GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

袁小芳， 蘇鎮(zhèn)西， 祁　炯， 馬鳳翔, 趙　躍， 宋玉梅

(國(guó)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(cè)技術(shù)研究

袁小芳， 蘇鎮(zhèn)西， 祁炯， 馬鳳翔, 趙躍， 宋玉梅

(國(guó)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(duì)其進(jìn)行分解產(chǎn)物的離線檢測(cè)，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(shí)GIS中SF6分解產(chǎn)物的特點(diǎn)，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(cè)系統(tǒng)，分別從檢測(cè)原理、全封閉循環(huán)在線取樣系統(tǒng)等方面，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中用到的關(guān)鍵技術(shù)。首次實(shí)現(xiàn)基于光聲光譜原理的SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用；設(shè)計(jì)了全封閉循環(huán)在線取樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SF6循環(huán)動(dòng)態(tài)在線取樣以及監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備中SF6分解產(chǎn)物的含量及變化趨勢(shì)，對(duì)及時(shí)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(cè)

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(yùn)行是電網(wǎng)安全運(yùn)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(huì)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(duì)故障類型判斷有價(jià)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(píng)價(jià)設(shè)備的運(yùn)行狀況[1,2]。

目前SF6分解產(chǎn)物的檢測(cè)方法有氣相色譜法、檢測(cè)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(cè)，無法遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，產(chǎn)生的分解產(chǎn)物在較短時(shí)間內(nèi)容易被吸附劑所吸附，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，一般距離SF6發(fā)生分解的時(shí)間點(diǎn)較長(zhǎng)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些分解產(chǎn)物，這就需要一種新的檢測(cè)技術(shù)突破在線監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)循環(huán)在線取樣，通過光聲光譜檢測(cè)，檢測(cè)完的樣品氣可回充至設(shè)備中，保證整個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)，解決分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，使分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行。

1　在線監(jiān)測(cè)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(cè)器單元，二是全封閉循環(huán)在線取樣裝置，三是在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

1.1光聲光譜檢測(cè)器單元

1.1.1光聲光譜法原理介紹

圖1　檢測(cè)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(cè)管法相比，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[6]，不消耗被測(cè)樣品，不需要消耗性載氣，不需要標(biāo)準(zhǔn)樣氣，測(cè)量時(shí)間短，靈敏度高，它可以在極弱的吸收處進(jìn)行檢測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)可變，則可檢測(cè)到隨波長(zhǎng)變化的光聲信號(hào)圖譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)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(cè)裝置

光聲光譜檢測(cè)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(cè)氣體產(chǎn)生光聲信號(hào)，根據(jù)HITRAN分析吸收光譜數(shù)據(jù)庫對(duì)SO2、H2S、CO的吸收譜線進(jìn)行仔細(xì)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(zhǎng)窄帶紅外光的關(guān)鍵，選擇時(shí)必須根據(jù)光源輻射譜和濾光片透過特性對(duì)氣體吸收譜進(jìn)行綜合數(shù)值分析，才能確定合適的濾光片設(shè)計(jì)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(hào)，檢測(cè)信號(hào)由鎖相放大器提高信噪比。微音器信號(hào)與待測(cè)氣體的濃度有特定的函數(shù)關(guān)系，隨后即可計(jì)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(guó)內(nèi)已開始開展SF6在線監(jiān)測(cè)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(duì)充氣壓力還有一定的要求，而在線光聲光譜檢測(cè)器檢測(cè)時(shí)需要在常壓下檢測(cè)，否則檢測(cè)器測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定且不準(zhǔn)確，不能直接反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

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

表1　不同方式控制進(jìn)樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.3在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

在線監(jiān)測(cè)檢測(cè)器和取樣裝置研發(fā)之后，需要建立一個(gè)在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)對(duì)這兩部分進(jìn)行功能整合。在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，一是集控裝置的研制，即整機(jī)軟件的開發(fā)，包括機(jī)箱整體設(shè)計(jì)，集控裝置電路設(shè)計(jì)，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(cè)結(jié)果，判定設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)與特征分解產(chǎn)物相關(guān)的故障能夠識(shí)別和判定。通過專家診斷系統(tǒng)后臺(tái)軟件輸入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中SF6設(shè)備潛伏性缺陷、缺陷和故障時(shí)SF6氣體的特征數(shù)據(jù)。可根據(jù)SO2、CO、CF4三種組分實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)值智能分析、綜合診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4整機(jī)合成以及試驗(yàn)分析

將檢測(cè)器裝置、取樣裝置、集控裝置進(jìn)行整機(jī)合成，研制出樣機(jī)，即SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用本系統(tǒng)可以對(duì)變電站目標(biāo)SF6電氣設(shè)備中的分解產(chǎn)物含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)跟蹤，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及其他信息，對(duì)站內(nèi)所有受控的SF6電氣設(shè)備實(shí)施故障診斷和壽命評(píng)估。同時(shí)，該系統(tǒng)具有開放的接口，可響應(yīng)授權(quán)的服務(wù)請(qǐng)求，為其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供服務(wù)支持。用SO2、CO等標(biāo)氣對(duì)樣機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)樣機(jī)開展分解產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和重復(fù)性的試驗(yàn)研究。

2　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)裝置的應(yīng)用

2.1裝置的試運(yùn)行

將樣機(jī)與故障模擬裝置連接，開展長(zhǎng)時(shí)間的在線監(jiān)測(cè)試運(yùn)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(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況。對(duì)出現(xiàn)的問題予以解決。為樣機(jī)的掛網(wǎng)運(yùn)行做充足準(zhǔn)備。將樣機(jī)在某變電站GIS設(shè)備上連接，進(jìn)行掛網(wǎng)運(yùn)行?？疾煸诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。對(duì)連接的設(shè)備做出運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)。

2.2裝置的掛網(wǎng)運(yùn)行

采用CO、CF4、SO2等標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，確保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為掛網(wǎng)運(yùn)行做好了準(zhǔn)備。將GIS中SF6分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)至某變電站，與5043開關(guān)C相連接，開展了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行工作。

圖3　掛網(wǎng)運(yùn)行一年的每月平均值隨月份的變化折線

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某變電站運(yùn)行至今，初時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)定檢測(cè)周期為1個(gè)小時(shí)，經(jīng)過半個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，加長(zhǎng)了檢測(cè)周期，穩(wěn)定后鎖定檢測(cè)周期在6個(gè)小時(shí)，每天檢測(cè)4個(gè)數(shù)據(jù)。從檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，在線檢測(cè)系統(tǒng)掛網(wǎng)運(yùn)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(duì)5043 C相斷路器進(jìn)行檢測(cè)，所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致。圖3為掛網(wǎng)運(yùn)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(cè)數(shù)據(jù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。分析其原因，主要是斷路器開斷引起的CO數(shù)據(jù)增長(zhǎng)。斷路器本身不存在潛伏性故障和故障。檢測(cè)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，與定期應(yīng)用便攜式氣相色譜儀檢測(cè)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(jí)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(jì)損失是無法計(jì)算的。加強(qiáng)GIS中SF6氣體質(zhì)量監(jiān)控對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著非常重要的作用，其所產(chǎn)生的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

項(xiàng)目組順應(yīng)電力發(fā)展的需求，針對(duì)目前在線監(jiān)測(cè)存在的技術(shù)難題，從三方面著手，研制新的檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，并通過了模擬裝置試運(yùn)行和掛網(wǎng)運(yùn)行，在500kV變電站進(jìn)行應(yīng)用。該研究成果完善了六氟化硫在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)手段，填補(bǔ)了分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)的空白，為特高壓、智能電網(wǎng)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，為在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

[1] 劉陳瑤,朱立平,黃云光,等.利用聯(lián)合診斷技術(shù)對(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用[J].廣東科技,2010，9(245):106-108.

[7] 史會(huì)軒,錢進(jìn),熊志東,等.SF6電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013(11):164-165.

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[責(zé)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(jí)工程師，研究方向:六氟化硫的氣體檢測(cè)，從事油和六氟化硫氣體檢測(cè)工作。E-mail：dyyxf@163.com

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

TM561.3

A

1672-9706(2016)03- 0001- 04

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

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

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

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