SF6氣體檢測設備性能評估技術應用研究

魯旭臣，劉佳鑫，趙義松，黃福存，王 勇

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

SF6氣體檢測設備性能評估技術應用研究

魯旭臣1，劉佳鑫1，趙義松1，黃福存1，王 勇2

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

分解物檢測法廣泛應用于SF6斷路器、氣體絕緣全封閉組合電器 （GIS）等電氣設備的狀態評估和故障診斷中。目前對于SF6分解物檢測儀器的校準檢定尚缺乏相應的手段和設備。針對SF6分解產物測試儀校驗技術的應用展開研究，建立了一套SF6氣體檢測設備性能評估系統，利用已知配比的標準氣體對分解產物測試儀進行校驗。采用該方法開展了東北地區SF6分解產物測試儀的全性能自動化檢測與評估，并針對檢測儀的不足提出相應的整改建議。

SF6氣體；分解產物；檢測儀器；性能評估

隨著SF6電氣設備在電力系統中的廣泛應用，設備的健康程度直接影響到電網的安全穩定運行。電氣設備在設計、制造、安裝等過程中遺留的微小缺陷，可能在運行過程中逐步顯現，甚至嚴重威脅電網安全。但在設備故障潛伏期，常規電氣試驗方法難以有效發現設備內部絕緣缺陷。研究表明，在設備絕緣故障初期，分解產物含量也會對應產生變化。因此，SF6氣體中SO2、H2S、CO等組分的含量和變化趨勢可作為判斷SF6電氣設備運行狀態的重要指標［1－5］。 SF6電氣設備配套相關現場分析儀器主要有SF6分解產物分析儀、SF6純度測試儀等。隨著近年來新興儀器的逐漸增多，目前對于這些檢測儀器的校準和檢定，尚缺乏相應的手段和設備［6－9］。

本文針對SF6分解產物測試儀校驗技術應用開展研究。建立一套SF6氣體檢測設備性能評估系統，利用已知配比的標準氣體對分解物檢測儀器開展校驗和性能評估，并對校驗數據和結果進行統計分析。該系統研制后應用于對東北地區SF6分解產物測試儀的全性能自動化檢測與評估，填補了東北地區SF6分解產物測試儀檢測與評估領域的一項空白，既有效提高了儀器校驗工作效率又減少了毒害氣體排放，能夠避免對檢測人員造成傷害，在確保SF6分解產物測試儀的廣泛應用上有著重要意義，在電網的狀態檢修工作中也將發揮更大作用，具有很大的市場潛力及現實意義。

1 檢測依據

現行國家電網公司企業標準 《電力設備帶電檢測儀器技術規范第13部分：SF6氣體分解產物帶電檢測儀技術規范 （Q／GDW 11304.13）中明確規定了針對分解物檢測儀各項性能指標的校驗方法和標準［10］，其中關于檢測范圍及誤差的相關要求見表1。

表1 檢測范圍及誤差要求

2 智能校驗平臺

2.1 基本原理

為解決目前SF6檢測儀器校驗所需標準物質多、工作量大且效率低的問題，本文研究開發了一套基于標氣的多組分SF6檢測儀智能校驗平臺，如圖1所示。該平臺采用系統化設計，集成了自動配氣標定系統、檢測校驗工作系統、尾氣回收處理系統、無毒排放處理系統等功能部件。由處理器自動控制多組分動態配氣系統按預設比例配氣，用于SF6氣體分解產物檢測儀的校驗。依靠平臺自帶的空氣質量監測系統實時監測實驗室環境，當發現氣體泄漏時將聲光報警并自動啟動風機，保障試驗環境安全。

圖1 SF6氣體分解物檢測儀檢驗工作平臺

2.2 動態配氣系統

SF6分解產物傳感器是非線性的，因此檢測系統需要預制不同濃度標氣進行標定。然而標定點過多將直接導致配氣成本的大幅增加，標定點數量過少將直接影響檢測系統輸入／輸出曲線的準確性。本文的研究工作中采用了一種基于高精度質量流量控制器的多組分動態配氣系統，可根據設定的配氣比例 （連續可調）自動配制并輸出多組分標氣。

配氣裝置工作流程如圖2所示，設4路進氣控制，一般以A路為載氣 （載氣可選擇SF6或N2），另3路分別為SO2、H2S和CO。軟件調整后，也可用于上述氣體以外的氣體配制。每路氣體流量由質量流量控制器精確控制，通過控制電路的計算配比即可輸出標準濃度的混合氣體。動態配氣系統適用于 N2、 Air、 H2、 CH4、SF6、CO、H2S、SO2等氣體的濃度配制。如圖3

圖2 動態配氣系統原理圖

所示，前面板中部為觸摸液晶顯示屏，其左右位置分別為排氣口和樣氣口的浮子式氣體流量計，面板下方為A、B、C、D4路進氣端口。通過前面板的配比控制可實現SF6、N2、SO2、H2S、CO氣體的精確混合和配制，可調節參數包括流量范圍、組分比例、稀釋倍數等，如圖4所示。

2.3 尾氣回收系統

圖3 前面板配置

圖4 濃度配氣界面

系統啟動后將自動進入組態控制界面，如圖5所示，同時啟動配氣儀、儀表，儀表排放口的尾氣常壓自動流入系統的緩沖瓶，進氣流量為0.2～2.5 L／min，回收系統檢測到氣體流入啟動一級壓縮機并進行壓力平衡調節，平衡調節時間約40 s。尾氣通過一級壓縮機進入中轉袋，中轉袋容積為2×42 L，當中轉袋的壓力達到設定值3 kPa左右時，報警燈閃爍，提醒操作者開啟二級壓縮機。當外接鋼瓶氣體壓力大于0.8 MPa時，二級回收瓶壓力報警，提示操作者更換鋼瓶。鋼瓶回收充滿后關閉鋼瓶封閉閥將停止壓縮機工作。

實驗室尾氣回收裝置可分別用于SF6氣體、有毒有害氣體的尾氣回收。尾氣常壓自然流入緩沖瓶，對前級調試儀表及配氣系統無影響。系統壓力動態反饋控制，氣泵模糊自動啟動，回收工作運行平穩。雙級回收壓縮設計，界面提示工作狀態，可長時間連續運行。2路進氣口設計，可多通道同時工作，互不干涉。二級回收高壓輸出，尾氣回收灌裝效果好。

圖5 操作界面

3 測試分析

SF6氣體分解產物帶電檢測儀試驗項目分為響應時間測試、單組分準確度測試、多組分準確度測試和重復性測試4部分。

3.1 校驗步驟

a.將各標氣鋼瓶與動態配氣儀對應輸入通道連接，調節鋼瓶壓力輸出至合理范圍內。

b.將動態配氣儀輸出口與待校驗儀器輸入口連接。

c. 選擇標氣通道，根據目標濃度確定質量流量，動態配制特定組分標氣并調節輸出流量。

d. 約300 s后，讀取待校驗儀器示數并記錄配氣濃度。

3.2 響應時間測試

a. 調節動態配氣儀，輸出檢測儀檢測量程80%～90%濃度的混合氣體通入檢測儀，待檢測儀示值穩定 （30 s內示值變化不大于2μL／L），讀取穩定示值。

b. 調節動態配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測儀至檢測儀示數為零 （沖洗時間不宜超過10 min）。

c. 調節動態配氣儀，輸出步驟a中相同濃度的混合氣體通入檢測儀，同時用秒表記錄檢測儀從通入混合氣體時刻到穩定示值90%的時間，為檢測時間。

d. 重復步驟c 3次，取檢測時間的算術平均值為檢測儀的響應時間。

e. 各組分均需分別進行響應時間測試。

3.3 準確度測試 （單組分）

a. 調節動態配氣儀，配制輸出單組分標氣至待校驗儀器，并記錄檢測結果 （參考表2規定的氣體濃度）。

b. 調節動態配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測儀至檢測儀示數為零 （沖洗時間不宜超過10 min）。

c. 重復步驟a和b 3次 （單組分重復測量3次）。

d. 當待校驗儀器檢測的SO2、H2S氣體濃度含量小于5μL／L及CO氣體濃度小于50μL／L時，其示值穩定時間不超過5 min，其它情況下的檢測儀示值穩定時間不超過3 min。

表2 單組分準確度試驗的氣體濃度參考值 μL／L

e. 測量結果誤差的計算方法。

對于SO2和H2S氣體含量≤10μL／L，CO氣體含量≤50μL／L，按式 （1）計算待校驗儀器的測量誤差：

式中：J為待校驗儀器示數；C為被測氣體實際濃度。

對于SO2和H2S氣體含量＞10μL／L，CO氣體含量＞50μL／L，按式 （2）計算待校驗儀器的測量誤差：

3.4 多組分準確度測試

a. 調節動態配氣儀，配制輸出SO2、H2S和CO混合標氣至待校驗儀器，并記錄檢測結果 （參考表3規定的氣體濃度）。

b. 調節動態配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測儀至檢測儀示數為零 （沖洗時間不宜超過10 min）。

c. 重復步驟a和b 5次。

d. 按式 （1）或式 （2）計算待校驗儀器的測量誤差。

表3 組分準確度試驗氣體濃度參考值 μL／L

3.5 重復性測試

a. 調節動態配氣儀，配制輸出濃度為5μL／L的單組分氣體至待校驗儀器，并記錄檢測結果。

b. 調節動態配氣儀，輸出SF6純氣沖洗氣體管路和檢測儀至檢測儀示數為零 （沖洗時間不宜超過10 min）。

c. 重復步驟a和b 3次 （單組分重復測量3次）。

d. 測量結果重復性的計算方法。

對于SO2和H2S氣體濃度≤10μL／L，CO氣體濃度≤50μL／L時，按式 （3）計算待校驗儀器的重復性：

式中：C 為檢測儀示值的算術平均值；Ci為第i次的檢測儀示值。

對于SO2和H2S氣體濃度＞10μL／L，CO氣體濃度＞50μL／L時，重復性以相對標準偏差CV表示，按式 （4）計算待校驗儀器的重復性：

式中：n為檢測次數。

4 測試結果分析

4.1 平衡氣問題

對分解物檢測儀采用N2和SF62種平衡氣分別配制標氣進行標定，其對比結果見圖6。采用N2為平衡氣標定的儀器測試值低于真實值30%～60%，因此采用N2為平衡氣無法真實反映被測氣體中組分含量的實際值，不適合作為儀器標定平衡氣。

圖6 不同平衡氣標定結果對比

4.2 傳感器問題

電化學傳感器會隨使用次數增加、時間延長而逐漸老化，導致檢驗結果不準確。如圖7所示，自2008年起，合格率隨出廠年份逐漸升高。部分出廠3年及以上的儀器，雖經歷過返廠維修，但檢驗結果普遍偏小，均因儀器出廠日期較早、傳感器老化失效造成。此類儀器在更換傳感器后復檢均合格。

圖7 儀器校驗合格率變化趨勢

5 結論

a.SF6分解物檢測儀校驗宜采用以SF6為平衡氣所配制的標氣，所得校驗結果將更接近于真實值。

b.SF6分解物檢測儀的電化學傳感器會逐漸老化，建議對使用中的儀器每年至少檢驗1次，同時應加強儀器日常維護工作。

c.依照技術規范書，開展新購置儀器的到貨驗收工作。

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Application Research on Performance Evaluation of SF6Gas Inspection Equipment

LU Xuchen1， LIU Jiaxin1， ZHAO Yisong1， HUANG Fucun1， WANG Yong2

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China）

Decomposition detection is widely used in state evaluation and fault diagnosis of SF6circuit breaker， GIS and other electrical equipments.There is no unified calibration standard of SF6decomposition instrument in power industry.Therefore，the accuracy of test result is difficult to determine.Itmakes trouble on the SF6decomposition field detection.This paper studies on performance evaluation of SF6gas inspection equipment and establishment.A SF6gas detection equipment performance evaluation system which could check the decomposition instrument using standard gaswith a given ratio.The full performance automation detection and evaluation of SF6gas inspection equipments is processed.To use this system which gives corresponding rectification suggestions on the shortcomings.

SF6gas； decomposition product； inspection equipment； performance evaluation

TM507

A

1004－7913（2017）11－0020－04

魯旭臣 （1983），男，碩士，高級工程師，主要從事高壓開關技術研究工作。

2017－07－02）