袁小芳， 蘇鎮(zhèn)西， 祁　炯， 馬鳳翔, 趙　躍， 宋玉梅

(國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽　合肥　230022)

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GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測技術(shù)研究

袁小芳， 蘇鎮(zhèn)西， 祁炯， 馬鳳翔, 趙躍， 宋玉梅

(國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽合肥230022)

判斷SF6電氣設(shè)備故障大都是對其進行分解產(chǎn)物的離線檢測，但難以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的潛在隱患。文章通過分析發(fā)生故障時GIS中SF6分解產(chǎn)物的特點，研制了一套基于光聲光譜原理的SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)，分別從檢測原理、全封閉循環(huán)在線取樣系統(tǒng)等方面，詳細闡述了該系統(tǒng)在設(shè)計過程中用到的關(guān)鍵技術(shù)。首次實現(xiàn)基于光聲光譜原理的SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測的應(yīng)用；設(shè)計了全封閉循環(huán)在線取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)了SF6循環(huán)動態(tài)在線取樣以及監(jiān)測過程中的無泄漏、無排放。該系統(tǒng)目前已在變電站成功應(yīng)用，并實時監(jiān)測設(shè)備中SF6分解產(chǎn)物的含量及變化趨勢，對及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛伏性故障或缺陷意義重大。

光聲光譜原理；循環(huán)在線取樣系統(tǒng)；SF6分解產(chǎn)物；在線監(jiān)測

0　前言

SF6氣體在開關(guān)、互感器、GIS中現(xiàn)已廣泛使用，其六氟化硫電氣設(shè)備的可靠運行是電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵。如果設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障，SF6氣體在熱、電的作用下會發(fā)生分解，并與GIS設(shè)備內(nèi)存在的微水、微氧等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成一些對故障類型判斷有價值的的特征氣體，利用這些分解產(chǎn)物的含量和變化規(guī)律可有效評價設(shè)備的運行狀況[1,2]。

目前SF6分解產(chǎn)物的檢測方法有氣相色譜法、檢測管法、傅里葉紅外吸收光譜法等[2-5]，且大多數(shù)都是離線檢測，無法遠程實時監(jiān)測設(shè)備中SF6分解產(chǎn)物含量的變化情況。而且一旦六氟化硫電氣設(shè)備發(fā)生潛伏性故障或故障時，產(chǎn)生的分解產(chǎn)物在較短時間內(nèi)容易被吸附劑所吸附，現(xiàn)場技術(shù)人員到現(xiàn)場檢測時，一般距離SF6發(fā)生分解的時間點較長，難以及時發(fā)現(xiàn)這些分解產(chǎn)物，這就需要一種新的檢測技術(shù)突破在線監(jiān)測的技術(shù)難題。文章主要介紹研發(fā)的基于光聲光譜原理的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對設(shè)備的動態(tài)循環(huán)在線取樣，通過光聲光譜檢測，檢測完的樣品氣可回充至設(shè)備中，保證整個監(jiān)測過程的無排放無泄漏。

通過研究GIS中SF6氣體分解產(chǎn)物在線監(jiān)測技術(shù)，解決分解產(chǎn)物在線監(jiān)測的技術(shù)難題，使分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠在電力系統(tǒng)普及應(yīng)用，可以有力保障GIS等電氣設(shè)備的正常安全運行。

1　在線監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)由三部分組成，一是以SF6為載氣的光聲光譜檢測器單元，二是全封閉循環(huán)在線取樣裝置，三是在線監(jiān)測管理系統(tǒng)。

1.1光聲光譜檢測器單元

1.1.1光聲光譜法原理介紹

圖1　檢測器單元整體結(jié)構(gòu)效果圖

光聲光譜法與電化學(xué)傳感器法、氣相色譜法、檢測管法相比，具有得天獨厚的優(yōu)勢[6]，不消耗被測樣品，不需要消耗性載氣，不需要標準樣氣，測量時間短，靈敏度高，它可以在極弱的吸收處進行檢測而獲得足夠的靈敏度。光聲光譜法是基于光聲效應(yīng)的光譜技術(shù)，光聲效應(yīng)是指氣體分子吸收特定波長的電磁輻射所致，氣體受輻射后導(dǎo)致溫度上升，密閉容器內(nèi)氣體溫升對應(yīng)氣體壓力變化。由于每種化合物均有其特征紅外光譜，若入射波長可變，則可檢測到隨波長變化的光聲信號圖譜，從而實現(xiàn)對被測物分子結(jié)構(gòu)的鑒定和定性定量分析。

圖2　光聲系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1.2光聲光譜檢測裝置

光聲光譜檢測裝置(見圖1)的核心部分是光聲系統(tǒng)，而光聲系統(tǒng)主要由光源、濾光片、斬波器、光聲池和微音器組成，見圖2。采用紅外光源，配合使用不同的干涉濾光片，以激發(fā)待測氣體產(chǎn)生光聲信號，根據(jù)HITRAN分析吸收光譜數(shù)據(jù)庫對SO2、H2S、CO的吸收譜線進行仔細分析后選取特征吸收譜線，SO2(3.98μm)、H2S(4.65μm)、CO(2.64μm)。合適的濾光片是將光源的寬譜輻射轉(zhuǎn)化為特定波長窄帶紅外光的關(guān)鍵，選擇時必須根據(jù)光源輻射譜和濾光片透過特性對氣體吸收譜進行綜合數(shù)值分析，才能確定合適的濾光片設(shè)計參數(shù)。斬波器被放置于光源和濾光片之間，既有利于減小濾光片尺寸，還可以利用濾光片阻擋斬波器噪聲傳入光聲池。微音器的主要作用是將聲能變化成電信號，檢測信號由鎖相放大器提高信噪比。微音器信號與待測氣體的濃度有特定的函數(shù)關(guān)系，隨后即可計算出該氣體的濃度值。

1.2全封閉循環(huán)在線取樣系統(tǒng)裝置

目前，國內(nèi)已開始開展SF6在線監(jiān)測手段的相關(guān)研究[7-9]，由于大部分的SF6電氣設(shè)備氣室體積不大，對充氣壓力還有一定的要求，而在線光聲光譜檢測器檢測時需要在常壓下檢測，否則檢測器測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且不準確，不能直接反應(yīng)設(shè)備的運行狀況。

為解決這一難題，針對SF6電氣設(shè)備的特點，研發(fā)了一套SF6電氣設(shè)備在線監(jiān)測取樣系統(tǒng)，能將檢測過的氣體回充到設(shè)備中，實現(xiàn)監(jiān)測過程中的“無排放”。另外通過氣缸的往復(fù)運動實現(xiàn)氣體的取樣，一方面可保證從電氣設(shè)備取樣后進入檢測設(shè)備的入口壓力是1000hPa，確保在線設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性；另一方面保證樣氣具有代表性，真正實現(xiàn)SF6光聲光譜分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測過程的“零污染”。表1為直接用減壓閥控制進樣連接在線監(jiān)測設(shè)備和通過取樣裝置連接在線監(jiān)測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)。從結(jié)果來看，用減壓閥控制進樣的測試值與標準值相比，數(shù)據(jù)誤差很大，而通過取樣裝置后的測試值與標準值比較接近，說明該取樣裝置能保證檢測測試的準確性。

表1　不同方式控制進樣的檢測數(shù)據(jù)

1.3在線監(jiān)測管理系統(tǒng)

在線監(jiān)測檢測器和取樣裝置研發(fā)之后，需要建立一個在線監(jiān)測管理系統(tǒng)對這兩部分進行功能整合。在線監(jiān)測管理系統(tǒng)主要包括兩個部分，一是集控裝置的研制，即整機軟件的開發(fā)，包括機箱整體設(shè)計，集控裝置電路設(shè)計，軟件功能開發(fā)，做好光譜儀通訊協(xié)議、取樣裝置通訊協(xié)議等。二是專家分析功能，做到根據(jù)設(shè)備的氣體分解產(chǎn)物檢測結(jié)果，判定設(shè)備的運行狀況，對與特征分解產(chǎn)物相關(guān)的故障能夠識別和判定。通過專家診斷系統(tǒng)后臺軟件輸入相關(guān)標準或規(guī)范中SF6設(shè)備潛伏性缺陷、缺陷和故障時SF6氣體的特征數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)SO2、CO、CF4三種組分實時檢測數(shù)值智能分析、綜合診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

1.4整機合成以及試驗分析

將檢測器裝置、取樣裝置、集控裝置進行整機合成，研制出樣機，即SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)。運用本系統(tǒng)可以對變電站目標SF6電氣設(shè)備中的分解產(chǎn)物含量進行實時檢測跟蹤，并將檢測結(jié)果反饋到遠端監(jiān)控平臺，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及其他信息，對站內(nèi)所有受控的SF6電氣設(shè)備實施故障診斷和壽命評估。同時，該系統(tǒng)具有開放的接口，可響應(yīng)授權(quán)的服務(wù)請求，為其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供服務(wù)支持。用SO2、CO等標氣對樣機進行標定。對樣機開展分解產(chǎn)物檢測結(jié)果準確性和重復(fù)性的試驗研究。

2　在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測裝置的應(yīng)用

2.1裝置的試運行

將樣機與故障模擬裝置連接，開展長時間的在線監(jiān)測試運行。變換故障模擬裝置內(nèi)SF6氣體，改變氣體中SO2、CO、CF4等含量，考察在線監(jiān)測系統(tǒng)的長時間運行情況。對出現(xiàn)的問題予以解決。為樣機的掛網(wǎng)運行做充足準備。將樣機在某變電站GIS設(shè)備上連接，進行掛網(wǎng)運行。考察在線監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。對連接的設(shè)備做出運行狀況評價。

2.2裝置的掛網(wǎng)運行

采用CO、CF4、SO2等標準氣體對GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了標定，確保在線監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，檢測數(shù)據(jù)準確，為掛網(wǎng)運行做好了準備。將GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)運至某變電站，與5043開關(guān)C相連接，開展了在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場掛網(wǎng)運行工作。

圖3　掛網(wǎng)運行一年的每月平均值隨月份的變化折線

在線監(jiān)測系統(tǒng)在某變電站運行至今，初時在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定檢測周期為1個小時，經(jīng)過半個月的調(diào)試運行，加長了檢測周期，穩(wěn)定后鎖定檢測周期在6個小時，每天檢測4個數(shù)據(jù)。從檢測數(shù)據(jù)來看，在線檢測系統(tǒng)掛網(wǎng)運行較穩(wěn)定，基本無變化。工作人員應(yīng)用便攜式氣相色譜儀與便攜式分解產(chǎn)物儀對5043 C相斷路器進行檢測，所得到的檢測數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致。圖3為掛網(wǎng)運行至今一年的平均值隨月份的變化折線，從圖上可以看出，各組分濃度變化基本不大。但是CO檢測數(shù)據(jù)呈增長趨勢。分析其原因，主要是斷路器開斷引起的CO數(shù)據(jù)增長。斷路器本身不存在潛伏性故障和故障。檢測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，與定期應(yīng)用便攜式氣相色譜儀檢測結(jié)果接近。

3　結(jié)論

隨著特高壓、智能電網(wǎng)高速發(fā)展，高電壓等級的變電站紛紛建設(shè)，GIS設(shè)備得到了普遍應(yīng)用。做好GIS設(shè)備的監(jiān)督管理日益重要，若監(jiān)督手段不利，SF6氣體質(zhì)量得不到很好的控制，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生事故，帶來的經(jīng)濟損失是無法計算的。加強GIS中SF6氣體質(zhì)量監(jiān)控對整個電網(wǎng)的安全運行起著非常重要的作用，其所產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟效益是顯而易見的。

項目組順應(yīng)電力發(fā)展的需求，針對目前在線監(jiān)測存在的技術(shù)難題，從三方面著手，研制新的檢測器裝置、取樣裝置和集控裝置，成功研制出分解產(chǎn)物在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過了模擬裝置試運行和掛網(wǎng)運行，在500kV變電站進行應(yīng)用。該研究成果完善了六氟化硫在線監(jiān)測領(lǐng)域的檢測手段，填補了分解產(chǎn)物在線監(jiān)測的空白，為特高壓、智能電網(wǎng)的高速發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，為在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻。

[1] 劉陳瑤,朱立平,黃云光,等.利用聯(lián)合診斷技術(shù)對設(shè)備SF6氣體分析的應(yīng)用[J].廣西電力，2013，36(5):50-53．

[2] 張寶軍,劉洋,關(guān)艷玲,等.SF6分解產(chǎn)物分析在GIS絕緣故障診斷中的現(xiàn)場應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2013(5):18-20.

[3] 陳曉清,任明,彭華東,等.GIS設(shè)備中SF6氣體分解影響分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(7):34-38.

[4] 周舟,龔尚昆，陳紹藝.SF6氣體分解產(chǎn)物檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(S1):165-168.

[5] 李明,李娟,金子惠.基于SF6氣體分解產(chǎn)物測試的電氣設(shè)備故障診斷分析[J].高壓電氣,2014,50(3):133-136.

[6] 吳沃生.光聲光譜技術(shù)在電氣設(shè)備SF6氣體檢測中的應(yīng)用[J].廣東科技,2010，9(245):106-108.

[7] 史會軒,錢進,熊志東,等.SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測方法研究[J].高壓電器,2014,50(1):56- 60.

[8] 楊世輝,張福偉.六氟化硫智能在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013(11):164-165.

[9] 黃成吉,葉國強,李麗,等.六氟化硫在線自動采樣監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].機電工程技術(shù),2014,43(4):45- 48.

[責任編輯：王敏]

Online Monitoring Technology of SF6Decomposition Products in GIS

YUANXiao-fang,SUZhen-xi,QIJiong,MAFeng-xiang,ZHAOYue,SONGYu-mei

(ElectricPowerResearchInstituteofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China)

The off-line detection of the decomposition products could judge the faults of the SF6electrical equipment. But it is difficult to find the potential faults in the equipment as soon as possible. The paper develops a set of SF6decomposition products online monitoring system based on the principle of photoacoustic spectroscopy by the analysis of the decomposition product characteristics when faults occur. It explains the key technology of the system used in the design process in detail, including the aspects of the detection principle and the full closed circulating online sampling system. It realizes the online monitoring application of SF6decomposition products based on the principle of photoacoustic spectroscopy for the first time, designs a full closed circulating online sampling system, and realizes the circulating online sampling of SF6, no leakage and no emissions in the monitoring process. The system has been successfully applied in the transformer substation and has monitored the SF6decomposition product content and trends in real time. It is of great significance on the timely discovery of the potential failures or faults of the equipments.

photoacoustic spectroscopy principle; circulating online sampling system; SF6decomposition products; online monitoring

2015-12-22

袁小芳(1981-)，女，江蘇丹陽人，碩士，中級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。E-mail：dyyxf@163.com

蘇鎮(zhèn)西(1962-)，男，安徽合肥人，高級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。

TM561.3

A

1672-9706(2016)03- 0001- 04

祁炯(1965-)，男，安徽合肥人，高級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。

馬鳳翔(1987-)，男，安徽蚌埠人，碩士，中級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。

趙躍(1984-)，男，安徽合肥人，博士，高級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。

宋玉梅(1985-)，女，安徽肥東人，碩士，中級工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測，從事油和六氟化硫氣體檢測工作。