SF6气体的检测及参数优化

SF6气体具有稳定的理化性能、优良的绝缘性能及优异的灭弧性能,在高压电器设备中被广泛使用。本部分介绍SF6气体的常规检测试验方法。

1.SF6气压监测

断路器底架上装有真空压力表及密度控制器(密度继电器),在充放气、抽真空及运行时,SF6气压由真空压力表显示,其读数可按产品出厂说明资料提供的温度—压力曲线换算到20℃时的压力值。密度控制器用于对断路器内气压实行自动检测,它能自动消除温度对压力的影响,只表现泄漏造成的压力降低。

常见的密度继电器型号有ZMJ1型、WIKA、MANO THERM等,如图2-44所示。下面以ZMJ1型密度继电器为例进行分析,如图2-44(a)所示,该密度继电器的准确度级为1.5%,其额定值为0.6MPa,报警值为0.52MPa,对应1—2触点,即当SF6压力降至(0.52±0.015)MPa时,1—2触点吸合,接通相应的二次回路;闭锁值为0.50MPa,对应3—4和5—6两对触点,上述数值校验室温在20℃。

图2-44　密度继电器

2.SF6气体检漏

气体泄漏的原因主要是在密封面、焊缝和管路接头处有裂缝或密封不严。对SF6气体进行检漏须使用专用的检漏仪,如TIF-5750A型(图2-45)、TIF XP-1型、CPSL790B型等检漏仪。

如果有大量SF6气体泄漏,那么操作人员不能停留在离泄漏点10m以内的区域。直至采取措施泄漏停止后,方能进入该区域。如果电器内部发生故障,在容器内肯定存有SF6电弧分解物,在打开外壳进行清除以后,若检测中可能接触被污染的部件,都必须使用防毒面具,并穿戴好防护工作服。为了保证进入SF6断路器室内的工作人员安全,必须对室内进行通风,按要求,空气中氧气含量浓度不应低于18%。

图2-45　TIF-5750A型检漏仪

在检漏中,要严格按照产品使用说明书执行。检漏仪探头不允许长时间处在高浓度SF6气体中,但在工作中往往被忽略,探头一旦触及高浓度SF6气体时,表针立即为满刻度,报警强烈。遇到这种情况应立即将探头离开并放到洁净区,待表针恢复正常后再检漏。

3.SF6含水量检测

断路器对SF6的纯度及含水量都有严格的要求。在内部闪络的情况下,会生成多种SF6分解产物,在正常运行中大气中的水分也会渗入气体绝缘设备中。在较高的气压下,过量的水分对气体绝缘设备中固体绝缘件表面闪络电压的影响严重,甚至会导致内部闪络事故。有些活性杂质,如HF、SO2等,对气体绝缘设备中的各种构件会产生腐蚀作用。某些垢分解产物还具有毒性,一旦泄漏出来会污染环境,影响工作人员的健康。过量的水分会使气体绝缘设备的绝缘强度下降。因此,首先应保证充入电气设备的SF6气体合格,在充气操作过程中,严防水分进入气室。

根据GB 50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》,测量断路器内SF6气体含水量(20℃的体积分数)应符合下列规定:①与灭弧室相通的气室应小于150μL/L;②不与灭弧室相通的气室应小于250μL/L。

根据DL/T 596—2005《电力设备预防性试验规程》,运行中SF6气体湿度(20℃体积分数)应符合下列规定:①断路器灭弧室气室,大修后不大于150μL/L,运行中不大于300μL/L;②其他气室,大修后不大于250μL/L,运行中不大于500μL/L。

(1)质量法。该测量方法将已测定体积的SF6气体通入已称质量的高酸镁(或P2 O5)作干燥剂的配衡试管中,从试管质量的增加得到气体中的水分含量。此种方法是绝对法,常被称作仲裁法,用于校验、校准其他水分测量仪器原精确度。测试环境的控制、气体体积的计量、吸收系统的称重都极为重要。质量法测定SF6气体含水量的装置示意图如图2-46所示。

(2)电解法。电解法是用涂敷了磷酸的一对电极(铂或铑)形成一个电解池,在两极间施加一恒定的直流电压。被测气体的水分被吸湿剂(P2 O5)吸收,并在电流作用下电解还原,释放出氧气和氢气。在吸收和电解达到平衡时,就可利用电解电流与水分含量的关系,求得气体的含水量。这种方法是常见和实用的方法,测量仪器可以直接读出微水含量的质量分数,操作简便稳定,适用于连续在线分析。电解法在测量SF6气体含水量时干扰因素少、数据重复率及准确度高、操作简单,尤其在测量低含水量时更显示出它的优越性。但是,电解法最大的不足之处是电解池的电解效率随使用时间的增加而降低。一般情况下,电解效率低于85%,电解池即应停止使用。

图2-46　质量法测定SF6气体中的含水量的装置(https://www.xing528.com)

图2-47　露点法测量SF6电气设备的含水量

(3)露点法。该法是测量气体所含水分的凝露及湿度。被测气体通过一个密封池中的金属镜面,用人工控制或借助光电池监控镜面湿度,以保持稳定的水分凝结量。当测试系统温度略低于被试品气体中水蒸气饱和温度(露点)时,水蒸气结露。通过热电偶测得的镜面温度为露点。根据GB/T 5832.2—2008《气体中微量水分的测定 第2部分:露点法》由露点和气体水分含量的换算公式或对照表,即可得到气体中水分含量。露点法所用仪器比较复杂,需要液态氮作制冷剂,造价较高。露点法现场应用如图2-47所示。

4.气体纯度检测

运行中SF6电气设备的气体纯度控制是非常重要的。气体纯度的高低对电气设备的灭弧性能、绝缘强度以及电气设备的寿命影响很大。

SF6气体是一种极不活泼的气体,氟-硫强共价键及氟元素高负电性使SF6气体具有极为优良的电气绝缘性能和灭弧性能。通常,SF6气体是很难裂解的,它的裂解温度在2000K以上,S-与F+等离子所需要的分解能高达22.4ev,且SF6在分解后能在10-5～10-4 s的时间内迅速复合还原,只有当SF6气体中存在一定量的H 2 O、O2和被灼烧分裂的各种有机物质或金属蒸气分子时,才会产生各种不同的不可复原的SF6(其组成非常复杂)裂解产物。常用的SF6气体纯度检测方法有气相色谱仪法和气相色谱-质谱(GCMS)联用分析。

(1)气相色谱仪法。气相色谱仪分析的基本原理是利用样品中各种物质的分子对某种固体物质(色谱技术上称为固定相)的吸附和解吸能力上的差异,当气体样品在某种不活性气体物质(色谱技术上称为流动相或载气)的载带下通过固定相时,其中的各组分即会以不同的速度和时间(色谱技术上称为保留时间)离开固定相。利用不同的信号转换方法将其分别检出,并记录在色谱图上。根据保留时间的不同可对各组分进行定性确认,根据色谱图上代表各组分的谱峰高度和面积可进行定量分析。

对SF6气体进行气体纯度检测时,所采用的气相色谱仪通常带有Porapak-Q填充柱和热导检测器。采用制备已知浓度的标准样品来取得定量分析结果。标准气相色谱仪的灵敏度大约为:SOF2,50ppm V;SO2 F2,50ppm V。表2-16列举了几种常见气体的相对保留时间。SF4和SOF2的保留时间大致相等,因此色谱技术难于鉴别这两种气体。

表2-16　气相色谱的保留时间和检测极限

(2)气相色谱-质谱(GC-MS)联用分析。色谱-质谱联用分析是将气体样品先经色谱分离,然后由质谱鉴定,从而大大提高了分析检测的灵敏度。质谱分析的基本原理是:将被分析的物质用一定方式电离形成多种特定组成的离子,再将其引出聚焦成离子束,经加速后通过电场或(和)磁场,由于各种离子的质荷比(M/e)不同,而被分别检出。然后通过与标准图谱对照或按照离子组成特点进行谱图解析,以达到定性或定量分析的目的。质谱分析法具有精确可靠、灵敏度高、多用途等优点。

GC-MS的一般组成结构图如图2-48所示。采用气相色谱-质谱联用分析能够检出大约1ppm V的SOF2、SOF4、CF4和其他不常见的气体分解产物,如COS、Si(CH3)2 F2。

图2-48　GC-MS组成方块图

现场SF6分解物检测方法为:将被测设备中SF6排气口(进气口)封板卸下,用洁净布擦干净;然后将与被测设备排气口(进气口)相应的接头与被测设备排气口(进气口)相连,将导气管一端与此接头相连,另一端插入仪器进气口,将仪器配套的气体收集袋与仪器排气口(进气口)相连,确认针形阀处于关闭位置;开启电源,选择检测对象、检测项目和设定参数,少许打开被测设备排气阀,缓慢调节针形阀将流量调至设定值,“开始”字幕闪烁后,按“确定”键,进入检测画面,检测结束后,蜂鸣器响,显示检测结果,关闭气源。现场SF6分解物检测如图2-49所示。SF6分解产物正常值范围见表2-17。

图2-49　超高压SF6断路器的SF6分解物现场检测

根据GB/T 8905—2008《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》,SF6分解产物正常值范围如表2-17所示。

表2-17　SF6分解产物正常值参考指标