GIS中SF6分解产物在线监测技术研究

袁小芳， 苏镇西， 祁　炯， 马凤翔, 赵　跃， 宋玉梅

(国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽　合肥　230022)



GIS中SF6分解产物在线监测技术研究

袁小芳， 苏镇西， 祁炯， 马凤翔, 赵跃， 宋玉梅

(国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽合肥230022)

判断SF6电气设备故障大都是对其进行分解产物的离线检测，但难以尽早发现设备内部的潜在隐患。文章通过分析发生故障时GIS中SF6分解产物的特点，研制了一套基于光声光谱原理的SF6分解产物在线监测系统，分别从检测原理、全封闭循环在线取样系统等方面，详细阐述了该系统在设计过程中用到的关键技术。首次实现基于光声光谱原理的SF6分解产物在线监测的应用；设计了全封闭循环在线取样系统，实现了SF6循环动态在线取样以及监测过程中的无泄漏、无排放。该系统目前已在变电站成功应用，并实时监测设备中SF6分解产物的含量及变化趋势，对及时发现设备的潜伏性故障或缺陷意义重大。

光声光谱原理；循环在线取样系统；SF6分解产物；在线监测

0　前言

SF6气体在开关、互感器、GIS中现已广泛使用，其六氟化硫电气设备的可靠运行是电网安全运行的关键。如果设备内部发生故障，SF6气体在热、电的作用下会发生分解，并与GIS设备内存在的微水、微氧等杂质发生反应，生成一些对故障类型判断有价值的的特征气体，利用这些分解产物的含量和变化规律可有效评价设备的运行状况[1,2]。

目前SF6分解产物的检测方法有气相色谱法、检测管法、傅里叶红外吸收光谱法等[2-5]，且大多数都是离线检测，无法远程实时监测设备中SF6分解产物含量的变化情况。而且一旦六氟化硫电气设备发生潜伏性故障或故障时，产生的分解产物在较短时间内容易被吸附剂所吸附，现场技术人员到现场检测时，一般距离SF6发生分解的时间点较长，难以及时发现这些分解产物，这就需要一种新的检测技术突破在线监测的技术难题。文章主要介绍研发的基于光声光谱原理的在线监测系统，该系统可实现对设备的动态循环在线取样，通过光声光谱检测，检测完的样品气可回充至设备中，保证整个监测过程的无排放无泄漏。

通过研究GIS中SF6气体分解产物在线监测技术，解决分解产物在线监测的技术难题，使分解产物在线监测系统能够在电力系统普及应用，可以有力保障GIS等电气设备的正常安全运行。

1　在线监测系统

本系统由三部分组成，一是以SF6为载气的光声光谱检测器单元，二是全封闭循环在线取样装置，三是在线监测管理系统。

1.1光声光谱检测器单元

1.1.1光声光谱法原理介绍

图1　检测器单元整体结构效果图

光声光谱法与电化学传感器法、气相色谱法、检测管法相比，具有得天独厚的优势[6]，不消耗被测样品，不需要消耗性载气，不需要标准样气，测量时间短，灵敏度高，它可以在极弱的吸收处进行检测而获得足够的灵敏度。光声光谱法是基于光声效应的光谱技术，光声效应是指气体分子吸收特定波长的电磁辐射所致，气体受辐射后导致温度上升，密闭容器内气体温升对应气体压力变化。由于每种化合物均有其特征红外光谱，若入射波长可变，则可检测到随波长变化的光声信号图谱，从而实现对被测物分子结构的鉴定和定性定量分析。

图2　光声系统整体结构

1.1.2光声光谱检测装置

光声光谱检测装置(见图1)的核心部分是光声系统，而光声系统主要由光源、滤光片、斩波器、光声池和微音器组成，见图2。采用红外光源，配合使用不同的干涉滤光片，以激发待测气体产生光声信号，根据HITRAN分析吸收光谱数据库对SO2、H2S、CO的吸收谱线进行仔细分析后选取特征吸收谱线，SO2(3.98μm)、H2S(4.65μm)、CO(2.64μm)。合适的滤光片是将光源的宽谱辐射转化为特定波长窄带红外光的关键，选择时必须根据光源辐射谱和滤光片透过特性对气体吸收谱进行综合数值分析，才能确定合适的滤光片设计参数。斩波器被放置于光源和滤光片之间，既有利于减小滤光片尺寸，还可以利用滤光片阻挡斩波器噪声传入光声池。微音器的主要作用是将声能变化成电信号，检测信号由锁相放大器提高信噪比。微音器信号与待测气体的浓度有特定的函数关系，随后即可计算出该气体的浓度值。

1.2全封闭循环在线取样系统装置

目前，国内已开始开展SF6在线监测手段的相关研究[7-9]，由于大部分的SF6电气设备气室体积不大，对充气压力还有一定的要求，而在线光声光谱检测器检测时需要在常压下检测，否则检测器测试数据不稳定且不准确，不能直接反应设备的运行状况。

为解决这一难题，针对SF6电气设备的特点，研发了一套SF6电气设备在线监测取样系统，能将检测过的气体回充到设备中，实现监测过程中的“无排放”。另外通过气缸的往复运动实现气体的取样，一方面可保证从电气设备取样后进入检测设备的入口压力是1000hPa，确保在线设备监测数据的准确性；另一方面保证样气具有代表性，真正实现SF6光声光谱分解产物在线监测系统的实时监测过程的“零污染”。表1为直接用减压阀控制进样连接在线监测设备和通过取样装置连接在线监测设备的检测数据。从结果来看，用减压阀控制进样的测试值与标准值相比，数据误差很大，而通过取样装置后的测试值与标准值比较接近，说明该取样装置能保证检测测试的准确性。

表1　不同方式控制进样的检测数据

1.3在线监测管理系统

在线监测检测器和取样装置研发之后，需要建立一个在线监测管理系统对这两部分进行功能整合。在线监测管理系统主要包括两个部分，一是集控装置的研制，即整机软件的开发，包括机箱整体设计，集控装置电路设计，软件功能开发，做好光谱仪通讯协议、取样装置通讯协议等。二是专家分析功能，做到根据设备的气体分解产物检测结果，判定设备的运行状况，对与特征分解产物相关的故障能够识别和判定。通过专家诊断系统后台软件输入相关标准或规范中SF6设备潜伏性缺陷、缺陷和故障时SF6气体的特征数据。可根据SO2、CO、CF4三种组分实时检测数值智能分析、综合诊断设备的运行状态。

1.4整机合成以及试验分析

将检测器装置、取样装置、集控装置进行整机合成，研制出样机，即SF6电气设备分解产物在线监测系统。运用本系统可以对变电站目标SF6电气设备中的分解产物含量进行实时检测跟踪，并将检测结果反馈到远端监控平台，结合历史数据及其他信息，对站内所有受控的SF6电气设备实施故障诊断和寿命评估。同时，该系统具有开放的接口，可响应授权的服务请求，为其他数据系统提供服务支持。用SO2、CO等标气对样机进行标定。对样机开展分解产物检测结果准确性和重复性的试验研究。

2　在线监测系统检测装置的应用

2.1装置的试运行

将样机与故障模拟装置连接，开展长时间的在线监测试运行。变换故障模拟装置内SF6气体，改变气体中SO2、CO、CF4等含量，考察在线监测系统的长时间运行情况。对出现的问题予以解决。为样机的挂网运行做充足准备。将样机在某变电站GIS设备上连接，进行挂网运行。考察在线监测系统的实际应用效果。对连接的设备做出运行状况评价。

2.2装置的挂网运行

采用CO、CF4、SO2等标准气体对GIS中SF6分解产物在线监测系统进行了标定，确保在线监测系统运行正常，检测数据准确，为挂网运行做好了准备。将GIS中SF6分解产物在线监测系统运至某变电站，与5043开关C相连接，开展了在线监测系统现场挂网运行工作。

图3　挂网运行一年的每月平均值随月份的变化折线

在线监测系统在某变电站运行至今，初时在线监测系统设定检测周期为1个小时，经过半个月的调试运行，加长了检测周期，稳定后锁定检测周期在6个小时，每天检测4个数据。从检测数据来看，在线检测系统挂网运行较稳定，基本无变化。工作人员应用便携式气相色谱仪与便携式分解产物仪对5043 C相断路器进行检测，所得到的检测数据与在线监测系统数据一致。图3为挂网运行至今一年的平均值随月份的变化折线，从图上可以看出，各组分浓度变化基本不大。但是CO检测数据呈增长趋势。分析其原因，主要是断路器开断引起的CO数据增长。断路器本身不存在潜伏性故障和故障。检测数据较稳定，与定期应用便携式气相色谱仪检测结果接近。

3　结论

随着特高压、智能电网高速发展，高电压等级的变电站纷纷建设，GIS设备得到了普遍应用。做好GIS设备的监督管理日益重要，若监督手段不利，SF6气体质量得不到很好的控制，导致设备发生事故，带来的经济损失是无法计算的。加强GIS中SF6气体质量监控对整个电网的安全运行起着非常重要的作用，其所产生的社会效益和经济效益是显而易见的。

项目组顺应电力发展的需求，针对目前在线监测存在的技术难题，从三方面着手，研制新的检测器装置、取样装置和集控装置，成功研制出分解产物在线监测系统，并通过了模拟装置试运行和挂网运行，在500kV变电站进行应用。该研究成果完善了六氟化硫在线监测领域的检测手段，填补了分解产物在线监测的空白，为特高压、智能电网的高速发展奠定了坚实的技术基础，为在线监测技术的发展做出了贡献。

[1] 刘陈瑶,朱立平,黄云光,等.利用联合诊断技术对设备SF6气体分析的应用[J].广西电力，2013，36(5):50-53．

[2] 张宝军,刘洋,关艳玲,等.SF6分解产物分析在GIS绝缘故障诊断中的现场应用[J].东北电力技术，2013(5):18-20.

[3] 陈晓清,任明,彭华东,等.GIS设备中SF6气体分解影响分析[J].电网与清洁能源，2010，26(7):34-38.

[4] 周舟,龚尚昆，陈绍艺.SF6气体分解产物检测技术的应用[J].电网技术,2010,34(S1):165-168.

[5] 李明,李娟,金子惠.基于SF6气体分解产物测试的电气设备故障诊断分析[J].高压电气,2014,50(3):133-136.

[6] 吴沃生.光声光谱技术在电气设备SF6气体检测中的应用[J].广东科技,2010，9(245):106-108.

[7] 史会轩,钱进,熊志东,等.SF6电气设备分解产物在线监测方法研究[J].高压电器,2014,50(1):56- 60.

[8] 杨世辉,张福伟.六氟化硫智能在线监测系统研究[J].现代商贸工业，2013(11):164-165.

[9] 黄成吉,叶国强,李丽,等.六氟化硫在线自动采样监测系统开发[J].机电工程技术,2014,43(4):45- 48.

[责任编辑：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，江苏丹阳人，硕士，中级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。E-mail：dyyxf@163.com

苏镇西(1962-)，男，安徽合肥人，高级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。

TM561.3

A

1672-9706(2016)03- 0001- 04

祁炯(1965-)，男，安徽合肥人，高级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。

马凤翔(1987-)，男，安徽蚌埠人，硕士，中级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。

赵跃(1984-)，男，安徽合肥人，博士，高级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。

宋玉梅(1985-)，女，安徽肥东人，硕士，中级工程师，研究方向:六氟化硫的气体检测，从事油和六氟化硫气体检测工作。