SF6气体密度微水在线监测系统设计

耿飞 刘露旋 戴本圣

摘 要：笔者分析了对电力设备中SF气体的密度和微水进行在线监测的必要性，给出了SF气体密度微水在线监测系统的构成，并分析了SF气体密度微水在线监测系统各参量监测原理，对SF气体密度微水在线监测系统设计具有重要的参考意义。

关键词：SF;密度;微水;在线监测系统

中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）31-0025-03

Design of SF Gas Density and Micro-Water On-Line Monitoring System

GENG Fei LIU Luxuan DAI Bensheng

（Henan Pingzhi High-Voltage Switchgear Co.， Ltd.， Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The author analyzes the necessity of online monitoring of SF gas density and micro-water in power equipment， gives the system composition of the SF gas density and micro-water online monitoring system， and analyzes the monitoring of various parameters of the SF gas density and micro-water online monitoring system principle，which has reference significance for the design of SF gas density and micro water on-line monitoring system.

Keywords： SF; density; micro-water; on-line monitoring system

SF是一種无色、无臭、无毒、不燃的气体，化学性能极稳定，具有优异的灭弧和绝缘性能，在电力设备中作为绝缘或灭弧介质得到了广泛应用，典型代表有气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）、气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line，GIL）等。以气体绝缘金属封闭开关设备为例，其主要由断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电压互感器、母线及套管等元件组成，每个元件中均充入有一定压力的SF气体。若SF气体中的微水（微量水分）超标或者密度异常降低（泄漏等原因），将严重影响设备的电气性能，导致设备闭锁或者绝缘击穿[1]。因此，对投运电力设备中SF气体的密度和微水进行监测十分重要。

1 SF气体密度微水在线监测系统的技术优势

以GIS设备为例，设备在出厂时，每个SF气室均安装有一只机械式SF气体密度继电器（密度表）来监测SF气体的密度（P20压力）。当SF气体泄漏到一定压力时，密度继电器告警接点或闭锁接点动作[2]，同时通过就地表盘指针显示当前气体压力。GIS设备出厂时均不带SF气体微水监测装置，需要用户定期（一般6个月一次）使用便携式露点仪逐个对气室进行离线式微水检测。相较于上述传统的SF气体密度微水检测方式，SF气体密度微水在线监测系统具有以下优势。

1.1 能够实现远端实时监测

SF密度继电器可以通过就地指针表盘实时显示SF气体密度，但依赖于运行人员的就地巡视，已经无法满足目前越来越多无人值守变电站的需要。使用便携式露点仪进行SF气室微水检测的间隔周期可达数月，实时性较差，无法确定微水何时开始超标。SF气体密度微水在线监测系统可以实现24 h不间断的SF气体密度微水监测，有利于及时发现SF气体泄漏和微水超标，并确定其严重程度，从而更科学合理地安排设备检修工作。

1.2 能够节约大量人工和费用

中、大型变电站中，仅GIS设备SF气室数量即可达数百个甚至更多。便携式露点仪每小时仅能对4～5个气室进行准确的微水监测（以单台露点仪计算），完成全部SF气室的微水监测需要耗费较大的人力和物力。采用SF气体密度微水在线监测系统后，不再需要人工监测。

1.3 能够减少监测环节的温室气体排放

虽然SF气体本身对人体无毒、无害，但它是一种温室效应气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.2万倍，是《京都议定书》中被禁止排放的6种温室气体之一。使用便携式露点仪对SF气室进行微水监测时，需要连续地排放一部分SF气体才能确保监测结果准确。每监测一个SF气室，需要排放约8 L的SF气体，这部分SF气体回收困难。采用SF气体密度微水在线监测系统后，可以实现微水监测过程SF气体零排放。

基于SF气体密度微水在线监测系统的上述技术优势，对电力设备中SF气体的密度和微水进行在线监测是未来的发展方向。

2 SF密度微水在线监测系统构成

2.1 系统概要

SF密度微水在线监测系统主要由SF气体密度微水变送器、开关电源、SF测量智能电子装置（Intelligent Electronic Device，IED）、交换机及人机界面等构成。各组成部分的关系见图1。

2.2 SF气体密度微水变送器

SF气体密度微水变送器与需要监测的SF气室连通，对SF气体的温度、密度、微水进行实时监测，并将监测数据传输至SF测量IED。SF密度微水变送器内部集成了3个传感器，分别是露点传感器、压力传感器和温度传感器。SF密度微水变送器主要由三通阀座、SF气室对接口、SF补气接头、变送器主体及电气接头等组成，如图2所示。

2.3 RS-485集线器

用于GIS设备的SF密度微水在线监测系统一般配置几十至几百个SF气体密度微水变送器。RS-485总线规模较大，需要配置一定数量的RS-485集线器进行RS-485总线分割。以常用的8口RS-485集线器为例，每个集线器具有8个下位机端口和1个上位机端口。单个集线器可支持最多8只SF气体密度微水变送器信号接入，RS-485总线最多可同时并联128个RS-485集线器。

为保证数据通信的安全可靠性，RS-485集线器接口采用光电隔离技术，防止雷击浪涌引入转换器及设备。内置的光电隔离器及1 500 W浪涌保护电路能提供2 500 V的隔离电压，可以有效抑制闪电（Lighting）和静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）。RS-485集线器的每个下位机端口都具有短路保护功能，并能工作在关断模式。任一RS-485端口短路，只会影响其所在RS-485总线系统，不会影响其他接口连接的RS-485系统。用户可以根据RS-485集线器上的故障告警指示灯，迅速判断出故障端口及其相连的故障设备。

2.4 开关电源

SF气体密度微水变送器、RS-485集线器的辅助工作电源均为直流24 V。一般情况下，变电站用户方不直接提供直流24 V电源给SF密度微水在线监测系统使用，而是仅提供交流220 V电源。此时，需要使用开关电源将交流220 V电源转换为直流24 V电源供SF密度微水在线监测系统使用。

应根据工程项目中实际配置的SF气体密度微水变送器、RS485集线器数量来计算开关电源负荷功率，并选择合适型号的开关电源。开关电源选型时应留有功率裕量，避免长时间满功率运行，可降低开关电源发热，并延长开关电源使用寿命。推荐将SF气体密度微水变送器、RS-485集线器负荷均分至多个开关电源，而不是采用单一的大功率开关电源，更有利于屏柜内元件布置，也可提高设备运行的可靠性，避免单一开关电源损坏导致全部变送器和集线器停止工作。

2.5 SF测量IED

SF测量IED是SF密度微水在线监测系统的数据管理单元，主要功能如下：①提供与SF密度微水变送器进行通信的RS-485接口，并接收各变送器的监测数据;②提供与人机界面进行通信的网线或光纤接口，并传输SF密度微水变送器监测数据至人机界面;③提供通信规约转换功能，将SF密度微水变送器通过MODBUS协议传输的数据转换为通过IEC61850规约传输的数据。SF测量IED采用通用机架式结构，方便组屏安装，如图3所示。

2.6 人机界面

人机界面为显示SF密度微水在线监测系统数据的软件界面，用于实时显示GIS设备每个气室的SF氣体温度、密度和微水。通过在人机界面中设置SF气体密度、微水报警阈值，可实现SF气体泄漏或者微水超标自动告警[3]。人机界面可以设置在变电站内的监控室，也可以设置在城市中的变电站监控中心。人机界面的自动告警功能可以让变电站运行人员及时发现和定位问题气室，并可以根据监测数据的实时变化情况初步判断问题的严重程度。

3 SF密度微水在线监测系统各参量监测原理

SF密度微水在线监测系统测量参量分为直接测量参量和计算参量。直接测量参量包括压力、温度及露点，计算参量包括微水、P20压力及混合密度。各参量监测原理如下。

3.1 SF气体压力监测原理

SF气体压力由SF密度微水变送器内部的压力传感器直接测量得出，并在变送器内部完成模数转换。压力传感器为利用单晶硅的压阻效应制成的硅压阻式压力传感器[4]，测量范围为0～1.2 MPa。

3.2 SF气体温度监测原理

SF气体温度由SF密度微水变送器内部的温度传感器直接测量得出，并在变送器内部完成模数转换。温度传感器采用铂电阻原理，具有极佳的长期稳定性，测量范围为-50～120 ℃。

3.3 SF气体露点监测原理

SF气体露点由SF密度微水变送器内部的露点传感器直接测量得出，并在变送器内部完成模数转换。露点传感器采用高分子薄膜电容技术，具有高精度、高灵敏、高稳定性等特点，测量范围为-50～20 ℃。

3.4 SF气体微水监测原理

SF气体微水指的是SF气体中水蒸气的含量，通常用体积比表示，单位μL/L。SF气体微水值由变送器依据测得露点值通过软件算法计算得出，微水值范围为1～20 000 μL/L。

3.5 SF气体P20压力监测原理

对于电力设备而言，若SF气室中的SF气体未发生泄漏，则气室中SF气体密度是不变的，但是SF气体的压力会随着温度的变化而变化。温度上升时压力增大，温度下降时压力减小。单纯监测SF气体压力，无法判断是泄漏导致SF气体压力降低，还是温度变化导致SF气体压力降低。按照SF气体温度-压力关系曲线，将任意温度时的SF气体压力值通过软件算法换算至20 ℃时的SF气体压力值即为P20压力值，P20压力值范围为0～1.0 MPa[5]。

3.6 SF气体混合密度监测原理

根据SF气体温度传感器和压力传感器测得的温度、压力数据，由SF气体密度微水变送器内置的软件程序计算出以kg/m为单位的密度值，即SF气体混合密度。实际使用中，因以kg/m为单位的密度值不便与机械式SF气体密度表的示数进行比对，一般以P20压力值来表征SF气体密度。

4 结语

笔者分析了对电力设备中SF气体的密度和微水进行在线监测的必要性，给出了SF气体密度微水在线监测系统的系统构成，并分析了SF气体密度微水在线监测系统各参量监测原理，对SF气体密度微水在线监测系统设计具有参考意义。

参考文献：

[1]倪健.SF氣体中水分对设备的危害及设备绝缘状况的判断[J].电工技术杂志，2001（7）：45-46.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.压力式六氟化硫气体密度控制器：GB/T 22065—2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]国家能源局.变电设备在线监测装置检验规范 第1部分：通用检验规范：DL/T 1432.1—2015[S].北京：中国电力出版社，2015.

[4]李明芸，江秀臣，赵子玉，等.组合电器中微水含量在线监测实验研究[J].高电压技术，2004（3）：32-33.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.电子式六氟化硫密度变送器：JB/T 10892—2008 [S].北京：机械工业出版社，2008.