基于改进露点法的SF6气体湿度检测系统的应用

王永奇，陈宏刚，樊新鸿，刘 媛

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050)

基于改进露点法的SF6气体湿度检测系统的应用

王永奇，陈宏刚，樊新鸿，刘 媛

(国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050)

阐述了SF6电气设备气体水分的主要来源以及水分对电气设备的危害，分析了目前常用的SF6电气设备气体湿度检测方法的优缺点，提出了基于改进冷镜面露点法的SF6气体湿度综合检测系统。该系统具有测量范围宽、响应速度快、性能稳定等特点，可提高SF6电气设备气体现场试验的工作效率。

SF6电气设备；露点法；湿度综合检测

0 引言

SF6在常温常压下为无色、无臭、无毒、不可燃的气体，不仅化学性能稳定，而且具有优越的绝缘和灭弧性能，是一种理想的绝缘介质。因此，SF6电气设备在电网中的应用日益广泛。

虽然SF6气体绝缘性能优越，但是若其含有水分，则电气强度就会显著降低。在高温、有电弧或电晕的条件下，微量的水分与SF6气体、金属材料发生水解反应，生成剧毒物和腐蚀性气体，会损坏绝缘或腐蚀金属。SF6电气设备中的SF6气体湿度大小直接影响着电气设备及电网的安全运行，因此国内外相关单位十分重视SF6电气设备气体湿度的检测和控制。

1 SF6气体湿度检测方法

高压电气设备中SF6气体水分的来源主要如下：

(1) SF6新气中固有的残留水分；

(2) SF6电气设备在安装、检修过程中都可能接触水分，并导致水分浸入设备中；

(3) SF6电气设备的有机绝缘材料内部仍含有0.1 %—0.5 % 重量比的水分；

(4) 吸附剂带入水分；

(5) 作为绝缘介质的SF6气体在运行一段时间后湿度就会升高；

(6) 透过密封件渗入的水分。

目前电力系统常用的SF6湿度检测方法主要有重量法、电解法、露点法、阻容法、光谱吸收法。

1.1 重量法

检测原理：将一定体积的待测SF6气体通过装有无水高氯酸镁作干燥剂的U形管，根据管的增重计算该体积气体的湿度。

优点：该方法可以用来校核其他检测方法。

缺点：需要玻璃U形管、气量计、过滤器、精密天平等仪器，测量过程复杂。

因此，重量检测法不适宜在现场应用，但可以在实验室校验其他方法的准确性。

1.2 电解法

检测原理：让待测气体通过电解池，若SF6气体中含有水分，其通过电解池的时候，水分被干燥的五氧化二磷薄膜吸收。同时，电流流过薄膜，将吸收的水电解产生氢气和氧气。根据法拉第定律，电解水所需的电量与薄膜吸入的水分正相关，因此可以通过测量电解电流的大小求得SF6气体中的水分含量。

优点：价格较低、维修方便。

缺点：现场测量前，系统本身并不干燥，往往有本底值，使测量结果不够精确。环境温度和湿度对电解法测量结果有较大影响。

电解检测法操作步骤繁琐，并不适合现场测量使用。

1.3 露点法

检测原理：使待测气体通过一个密闭的槽，在槽内有一个暴露的金属镜面。调节镜面温度，当温度足够低时，气体中的水分或其他物质在镜面上冷凝形成明显的雾或者“露”，或者在低温时形成结晶的“霜”。当冷凝保持在稳定状态时，镜面温度就是待测气体中水分或其他物质的露点。查表就可以推算出SF6气体中的水分含量。

优点：精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度甚至可达0.1 ℃；校准周期长，稳定性好。

缺点：响应速度较慢，尤其在露点-60 ℃以下，平衡时间甚至达几个小时。在夏季环境温度很高的情况(35 ℃以上)时，测量湿度较低的气体有可能出现仪器制冷量达不到要求的情况，即镜面温度已无法下降，但镜面却始终没有结露。而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也较高，否则会影响光电检测效果或产生“伪结露”，造成测量误差。

1.4 阻容法

检测原理：利用吸湿物质的电学参数随温度变化的原理进行湿度测量。使SF6气体与测量探头充分接触，其中的水分被多孔性的氧化铝层吸附，使电容器的阻抗发生变化。其改变量与水蒸气浓度成一定关系，经过标定就可以定量测量SF6气体中的水分含量。

优点：具有线性好、抗干扰、响应快、测量范围宽、高稳定的特点；同时在低湿段的线性佳，灵敏度高。

缺点：一般半年应校验1次仪器，稳定性较差。

1.5 光谱吸收法

检测原理：测量气体分子的红外吸收光谱是识别气体分子和测量气体体积分数的有效手段之一。不同的气体都对应有不同的特征吸收峰，而且特征吸收峰的强度和气体浓度相一致。这一特点就决定了光谱吸收型光纤传感器的选择性、鉴别性和计算气体体积分数的唯一确定性。

优点：该方法具有较高的测量精度和时分辨率，使用操作简单，选择性好，不易受有害气体的影响而中毒、老化，响应速度快、稳定性好。

缺点：作为一种新兴的测量方法，其设备造价高，对运行环境要求高，在技术方面还有待提高。

虽然目前SF6气体湿度检测方法比较多，但仍以露点检测法最为常用。重量法只适合在实验室使用，不宜在现场使用。电解法和阻容法是以离线检测为基础的。光谱吸收法等方法尚在实验阶段，没有大规模应用的实例。

2 采用露点法检测存在的问题分析

SF6电气设备现场检测气体湿度的要求为：测量时间短，工作效率高，节省气源；测量精度高，结果真实准确；测量范围宽，无测量盲区；测量结果稳定可靠，重复性好。目前，采用露点法检测存在如下几个问题。

(1) 高温低湿情况下数据长时间振荡跳跃，不稳定，难以读取终值，或者长时间测不出值。低湿样气中水分子少，难以提供建立“特定厚度”霜层所需的水分子。

(2) 镜面温度难以降低至露点温度(T0)以下，挥发水分子数量大于凝结水分子数量，无法建立霜层至“特定厚度”。传统PID调节需要制冷泵多次提供低于T0的温度才能最终找到T0，否则会导致系统振荡，长时间测不出值或测量失败。野外SF6气体湿度现场试验，在间歇测量时，每次测量都会出现测量系统平衡后湿度值持续走低的现象。

(3) 受环境温度、大气压力(特别是高原地区)影响大。

为满足现场测量要求，提出了一种改进的冷镜面露点检测系统，以克服原露点法存在的响应速度较慢、高温低湿制冷难等问题。通过对检测系统的优化设计，改善原露点法的缺点，适用于现场测量SF6气体湿度。

3 基于改进冷镜面露点法的湿度检测系统

3.1 智能快速响应系统

针对现场检测出现的高温低湿条件下用以判断是否达到相平衡状态的“特定厚度”霜层难以形成，以及低湿样气中水分子少，难以提供建立“特定厚度”霜层所需的水分子等问题，设计了SF6电气设备气体湿度智能快速响应系统。

系统通过光能量的变化监测镜面的霜层厚度及其变化率，从而计算渗透管内的水分含量；再综合渗透管出口到镜面的管路长度和内径、当前形成的霜层厚度等因素，计算得到加湿系统应该关闭的时刻；使镜面的霜层迅速建立到“特定厚度”又不至于过量。此系统克服了环境湿度对加湿效果的影响，使建立“特定厚度”霜层的时间从几分钟甚至几十分钟缩短为几秒钟。在环境湿度变化时，智能快速响应系统效果更加明显，如图1所示。

图1 智能快速响应系统

3.2 采用模糊控制技术

当环境温度越高时，露点室可降至的极限温度升高，难以提供或难以多次提供反复重建霜层所需的低于T0的温度，使系统振荡，长时间测不出值或测量失败。针对“系统振荡，测不出值”的问题，采用模糊控制技术加以解决。

基于数字信号处理器(digital signal processing，DSP)的模糊控制技术最大限度减少了霜层重建次数；与智能响应系统共同作用，理想情况下可一次性建立霜层至“特定厚度”并找到保持霜层“特定厚度”不变的露点温度(T0)，使露点测量平衡稳定时间节省80 %以上。

采用基于DSP的模糊控制技术消除了传统PID调节导致的测量过程振荡，大大缩短了测量系统平衡稳定时间；通过采用改进型模糊控制算法、软件滤波技术(SFIR)，使得测量更快速、准确。改进型模糊控制露点稳定平衡过程如图2所示。

3.3 采用湿度折算与压力校正

针对现场检测环境温度、大气压力变化所造成的测量偏差问题，系统采用湿度折算与压力校正方法来解决。

对DL/T 506—2007《六氟化硫电气设备中绝缘气体湿度测量方法》提出的要求，系统将其程序化，采用微处理器将不同温度的被测气体测量结果，通过查表法转化为标准条件下(20 ℃)的湿度折算值;对于不能直接从表中获取的值，采用线性插值的方法获得接近真实值的折算值;并给出是否符合国家标准的判定结果。

图2 改进型模糊控制露点稳定平衡过程

由于露点室内的压力是影响测量结果准确性的根本因素，所以将微型传感器安装在系统测量后端流量调节阀和露点室之间的管路内;当后端流量调节阀完全打开时，可测量当前大气压力值。微处理器在露点测量完毕时，根据测量的压力对测量结果进行校正，并得出准确的测量值。检测系统的温度折算与压力校正界面如图3所示。

图3 温度折算与压力校正界面

4 应用效果

当温度曲线达到平衡、温度基本稳定不变，仪器会自动给出露点对应的湿度值，此时即达到平衡状态。稍等1—2 min即可按“停止”键，停止测量后，仪器自动将测量结果记录、保存。检测仪器露点测量平衡稳定曲线如图4所示。通过实时曲线可以看出，检测过程能在很短的时间内达到平衡，克服了改进前冷镜面露点现场检测存在的响应速度较慢、系统振荡、长时间测不出值或测量失败以及检测过程受环境影响大等问题。湿度测量值随着冷镜温度变化而变化，当测量值接近平衡时仪器就会实时显示湿度值。测量过程一目了然，易于判断测量过程是否已稳定，读取结果更容易。中出现的响应速度较慢、系统振荡、长时间测不出值或测量失败以及受环境影响大等问题。该系统测量范围宽、工作稳定、测量速度快(一般为1.5—3 min)，对测量结果进行压力校正后再进行符合国家标准的温度折算，能直接反映被测气体真实湿度情况并对结果合格性进行即时判定，为现场试验工作提供了极大方便，提高了电力试验的工作效率。

图4 检测仪器露点测量平衡稳定曲线

5 结束语

运行中的SF6电气设备对于SF6气体湿度的要求相当严格，对于出现SF6湿度检测值超标的电气设备要及时进行原因分析及处理，以确保设备及电网的安全稳定运行。

基于改进冷镜面露点法的SF6电气设备气体湿度检测系统，采用智能快速响应系统、湿度折算与压力校正方法及改进型模糊控制算法，彻底解决了电力试验工作中SF6电气设备气体湿度现场测量中出现的响应速度较慢、系统振荡、长时间测不出值或测量失败以及受环境影响大等问题。该系统测量范围宽、工作稳定、测量速度快(一般为1.5—3 min)，对测量结果进行压力校正后再进行符合国家标准的温度折算，能直接反映被测气体真实湿度情况并对结果合格性进行即时判定，为现场试验工作提供了极大方便，提高了电力试验的工作效率。

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5 潘湛荣．影响SF6气体湿度检测准确性的原因分析[J]．广  东电力，2005，18(12)：52-55.

2017-06-04。

王永奇(1983—)，男，工程师，主要从事SF6电气设备故障诊断及分析工作，email：wangyongqi33@126.com。

陈宏刚(1979—)，男，高级工程师，主要从事电气设备故障诊断。

樊新鸿(1990—)，男，工程师，主要从事SF6电气设备故障诊断及分析工作。

刘  媛(1975—)，女，工程师，主要从事绝缘油检测分析工作。