六氟化硫氣體中酸度檢測方法的改進(jìn)研究

袁小芳，祁 炯，趙 躍，馬鳳翔，宋玉梅，劉子恩，劉 偉

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

0 前言

六氟化硫(SF6)氣體的化學(xué)性質(zhì)是極為穩(wěn)定的，純SF6是無毒的，但其在電弧作用下的分解氣體卻是有毒或劇毒的。當(dāng)SF6氣體中含有水分、空氣雜質(zhì)，且與設(shè)備絕緣材料接觸時(shí)，一部分離解的分解產(chǎn)物會(huì)與這些物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成酸和酸性物質(zhì)[1-5]，這些物質(zhì)會(huì)對設(shè)備的金屬部件和絕緣材料造成腐蝕，從而影響電氣設(shè)備的機(jī)械、導(dǎo)電、絕緣性能，而且，SF6氣體中的酸度在一定程度上代表著SF6絕緣氣體的毒性大小，所以，有效地檢測SF6氣體中的酸度含量至關(guān)重要，以保證人身和電氣設(shè)備的安全。

傳統(tǒng)的SF6氣體中的酸度含量檢測是純手工滴定，操作比較繁瑣。隨著電力行業(yè)特高壓電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的加快，SF6氣體酸度的快速、準(zhǔn)確檢測迫在眉睫，因此研究SF6氣體中酸性物質(zhì)的快速吸收方法，以便使檢測能夠滿足低含量、高精度、準(zhǔn)確可靠的要求。

1 酸度檢測方法的研究

1.1 傳統(tǒng)的酸度檢測方法

SF6絕緣氣體中的酸度主要指SF6絕緣氣體中的酸(HF)和酸性物質(zhì)(S02)的存在程度，傳統(tǒng)SF6氣體酸度測定原理為一定體積SF6氣體中的酸性物質(zhì)被含有指示劑的酸堿溶液吸收，過量的堿用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。根據(jù)消耗酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積、濃度及SF6氣體質(zhì)量，計(jì)算出酸度，結(jié)果以氫氟酸(HF)的質(zhì)量和SF6氣體質(zhì)量比(μg/g)表示。操作如圖1所示，圖1為酸度吸收裝置，圖中5、6、7內(nèi)各加入150mL試驗(yàn)用水，再用移液管分別加入2.0mL氫氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液，搖勻，并按圖1連接。同時(shí)記錄濕式氣體流量計(jì)的讀數(shù)V1，大氣壓力P1及室溫t1，依次打開SF6氣體的流量約為500mL/min。通氣約20min后，依次關(guān)閉鋼瓶及氧氣減壓表閥門。記錄濕式流量計(jì)的讀數(shù)V2，大氣壓力P2及室溫t2。最后拆下圖1中吸收瓶5、6、7，分別加入8滴混合指示劑，立即置于磁力攪拌器上，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)(酒紅色)。記錄各吸收液所消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)液體積X、Y、B，若第二只吸收瓶的耗酸量大于第一只吸收瓶中耗酸量的10%，則認(rèn)為吸收不完全，需重新吸收。

圖1 傳統(tǒng)酸度檢測吸收裝置示意圖

上述主要依據(jù)DL/T916-2005《六氟化硫氣體酸度測定法》[6]和GB/T12022-2014《工業(yè)六氟化硫》[7]中的方法。SF6氣體通過一定濃度的NaOH溶液，酸性物質(zhì)被吸收后，再用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)。該方法存在以下缺點(diǎn)：(1)NaOH常壓吸收SF6氣體，吸收不完全，導(dǎo)致檢測重復(fù)性較差；(2)滴定終點(diǎn)顏色變化，純?nèi)庋勰恳暸袛?，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，平行試驗(yàn)相對偏差大，不同技術(shù)人員測定結(jié)果誤差更大；(3)完全手動(dòng)操作，耗時(shí)長，誤差不可避免，且有一系列的疊加誤差。

1.2 改進(jìn)的酸度檢測方法

針對SF6中酸度檢測的傳統(tǒng)手工測量的技術(shù)問題，開展SF6中酸度的檢測方法及裝置的研究，實(shí)現(xiàn)SF6氣體酸度的快速準(zhǔn)確的檢測，研究SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制方法和裝置，解決酸度測量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞問題，實(shí)現(xiàn)SF6氣體中酸度檢測裝置直接校準(zhǔn)，避免了手工測量引起的試驗(yàn)時(shí)間長、溶液量大及精度不高的問題，研究內(nèi)容框架如圖2所示。

圖2 SF6中酸度的現(xiàn)場檢測方法及裝置的研究

1.2.1 SF6氣體中酸性物質(zhì)“微正壓”吸收技術(shù)的研究

傳統(tǒng)的檢測方法是在常壓下采用純手動(dòng)裝置，試驗(yàn)裝置負(fù)責(zé)，且吸收速度慢，氣體與吸收溶液的接觸面積有限，為此，采用“微正壓”吸收技術(shù)，利用氣體在本身吸收池中形成的壓力，增大雜質(zhì)氣體在吸收液中的溶解系數(shù)(ki)，ki值越大，雜質(zhì)氣體在吸收液中的溶解度越高，也越容易與吸收液發(fā)生反應(yīng)，有利于促進(jìn)吸收完全。

研究了氣體中酸性物質(zhì)快速吸收方法及裝置，如圖3所示，包括氣體吸收池、吸收液，吸收液設(shè)置于氣體吸收池內(nèi)部，設(shè)計(jì)一個(gè)新型細(xì)長狀氣體吸收池裝置，氣體吸收池的體積為100ml，氣體吸收池的高度與徑向尺寸之比為8:1，可大大增加氣體在吸收液中的行程，有效減少吸收液使用量。吸收液為一定濃度的氫氧化鈉溶液，能吸收SF6中酸性物質(zhì)；氣體吸收池的控制管路上設(shè)置有若干可任意進(jìn)行開閉操作的電磁閥；氣體吸收池的底部連接有進(jìn)氣口，進(jìn)氣口與氣體吸收池的底部之間還依次連接有減壓閥、穩(wěn)流閥；氣體吸收池的底部還連接有自動(dòng)進(jìn)樣器、排液口，用于吸收液的定量加入與排放；氣體吸收池的頂部連接有排氣口，當(dāng)氣體吸收池內(nèi)壓力超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)排氣；氣體吸收池的頂部設(shè)置有壓力傳感器，可實(shí)時(shí)顯示氣體吸收池內(nèi)的壓力。

圖3 SF6氣體中酸性物質(zhì)吸收裝置原理圖

1-氣體吸收池，2-電磁閥一，3-自動(dòng)進(jìn)樣器，4-電磁閥二，5-進(jìn)氣口，6-減壓閥，7-穩(wěn)流閥，8-壓力傳感器，9-電磁閥三，10-排氣口，11-電磁閥四，12-排液口

1.2.2 SF6氣體酸度檢測裝置的研制

SF6氣體酸度是工業(yè)SF6及運(yùn)行中SF6氣體質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)檢測方法使用錐形瓶常壓吸收氣體，需要至少重復(fù)三次以保證吸收完全，且滴定終點(diǎn)的顏色變化，為肉眼感官判斷，平行試驗(yàn)誤差大；為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，一般還需要多次進(jìn)行試驗(yàn)以求取平均值，過程繁雜且花費(fèi)時(shí)間多。

本文的SF6氣體酸度檢測裝置包括氣體吸收池1和pH傳感器2，氣體吸收池1為細(xì)長結(jié)構(gòu)且豎直設(shè)置以優(yōu)化對SF6氣體的吸收效果，pH傳感器2側(cè)立于氣體吸收池1的側(cè)壁上且其信號探頭3位于氣體吸收池1內(nèi)，優(yōu)選地，pH傳感器2與水平面呈60°夾角。結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

首創(chuàng)的溶液酸堿度超靈敏捕捉技術(shù)，溯源對數(shù)原理，攻克了強(qiáng)堿溶液中微量酸性物質(zhì)引起的pH變化無法測量的難題，巧妙設(shè)計(jì)方法步驟，利用溯源pH測量原理，在pH值接近中性時(shí)，酸堿變化引起pH值的變化趨勢比較明顯，設(shè)計(jì)一組對比試驗(yàn)，進(jìn)行兩次pH值的測量，既保證吸收液堿性濃度，又使pH值變化范圍落在趨勢明顯區(qū)域，實(shí)現(xiàn)使用pH傳感器對SF6氣體酸度的測量。保證溶液中酸性物質(zhì)有效吸收的同時(shí)，將pH值調(diào)整到變化最敏感的區(qū)域。

圖4 SF6氣體酸度檢測裝置原理圖

1-氣體吸收池，2-pH傳感器，3-信號探頭，4-排液口，5-進(jìn)氣口，6-手動(dòng)進(jìn)樣口，7-排氣口，8-壓力傳感器，9-純水進(jìn)樣口，10-酸液進(jìn)樣口，11-堿液進(jìn)樣口，12-電磁閥

1.2.3 SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制裝置及方法研究

為了確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，必須控制SF6氣體中各類雜質(zhì)組分的含量，特別是對電氣設(shè)備固體絕緣材料存在嚴(yán)重腐蝕性的酸和酸性組分要進(jìn)行嚴(yán)格控制，其中最主要的一種腐蝕性酸是HF。因此，SF6氣體在使用前需進(jìn)行酸度檢測，但是，目前SF6氣體酸度的標(biāo)準(zhǔn)測量方法無法進(jìn)行直接校準(zhǔn)，為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種SF6氣體中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制裝置，如圖5所示，可直接連接SF6氣體酸度測量裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 SF6中HF標(biāo)準(zhǔn)氣配制方法原理圖

1-第一水浴槽，2-第二水浴槽，3-加熱模塊，4-鉑電阻，5-進(jìn)氣管路，6-出氣管路，7-內(nèi)槽，8-流量調(diào)節(jié)閥，9-循環(huán)泵，10-透氣膜

研制具有彼此連通的第一水浴槽和第二水浴槽的恒溫水浴裝置，為第一水浴槽內(nèi)配備加熱模塊和溫度檢測模塊；第二水浴槽的頂部密封，其內(nèi)部設(shè)有用于盛放氫氟酸液體的內(nèi)槽，在內(nèi)槽頂部設(shè)有密封蓋，密封蓋能夠打開以加入氫氟酸液體，密封蓋的前端和后端分別連接穿過第二水浴槽的進(jìn)氣管路和出氣管路，出氣管路的出口與SF6氣體酸度測量裝置相連接。利用加熱模塊對恒溫浴槽加熱，浴槽保持一定溫度不變，通過將純SF6氣體自進(jìn)氣管路以恒定的流速通入充滿HF蒸汽的內(nèi)槽中，實(shí)現(xiàn)制備具有標(biāo)準(zhǔn)濃度的HF氣體的SF6氣體；解決了使用SF6氣體酸度檢測裝置測量酸度時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞問題，實(shí)現(xiàn)對SF6氣體酸度檢測裝置進(jìn)行直接校準(zhǔn)，使其測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

通過對以上研究的集成，研制的SF6氣體中酸度現(xiàn)場檢測方法裝置典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 SF6氣體酸度現(xiàn)場檢測裝置典型結(jié)果圖

2 小結(jié)

現(xiàn)有技術(shù)中的SF6生產(chǎn)工藝會(huì)使氣體中不可避免地混有酸和酸性物質(zhì)，對電氣設(shè)備的安全性和使用壽命都存在很大的影響。SF6氣體酸度是工業(yè)SF6及運(yùn)行中SF6氣體質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)檢測方法在常壓下采用純手動(dòng)裝置，試驗(yàn)裝置復(fù)雜、吸收速度慢，且吸收不完全，為解決傳統(tǒng)方法的不足之處，我們研制了一種SF6氣體酸度檢測裝置，采用細(xì)長結(jié)構(gòu)、豎直設(shè)置的吸收池帶壓吸收SF6中的酸性氣體，增大了氣體在溶液中的溶解度及氣體與溶液的接觸面積，使吸收過程更趨于完全、速度更快，實(shí)現(xiàn)了SF6氣體中酸性物質(zhì)的快速吸收，利用pH傳感器實(shí)現(xiàn)儀器化，避免了滴定過程中純?nèi)庋叟袛嘟K點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)SF6氣體酸度的快速、準(zhǔn)確檢測，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間、大大提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，進(jìn)一步為充氣電力設(shè)備的安全運(yùn)行及監(jiān)督提供有力保障。