智能变电站S F6气体微水监测系统的选型与配置

周星，许家珲，张嵌

（1．国核电力规划设计研究院，北京 100095；2．国网天津市电力公司，天津 300000；3．北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043）

智能变电站中金属封闭开关设备（GIS）多采用六氟化硫（SF6）作为绝缘介质。SF6气体含水量是监督设备安全运行的一项重要指标[1-2]，SF6水分含量过高，会影响气体分解物的生成，导致机械操作失灵，使沿面闪络电压急剧下降，危及设备的安全运行。同时，Q/GDW 534—2010《变电设备在线监测系统技术导则》提出：500 kV及以上电压等级SF6断路器或220 kV及以上电压等级GIS可根据需要配置SF6气体压力和湿度在线监测装置。由此可见，在智能变电站中，对220 kV及以上GIS进行SF6气体微水的研究和监测具有十分重要的意义。

1 SF6微水测试原理和方法

电力系统中SF6微水测量多采用电解法、露点法、阻容法3种[3]。

电解法是用涂覆了磷酸的2个电极形成1个电解池，在2电极之间施加直流电压，气体中水分被池内P2O5膜层连续吸收，生成磷酸，并被电解成氢和氧，同时P2O5可以再生。当吸收和电解达到平衡后，进入电解池的水分全部被P2O5膜层吸收，并全部被电解。若已知环境温度、环境压力和样气流量，根据法拉第电解定律和气体定律，可推导出水的电解电流与样气湿度之间的关系：

式中，T0=273.15 K；F=96485 C；P0=101325 Pa；I为水的电解电流，μA；Q为样气流量，mL/min；U为样气温度的体积分数，10-6；P为环境压力，Pa；T为环境的热力学温度，K；V0为标准状态下样气的摩尔体积，L/mol。

由式（1）可见，电解电流的大小正比于气体湿度，因此可通过测量电解电流来测量样气的湿度[4]。由于此方法需要在测量介质两端加装电极，对气体流量和电池寿命等要求较高，因此不适合在电力现场应用。

阻容法利用电阻或电容等半导体湿敏器件的电阻值或电容值随环境湿度的变化而变化的特点，来进行湿度的测量，输出信号一般为相对湿度。阻容法的优点是测量快速、准确，受温度影响较小，缺点主要是价格昂贵，并且由于其采用复杂的电子回路，在变电站电磁环境极其恶劣的场合易受到电磁干扰问题，有时在现场测量遇到电磁干扰时会导致测量系统死机的现象。

露点法通过测定气体的露点来测定气体中微量水分。具体原理为：当一定体积的气体在恒定的压力下均匀降温时，气体和气体中水分的分压保持不变，直至气体中的水分达到饱和状态，该状态下的温度就是气体的露点。通常是在气体流经的测定气室中安装镜面及其附件，通过测定在单位时间内离开和返回镜面的水分子数达到动态平衡时的镜面温度来确定气体的露点，一定的气体水分含量对应一个露点温度，同时一个露点温度对应一定的气体水分含量。因此测定气体的露点温度就可以测定气体的水分含量。由露点值可以计算出气体中微量水分含量，由露点和所测气体的温度可以得到气体的相对水分含量。原理如图1所示。

图1 露点法测量示意图Fig.1 Diagram of the dew-point measurement method

露点-体积分数（V/V）的对应关系按式（2）计算[5]：

式中，Vr为体积比，μL/L；ed为在露点温度下的饱和水蒸气压，Pa；f为大气压，Pa；p为增强因子。

露点法是目前SF6微水监测的典型方法，具有测量精度高、测量时间短、操作方便、适宜现场测量等优点。但是，露点法也存在一定的问题，除了需要强迫使被测气体流动，较难用于SF6气体微水含量在线监测外，还有若SF6气体中有以蒸汽形式存在的烃类或电弧分解产物，这些物质在水分凝露之前就要凝露，从而影响测量结果。这种现象在四川、江苏、浙江、广东和黑龙江等省都曾经出现过，具有较普遍意义。

2 SF6微水现场测试方法

现阶段智能变电站内SF6气体微水的现场监测主要有在线监测和离线监测2种：SF6气体微水在线监测、SF6气体微水离线监测。

2.1 SF6气体微水在线监测

目前在线系统安装的水分传感器大多采用露点法和阻容法，主要有3种：冷镜法、金属氧化法和聚合物法，如图2所示。

图2 SF6微水在线监测装置Fig.2 SF6micro-water on-line monitoring device

2.1.1 冷镜法

冷镜法可以在很宽的测量范围内取得较高的精度，但由于光学测量原理的局限性使其极易受镜面污染物和灰尘的影响，从而影响精度，并且不易区分霜点和露点。为克服此缺点，测量系统往往需要附加许多额外设备以提供镜面清洗、防护等功能，造成整套设备比较昂贵。冷镜法往往用于精度要求极高且具有良好操作、维护的场合（如实验室），而对于大多数在线测量，则维护成本较高。

2.1.2 湿敏元件型传感器

水具有较大的电子亲和力，易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。在现代工业中使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出。

水分子亲和力型传感器分为金属氧化物湿度传感器和高分子材料湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式2大类。

湿敏电阻是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达2%~3%RH。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度和长期稳定性。

1）金属氧化物传感器。用于工业过程控制中的低露点测量。此测量法在正确使用时可以测得较低的露点，其缺点是长期稳定性差。由于测湿敏元件本身造成的漂移，使得频繁的标定工作必不可少，而且传感器不能在线标定，大多数情况下要送到原厂标定，且标定成本较高，这将会影响日后的准确测量、正常生产，增大了维护工作量。金属氧化物传感器在高湿或冷凝的情况下一旦受损，其功能将无法恢复。

2）聚合物薄膜法。利用聚合物薄膜为湿敏电容介质，性能稳定，不受凝结水和大多数化学物质的影响，测量范围宽、精度高、长期稳定性好、性价比较好。

假设材料介电常数为ε1，水的介电常数为ε2，则高分子材料在吸收水分后的介电常数为ε值为：

式中，准2（H2O）与相对湿度RH成正比，因此ε∝RH，电容量C正比于ε，故测试C值就可求出RH值[6-7]。

2.1.3 相对湿度值的修正

与空气中的水分含量相比，SF6气体中水分含量是比较低的，因此必须用低湿度传感器来测量SF6气体中水分含量。利用高分子聚合物或硅半导体亲水材料的湿度传感器，可以直接测量SF6气体的相对湿度，为了使测量结果能具有可比较性，工业现场是采用温度为20℃时的SF6气体的湿度值，因此还需要测量实时温度值，实时压力值及修正后20℃时压力值，采用修正公式对所测量的相对湿度值进行修正，以满足工业现场习惯。结果用如下经验式（4）进行修正：

式中，H2为20℃时的微水体积比；H1为水分的实时测量值，mL/L；P1为测量时SF6气体的压力；P2为根据密度检测原理换算到20℃时的SF6气体压力；P1s为测量时测量温度下的饱和水气压，P2s为20℃时的饱和水气压。

2.2 SF6气体微水离线监测

目前，我国电力行业一般采用便携式精密微水仪进行离线式微水监测，需要从气室中抽取部分SF6气体，测试5-10 min，新装时测试1次，大修后1 a内复测1次，如湿度符合要求，则正常运行中1~3 a测试1次[8]，如表1所示。采用此种策略已经能满足开关设备对微水的测量要求，且投资很小。

表1 运行中SF6气体的试验项目、周期和要求Tab.1 The SF6test，its cycle and requirements during operation

传统方法操作繁琐，且放气和补气过程对操作人员身体健康有威胁，但是可以保证测量精度，较现阶段在线监测仍具有测量精度高，经济性较好、可靠性与稳定性较高等优点。

2.3 SF6微水在线监测的可行性分析

2.3.1 受温度影响较大

应用露点法的SF6微水传感器必须考虑环境温度带来的影响。采用模拟现场标定，在不同的温度条件下，测量出相应的测试数据，通过软件将补偿参数写入SF6微水变送器内部的信号处理电路中来保证测量数据的准确性。如图3所示。同时，还需要考虑密封和现场干扰等问题[9-12]。

图3 微水值与环境温度关系曲线Fig.3 The relation curve of micro-water values and temperatures

2.3.2 传感器技术发展仍不成熟（长期稳定性差）

由于测湿敏元件本身造成的漂移，使得频繁的标定工作必不可少，而且传感器不能在线标定，多数情况下要送到原厂标定，且标定成本较高，将会影响日后的准确测量、正常生产，增大了维护工作量。且传感器在高湿或冷凝的情况下一旦受损，其功能将无法恢复[13-15]。

另外，微水传感器是电子元件，电子元件的使用寿命是有限的，并不能满足长期的微水测量要求，一旦出现故障，还需要用户在投资维修、更换。

2.3.3 传感器价格昂贵且经济性较低

单只SF6微水传感器价格在1万元左右，且变电站在线监测时数量要求很大，尤其对于一些低电压等级设备，往往传感器费用要占设备费用中很大比例。

2.3.4 测量准确性有待确认

微水传感器安装在气室的末端，且并不能真实反应整个气室微水的实际情况，测量的结果和真实值有偏差。

由于某些化学物质气体分子长期聚集在湿敏元件内部影响测量精度，虽然有些厂家开发出了自动校准软件，使传感器升温，使其内部聚集的化学物质分子蒸发，可是，这些化学物质并不能完全被排除，时间久了，很难保证测量精度。同时不能解决油污聚集影响反应时间的困扰。

3 结论

综上所述，由于目前微水传感器在经济性、可靠性、稳定性等方面尚存在较多问题，因此目前尚不适用于智能变电站现场SF6气体在线实时测量，现阶段使用传统离线式测量方法完全可以满足智能变电站对微水含量的测量要求，因此建议智能变电站中对高压开关设备中SF6气体微水监测采用离线方法。

[1] 陈家斌．SF6断路器实用技术[M]．北京：中国水利水电出版社，2004．

[2] 李义仓．SF6气体湿度标准现场应用合理性的验证[J]．高压电器，2007，43（4）：307-309．LI Yicang.Rationality validation of the application of SF6gas humidity standard[J]．High Voltage Apparatus，2007，43（4）：307-309（in Chinese）．

[3] 罗飞，陈伟根，陈新岗．SF6气体中微水含量在线监测方法[J]．高压电器，2004，40（3）：459－461．LUO Fei，CHEN Weigen，CHEN Xingang.Research of on-line monitor of moesture content in SF6Gas[J].High Voltage Apparatus.，2004，40（3）：459－461（in Chinese）．

[4]全国气体标准化技术委员会.GB/T 5832.1-2003气体湿度的测定第1部分：电解法[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5]全国气体标准化技术委员会.GB/T 5832.2-2008气体湿度的测定第2部分：露点法[S].北京：中国标准出版社，2003.

[6] 刘艳．纳米金属氧化物/聚合物复合材料的制备及其应用研究[D]．福建：福建师范大学，2008．

[7] 王金星，刘天模，李江．国内外高分子电容式湿敏材料研究现状．材料导报，2004，18（8）：116-118．WANG Jinxing，LIU Tianmo，LI Jiang.The researching developmentofpolymercapacitive humidity-sensitive material[J].Materials Review，2004，18（8）：116-118（in Chinese）.

[8]中华人民共和国电力工业部安全监察及生产协调司和国家电力调度通信中心.DL/T 596-2005电力设备预防性试验规程[S]．北京：中国电力出版社，2005.

[9] 袁峰，徐洪，李振波，等．采用露点法的SF6微水含量变送器．高压电器，2010，46（12）：93-95．YUAN Feng，XU Hong，LI Zhenbo，et al.SF6moisture transmitter by dew-point method[J].High Voltage Apparatus，2010，46（12）：93-95（in Chinese）.

[10]邱兆斌，宫新荣，谷朋.环境温度对六氟化硫气体含水量的影响[J]．东北电力技术，2003（2）：40-42．QIU Zhaobin，GONG Xinrong，GU Peng.The influences of environment temperatures to the water content of SF6gas[J].Northeast Electric Power Technology，2003（2）：40-42（in Chinese）．

[11]路自强，胡海舰.高海拔对SF6密度继电器及电器设备中SF6充气压力值影响的研究[J].高压电器，2009，45（4）:27-29．LU Ziqiang，HU Haijian.Research on the influence of high altitude to the SF6density relay and SF6pressure of the electrical equipment[J].High Voltage Apparatus，2003，39（2）：40-42（in Chinese）．

[12]陈金祥.SF6密度继电器现场校验仪的研制[J].高压电器，2003，39（5）:67-69.CHEN Jinxiang.Development for site-calibration equipment for SF6density relay[J].High Voltage Apparatus，2003，39（5）:67-69（in Chinese）.

[13]陈晓清，任明，彭华东，等.GIS设备中SF6气体分解影响因素分析[J].电网与清洁能源，2010，26（7）:16-19.CHEN Xiaoqing，REN Ming，PENG Huadong，et al.An analysis on affecting factors of SF6gas decomposition in GIS equipment[J].Power System and Clean Energy，2010，26（7）:16-19（in Chinese）.

[14]王薇，张燕涛，苏煜，等.组合电器（GIS）母线保护动作事故处理[J].电网与清洁能源，2008，24（9）:23-27.WANG Wei，ZHANG Yantao，SU Yu，et al.Fault treatment of busbar protection device operation on GIS[J].Power System and Clean Energy，2008，24（9）:23-27（in Chinese）.

[15]裘吟君，刘岩，姜宏仁，等.220 kV GIS SF6CT气室闪络分析[J].南方电网技术，2007（2）:17-21.QIU Yinjun，LIU Yan，JIANG Hongren，et al.Analysis of 220 kV SF6Arc-over breakdown in CT air chamber[J].Southern Power System，2007（2）:17-21（in Chinese）．