1 000 kV泉城站SF6新气实验室质量控制

齐国栋，于乃海，冷述博，胥　婷，黄　清

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南　250003）



1 000 kV泉城站SF6新气实验室质量控制

齐国栋1，于乃海1，冷述博1，胥婷1，黄清2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；2.山东中实易通集团有限公司，济南250003）

摘要：特高压变电站在新建过程中需要向电气设备注入SF6气体，为保障设备的良好运行，对注入的SF6新气质量要求严格。依据实验室手段对其中的水含量和关键杂质组分进行检测，确保所用气体符合国家标准要求，保障设备的安全运行。

关键词：特高压；SF6；水含量；杂质组分；氦离子检测

0　引言

特高压输电是指在超高压输电的基础上，使用1 000 kV及以上的电压等级输送电能，实现大功率的中、远距离输电以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统［1］。

随着人口增长、经济发展、科技进步以及火电增速的放缓，山东省用电缺口在逐年增大，急需特高压远距离的输电支持。2014年7月12日，国家发展改革委向国网公司正式下发了《关于锡盟—山东1 000 kV特高压交流输变电工程核准的批复》，明确锡盟—北京东—济南双回1 000 kV输变电工程，并新建锡盟、北京东和济南3个1 000 kV变电站。国网山东省电力公司电力科学研究院六氟化硫实验室承担了泉城特高压站建设过程中SF6新气质量检测，泉城特高压站所建六氟化硫电气设备需要约3 500瓶SF6气体，对于SF6新气的质量控制尤为重要。

1　SF6气体检测意义

SF6气体无毒、无味、无色并且化学性质极其稳定，具有优越的电气绝缘性能和灭弧性能，被越来越广泛的应用于电气设备中。但是在生产过程中或者在高能因子的作用下，会产生若干有毒甚至剧毒、强腐蚀性的有害杂质引起设备材质的腐蚀；水分的存在会在一定条件下导致电气性能的劣化，可能造成严重设备事故；硫、氟、氧、氢等元素组合会形成对人体危害极大的化合物，甚至导致人身伤亡。SF6气体是电气设备（GIS、互感器、断路器、接地开关等）的主要绝缘介质，电气设备的绝缘性能和灭弧性能与SF6气体质量存在必然联系［2］。因此，在设备安装过程中必须对SF6气体进行质量控制，防止不合格气体注入设备。根据GB/T 12022—2014《工业六氟化硫》要求［3］，SF6新气质量指标如表1所示。

表1　SF6新气质量标准要求

2　SF6新气水含量实验室检测

目前SF6气体中水分的检测主要分为阻容法和冷凝式露点法，仪器测量误差中要求阻容法仪器不超过±2.0℃，而冷凝式露点法仪器不超过±0.6℃［4］。基于SF6新气中水分较低，因此本实验室对于水含量的检测采用精度更高的冷凝式露点仪。

2.1仪器及原理

试验仪器：DP99mini镜面露点仪，准确度±0.2℃，取样气体流量为25～30 L/h。

工作原理：被测气体进入露点测量室后，由于镜面温度高于气体的露点温度，需要通过光电控制对镜面进行制冷处理。当温度降至一定值后会在镜面形成露滴，此时镜面的温度值即为被测气体的露点值。

2.2检测结果

镜面露点仪检测值为水体积分数，可按下式将其转换为质量分数。

式中：wH2O为水的质量分数，μg/g；φH2O为水的体积分数，μL/L；MH2O为水的摩尔质量，18 g/mol；MSF6为SF6的摩尔质量，146 g/mol。

根据1 000 kV泉城站所到SF6气体数量，按照GB/T 12022—2014《工业六氟化硫》规定，现阶段抽检81瓶新气。执行抽检标准如表2所示，所抽检SF6气体的水含量检测情况如表3所示。

表2　瓶装SF6新气抽样检查表

表3　SF6新气水含量检测结果统计

标准规定SF6新气中水的质量分数wH2O≤5μg/g，从表3中可以看到，实验室所抽检81瓶SF6新气的检测结果均符合标准要求。

3　SF6新气杂质组分色谱检测

SF6气体是一种合成气体，常用生产方法为单质硫磺和过量气态氟直接化合反应而成。化学合成的过程中会产生多种杂质，例如O2、N2、CF4、C2F6、C3F8、SO2F2、SOF2、S2OF10等。工业化生产的SF6气体粗品必须经过热解、水洗、碱洗、吸附、干燥等净化精制才能得到符合要求的新气。对于新气中O2、N2、CF4、C2F6、C3F8等杂质组分检测尤为重要，若过量存在会直接影响电气设备的安全运行。常规的气相色谱热导检测器法，由于受其灵敏度的制约，难以对C2F6和C3F8以及其他低氟化物进行检测。本实验室选用了高灵敏度的氦离子化气相色谱仪，能对SF6气体中O2、N2、CF4、C2F6、C3F8、SO2F2、SOF2、SO2、H2S等15种杂质组分进行高灵敏度检测，保证了泉城特高压站采用的SF6气体质量。

3.1仪器及原理

仪器及材料：氦离子气相色谱仪（采用氦离子化检测器，检测器温度为180℃）；色谱柱选用Porpark Q，柱炉温度为50℃；进样方式为定量管进样，压力控制0.1 MPa；检测灵敏度10-9；载气为氦气，纯度大于99.999%；标准混合气体为国家二级标准物质，以氦气为底气。

分析原理：载气（高纯氦，99.999%）经减压阀减压后进入钝化器，钝化后的载气流经定量管，将标准气体样品带入色谱柱，标准气体中的各种组分经过分离后会随着载气进入检测器进行电离，检测器会根据电离后的已知浓度组分的谱峰信号确定出各自对应的峰面积。依据同样的方法检测待测气体，将所得到的待测气体谱峰信号和标准气体的谱峰信号进行比对，最终得到待测气体中各种组分的浓度。色谱仪结构如图1所示［5］。

1-进样管；2-定量管；3-载气；4-进样阀；5～10-进样阀接口；11-放空阀；12-色谱柱Ⅰ；13-连接管路；14-检测器切换阀；15～18-检测器切换阀接口；19-PDD检测器Ⅰ；20-放空阀；21-分流器；22-气流阻尼；23-放空阀；24-色谱柱Ⅱ；25-四通切换阀；26～29-四通切换阀接口；30-放空阀；31-四通阀载气；32-PDD检测器Ⅱ；33-放空阀；34-检测器切换阀载气。图1　气相色谱仪结构

3.2检测及结果分析

3.2.1标准气体检测

实验过程中采用硫化物（SO2F2、H2S、COS、SOF2、CS2）和无机组分（H2、N2、O2、CH4、CO、CF4、CO2、C2F6、C3F8、SO2）混合物两种标准气体，各标准组分对应的谱图如图2～5所示。

图2　H2、O2、N2组分色谱

通过对标准气体的分析，每种组分的保留时间及对应的峰面积如表4所示。

图3　CH4、CO、CF4、CO2、C2F6组分色谱

图4　C3F8、SO2组分色谱

图5　SO2F2、H2S、COS、SOF2、CS2组分色谱

从标准气体各组分谱图可看出，各组分所出峰形均比较对称，不同组分之间无重峰，分离效果良好。

3.2.2待测样品的检测

图6为一张典型的待测样品的谱图，从图中可以看到待测样品中含有N2、O2、C2F6和C3F8，而CF4及低氟化物等其他组分未检出。

待测样品中各组分的质量分数可按照式（2）计算，检测结果如表5所示。

表4　标准气体各组分保留时间及峰面积

图6　待测样品的分析谱图

式中：wi为待测样品中被测组分i的质量分数，μg/g；Ai为待测样品中被测组分i的峰面积，μV·s；As为气体标准样品中相应已知组分的峰面积，μV·s；φs为气体标准样品中相应已知组分的体积分数，μL/L；Mi为标准样品中组分i的摩尔质量，g/mol；MSF6为六氟化硫的摩尔质量，146 g/mol。

依据上述方法，对1 000 kV泉城站用所抽检的81瓶SF6新气进行杂质组分色谱检测，检测结果如表6所示。

表5　某样品所检出组分峰面积及浓度

表6　所抽检气体杂质组分的检测结果统计

从表6可以看出，实验室所抽检81瓶SF6新气的空气、CF4、C2F6、C3F8关键杂质组分检测结果均符合标准要求。标准气中所涉及其他组分杂质未检测出。

4　结语

通过实验室手段对泉城1 000 kV变电站建设过程中所用的SF6气体按标准要求抽检81瓶新气进行水含量和关键杂质组分的检测，结果均符合国家标准要求。SF6气体的质量直接关系到电气设备的安全运行，在安装调试过程中对SF6气体的质量监督非常重要，同时也是工程质量和进度的基本保证。

实验室所建立的氦离子化气相色谱仪，由于检测杂质组分多，灵敏度高，可用于特高压站运行SF6气体分解产物的检测，有效诊断设备运行中存在的潜伏性故障。

参考文献

［1］王宏亮.特高压建设的必要性［J］.山东电力高等专科学校学报，2006（3）：60-63.

［2］罗竹杰，刘吉堂.电力用油与六氟化硫［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］DL/T 12022—2014工业六氟化硫［S］.

［3］樊小鹏，周永言，李丽，等.六氟化硫分解产物氦离子化色谱检测仪的研发［J］.广东化工，2015，42（23）：208-209.

［4］DL/T 506—2007六氟化硫电气设备中绝缘气体湿度测量方法［S］.

［5］米劲臣，齐国栋.一种检测六氟化硫分解产物的色谱分析系统及方法：中国，ZL 201410413157.7［P］.2014-12-10.

Laboratory Quality Control of New SF6Gas in 1 000 kV Quancheng Substation

QI Guodong1，YU Naihai1，LENG Shubo1，XU Ting1，HUANG Qing2
（1. State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2. Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Abstract:In UHV substation gas insulation electrical equipment need to be injected six sulfur hexafluoride gas in the new process. In order to ensure the good operation of the equipment，strict requirement of new injection gas quality is needed. The water content and impurity component of six fluoride sulfur are tested by laboratory means to ensure that the gas can meet requirements of the national standard，and to ensure the safe operation of the equipment.

Key words:UHV；SF6；water content；impurity component；PDHID

中图分类号：TM213

文献标志码：A

文章编号：1007-9904（2016）05-0033-04

收稿日期：2016-03-20

作者简介：

齐国栋（1987），男，工程师，从事电力用油（气）工作。