)紅外激光SF6報(bào)警裝置進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果，有6臺(tái)報(bào)警裝置對SF6氣體定量檢測和報(bào)警誤差均小于10%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果見表5。

報(bào)警裝置對于對氧氣檢測，無論是擴(kuò)散式還是泵吸式，因氧氣沒有紅外吸收，因此均采用了電化學(xué)氧氣傳感器，根據(jù)電化學(xué)原電池的原理進(jìn)行氧氣測量，其內(nèi)部一般采用液體電解質(zhì)，氧氣通過電解質(zhì)在陰陽極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流，所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定電流的大小就可以確定氧氣的濃度。由于整個(gè)反應(yīng)過程中，有電解質(zhì)蒸發(fā)或污染和陽極金屬消耗，所以導(dǎo)致測量精度下降，壽命短。另外，目前所有的測量氧氣定量電化學(xué)傳感器，測試結(jié)果的精度均為0.1%，精度差，導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。

為了提高產(chǎn)品對氧氣分析準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以及延長使用壽命，應(yīng)采用電解質(zhì)為固態(tài)高精度進(jìn)口電化學(xué)傳感器，電解質(zhì)的蒸發(fā)和污染問題可以得到有效解決，目前國內(nèi)部分產(chǎn)品制造商已經(jīng)開始在泵吸式紅外激光定量報(bào)警裝置中進(jìn)行了采用。但在顯示結(jié)果的精度方面還沒有改進(jìn)，如果采用0.01%的精度，會(huì)極大提高氧氣報(bào)警和檢測的合格率。對于檢測氧氣為定量原理SF6報(bào)警裝置，可直接采用濃度18%（V/V）左右氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣對測量傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，可減少配氣誤差對測量結(jié)果的影響。

表5 泵吸式紅外激光定量SF6報(bào)警裝置對SF6和氧氣檢測

泵吸式紅外激光定量SF6報(bào)警裝置是電網(wǎng)未來主要選型方向，但能否正常穩(wěn)定持久投運(yùn)，主要取決于采樣泵的質(zhì)量，因此如何選擇高質(zhì)量采樣泵，也是用戶和設(shè)備制造商需要重視的問題。

3.2 加強(qiáng)設(shè)備實(shí)時(shí)測量的意識(shí)

按我國《電業(yè)安全工作規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，室內(nèi)SF6設(shè)備場所，安裝的SF6線報(bào)警裝置，應(yīng)實(shí)時(shí)檢測空氣中氧氣和SF6氣體含量。從抽查情況看，部分產(chǎn)品制造商為了延長設(shè)備使用壽命，采用了間隔測量法，甚至每2 h設(shè)備才啟動(dòng)巡檢一次，并且測量時(shí)間僅幾秒，起不到真正實(shí)時(shí)監(jiān)督要求。因此在未來的設(shè)備選型中，應(yīng)縮短巡檢周期，達(dá)到實(shí)時(shí)在線檢測目的。

3.3 加強(qiáng)監(jiān)督管理，提高校準(zhǔn)意識(shí)

SF6報(bào)警裝置雖然使用多年，但由于歷史的原因，從屬于不同的管理部門，造成現(xiàn)場監(jiān)督管理的盲點(diǎn)。因此，作為技術(shù)管理部門，首先應(yīng)制定相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)管理細(xì)則，規(guī)范設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理，做好設(shè)備的選型，新設(shè)備質(zhì)量驗(yàn)收，對運(yùn)行中的設(shè)備按周期校準(zhǔn)，提高SF6報(bào)警裝置需要校準(zhǔn)的意識(shí)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。