六氟化硫检测技术.ppt

六氟化硫气体检测技术 柳州供电局黄静英 一 概述 六氟化硫电气设备是近年来发展的高压电器 它以绝缘和灭弧性能优良的六氟化硫气体作为介质 大大提高了设备的可靠性和安全性 使高压电气设备缩小体积 减小重量 增大开断容量 减小维修工作量以及安装方便的优点 因此 六氟化硫电气设备得到广泛的应用 全封闭组合电器 GIS 六氟化硫组合电器是把整个变电站的设备 包括断路器隔离开关 母线 电流电压互感器等 全部封闭在一个接地的金属外壳内 壳内充装0 3 0 5MPa压力的六氟化硫气体 其优点是大大缩小占地面积 由于全部设备封闭在接地外壳之中 减小了自然环境条件对设备的影响运行更加安全可靠 检修周期可长达10 15年 GIS已成为当今发展趋势 六氟化硫断路器 六氟化硫断路器是采用六氟化硫气体作为绝缘介质和灭弧介质的高电压断路器 由于六氟化硫气体具有优异的绝缘性能和灭弧性能 使高压断路器无论在体积 重量 容量 维修工作上都比油断路器优良 近年来新投产的断路器已基本上采用六氟化硫断路器 六氟化硫变压器 互感器 六氟化硫变压器无论在安全运行的可靠性 防火 防爆 噪声控制 节能 缩小占地面积 减少重量和防止油污染等方面都胜于传统的油变压器 但由于六氟化硫的导热性能不如绝缘油 冷却效果差 使六氟化硫变压器的应用受到限制 目前只有在城市的特殊变电站中使用 以六氟化硫气体为绝缘介质的电压电流互感器已开始广泛应用 六氟化硫气体的合成 目前主要的六氟化硫生产仍然采用以单质硫 硫磺 在过量的气态氟 用电解法制取 中燃烧合成制备六氟化硫的方法 其原理为 S 3F2 SF6 Q上述的反应过程会产生各种氟氧化合物 气体必须进行热解 水洗 碱洗 吸附 干燥和蒸馏提纯等净化处理 才可用于六氟化硫电气设备 SF6是温室效应气体 在大气中可以稳定存在3200年 其温室效应是等量二氧化碳的24900倍 少量的SF6也会产生非常大的温室效应 六氟化硫的结构特点 SF6分子是由一个硫原子和六个氟原子组成的 其分子结构是以硫分子为中心 六个氟原子处于顶端位置的正八面体 SF6的分子直径比O2和N2大 其八面体的结构使六氟化硫有极为优良的物理和化学稳定性 物理性质 SF6在常温常压下为无色 无味 无臭 无毒的不可燃气体 密度比空气大 约为空气的5倍 因而具有强烈的窒息性 导热系数比空气小 为优良的冷却介质 分子量146 06密度 101325Pa 20 气体 6 139g L临界压力3 68MPa临界温度45 64 化学性质 由于六氟化硫的S F键距小 键合能量高 所以六氟化硫的化学性能非常稳定 化学性质极不活泼 仅当温度很高 1000K 时 六氟化硫分子才发生热分解 若电弧发生时有水分 空气存在 分解生成各种低氟化合产物 这些分解产物多数具有毒性和腐蚀性 降低设备绝缘水平 影响安全运行 绝缘特性 六氟化硫的电气绝缘性能是十分明显的 在均匀电场下六氟化硫的电气强度约为同一压力下空气的2 5 3倍 0 3MPa下六氟化硫的电气强度约与变压器油相当 六氟化硫具有卤素元素中负电性最强的氟 其亲合能力为3 4电子伏特 是所有元素中对电子亲和合力最强的 因此SF6的绝缘强度极高 灭弧特性 SF6具有优越的灭弧性能 六氟化硫的灭弧能力是空气的100倍以上 优良的灭弧性能是在分子分解 电离特性以及瞬间复合过程所决定的 不同绝缘介质的电气强度比较 0 3MPa的六氟化硫与绝缘油承受的电压强度相当 压力越高承受电压越高 六氟化硫气体的状态参数 六氟化硫气体的状态参数 六氟化硫的状态参数曲线 同一温度下 压力越高则密度越大 当温度升高时压力增大 密度不变 六氟化硫气体在电弧作用下的分解 六氟化硫是一种稳定的气体 但在电弧的高温作用下将分解为硫和氟原子 它们会与空气及电极材料中所含的氧气 以及电极的金属蒸汽等作用而生成低氟化物SOF2 SO2F2 SF4 SOF4和金属氟化物 如WF6 当气体中含有水份时 上述部分产物还会发生水解作用而生成腐蚀性很强的氢氟酸 HF 氢氟酸是腐蚀性极强的酸性物质 对设备的导线及有机绝缘物均会腐蚀 而且会影响设备的绝缘水平 六氟化硫常用基本概念 水蒸气 亦称水汽 水的汽态 由水气化或冰升华而成 湿度 气体中水蒸气的含量 干气 不含水蒸气的气体湿气 干气和水蒸气组成的混合物 饱和水蒸气压 水蒸气与水 或冰 面共处于相平衡时的水蒸气压 质量分数 湿气中水蒸气的质量与干气的质量之比乘以106 体积分数 湿气中水蒸气分体积与干气的分体积之值的106倍 二 六氟化硫气体的全过程监督 六氟化硫气体是高压电气设备的主要绝缘介质和灭弧介质 因此六氟化硫在设备中的性能取决于气体质量和密度 在设备的安装 运行 检修期间 如何保证气体质量使电气设备性能满足其技术要求 因此 必须对六氟化硫在安装 运行 检测 检修 存储 回收等环节上加强监督 这就是全过程的监督管理 新六氟化硫气体的验收及抽检 到货的六氟化硫气体进行抽检 抽检率为钢瓶数的3 10 合格率必须100 检测项目包括湿度 四氟化碳 空气 可水解氟化物 酸度 矿物油 纯度和毒性 若有一项不合格 应对所有气体进行检测 剔除不合格产品 超过半年以上的存储气体使用前应进行气体湿度和纯度检测 结果应符合新气要求 六氟化硫质量标准 新气 六氟化硫的运输 保管 存储 六氟化硫气瓶存放场所应保持通风 以防止气体泄漏造成窒息事故气瓶应有防晒 防潮的措施 不得靠近热源及有油污的地方 气瓶应有明显的标志 运输时气瓶必须有安全帽 防震圈 电气设备的六氟化硫气体充装 在设备充气前应确认六氟化硫气体质量合格 气瓶应有明显标志 充装管道应清洗干净 并用热风干燥 充装时应使用六氟化硫气体冲洗管道 设备应进行抽真空处理 检查管道等是否有泄漏 充气时气瓶应倾斜或卧倒 尽量使用液化六氟化硫 当气瓶压力接近设备压力时应停止充装 新投产设备的交接试验 气体充装24小时后进行气体湿度测试同时对设备进行泄漏检查 应测试密度继电器的动作值 预防性试验要求 预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节 六氟化硫设备的预防性试验主要项目是气体湿度测量 规程规定投产后每半年测量1次 运行1年如无异常 3年测1次 六氟化硫互感器运行中还增加纯度测量 投产后1年内测量1次 如无异常 3年测1次 要求 99 8 六氟化硫电气设备中气体湿度的标准 不同六氟化硫气体的混合补充 有关不同批号的六氟化硫气体是可以混合使用 但必须符合六氟化硫气体质量标准 六氟化硫气体湿度超标的主要原因 SF6设备出厂时内部零件没有彻底干燥 如果SF6设备出厂时内部零件没有彻底干燥 设备投运后 零件特别是绝缘件中的水汽会慢慢地散发到SF6气体中去 使SF6设备湿度超标 SF6设备密封不良使水汽渐渐侵入气室内部 这种情况比较普遍 六氟化硫气体湿度超标的主要原因 气体特性使SF6设备水份易超标当空间有两种以上气体共存时 气体的总压力是各种组成气体的分压力之总和 气体压力的平衡是各种组成气体的分压力的平衡 当SF6气体中混杂有水汽时 不仅有SF6气体压力 而且有水汽的压力 即水汽的分压力 虽然SF6设备气室内气体的总压力一般远大于气室外的大气压 但SF6设备气室内含水量是很低的 即内部水汽的分压力很低 但气室外面的大气中 当湿度高时水汽的分压力可能很高 可以高到SF6气室内的3倍左右 可以得出 当气室内SF6的压力远大于气室外的压力时 SF6气体会从气室内向气室外泄漏 当气室内水汽的压力远小于气室外的压力时 水分子会从气室外向气室内泄漏 例如 断路器的充气压力为0 5Mpa SF6气体水分体积分数为30 10 6 则水的压力为0 5 30 10 6 0 015 10 3Mpa 外界的温度为20 时 相对湿度70 则水蒸气的饱和压力为2 38 10 3 0 7 1 666 10 3Mpa 所以外界水压力比内部水分高1 666 10 3 0 015 10 3 111倍 而水分子呈V形结构 其等效分子直径仅为SF6分子的0 7倍 渗透力极强 在内外巨大压差作用下 大气中的水分会逐渐通过密封件渗入断路器的SF6气体中 六氟化硫设备水份超标的危害 水份引起化学腐蚀作用 SF6在常温下是非常稳定的 但在水份较多时 200 以上 就可能产生水解 生成有极强腐蚀性的氢氟酸 水份的危害 主要是在电弧作用下 SF6气体分解 产生有毒有害气体 所以规程中对灭弧室的水份控制要比其它气室严格 水份对绝缘的危害 通常气体中混杂的水份是以水汽的形式存在的 在温度降低时可能凝结成露水附着在零件表面 在绝缘件表面产生沿面放电 闪络 而引起事故 这就要求气体中的水份含量足够小 三 湿度检测技术 六氟化硫气体中的湿度是六氟化硫气体质量的主要检测指标之一 气体的湿度含量直接影响设备的绝缘水平和电弧分解的数量 适合于六氟化硫电气设备气体湿度测量方法有露点法 阻容法 电解法等 重量法只适合于湿度仲裁 重量法测量气体湿度 重量法测量SF6气体湿度是应用高氯酸镁吸收气体中的水分 在通过一定量的SF6气体后 称量恒重后的高氯酸镁增量 计算SF6气体的湿度重量比 冷镜露点测量湿度 根据露点温度的定义 用等压冷却的方法使气体中水蒸气冷却至凝聚相出现 或通过控制冷面的温度 使气体中的水蒸气与水 或冰 的平展表面呈热力学相平衡状态 准确测量此时的温度 即为该气体的露点温度 测量气体露点温度的仪器 叫做冷镜露点仪 简称露点仪 露点仪的主要检测部件是冷凝镜 测量镜 电解法测量气体湿度 电解法是采用库仑电解原理来测量气体中的微量水份 0 1000PPmV 原理是通过被测气体流经一个特殊结构的电解池 被测气体中所含的水份被池内作为吸湿剂P2O5膜层吸收 并全部被电解 当吸收和电解过程达到平衡时 电解电流正比于气体中的水含量 氧化铝阻容测量湿度 氧化铝阻容露点仪是根据水蒸气与氧化铝的电容量变化关系而设计的 氧化铝传感器由铝基体 氧化铝和金膜组成 将铝丝或铝片放在酸性水溶液中 通过交流电氧化即成具有与湿度相关的氧化铝薄膜 湿度与氧化铝的阻容量呈相关变化 通过测量阻容变化的湿度测试仪器称为阻容露点仪 镜面露点仪主要技术指标 测量范围 60 最大 环境温度为10 55 20 45 71 15 35 准确度 0 2 1位冷却 三级热电泵样品流量 一般30 40L h DP19露点仪操作方法 启动前检查 干燥仪器 管道 接头镜面清洁 用镜头纸或医药棉擦拭 有油污可以使用无水乙醇或异丙醇连接管道 将仪器流量调节阀打开 缓慢打开控制阀门 流量控制在30 40L h 按下电源开关和模式开关镜面指示指针应在红色区域的中央释放模式开关 仪器开始制冷 直至露点读数稳定 这时镜面指示在绿色区域中间记录露点读数 按下模式开关 准备状态 DP19露点仪 DP19露点仪使用要点 注意管道干燥 避免造成测量偏差 若测量数据波动较大时 可能是由于接头 接道污染影响 管道的阀门和流量调节阀的控制 应以大气压力下测量为主 当要测量压力露点时 应同时测量镜面的压力 避免在环境温度较高时使用 准备状态时 镜面指示器指针若不在红区中央时 应进行镜面清洗 湿度测量准确性 在测量纯净气体时准确性以冷镜露点仪最高 精度在 0 2 的仪器可作为湿度的计量传递工具 其次是电解式水分仪 阻容露点仪最差 但在实际测量时 设备中的裂解气及气体杂质对测量影响最大的是冷镜露点仪 所以选择仪器时应根据实际情况来考虑 使用操作 现场操作以阻容式露点仪较为方便 特别是带有干燥装置的仪器 冷镜露点仪操作也很简单 但需要使用交流电源 现场使用不太方便 容易受环境温度的影响 现场测量水份时要注意的问题 由于不同的仪器测量同一台设备可以得到不同的数据 有时差别较大 这可能除了与仪器本身的性能有关外 与所用的气体管路和操作等因素也有关 所以必须用同一台仪器测量 以保数据的可比性 有利于水份变化的趋势分析 气体中的水份含量与气温有关 一年之中水份随气温的升高而增加 所以应该在夏天测量湿度 要注意钢瓶的放置对测量的影响 测量次数对测量的影响 仪器灵敏度对测量的影响 露点与饱和水蒸汽压的关系 体积比与饱和水蒸汽压的换算关系 根据GB5832 2 86的定义 体积比与饱和水蒸汽压的换算按下式计算 PwKV 106101325式中 KV 体积比 L LPw 露点温度下水 冰 的饱和蒸汽压 Pa101325 大气压力 Pa 露点与体积比的换算 通过GB5832 2 86 气体中微量水份的测定 露点法 查阅露点 体积比的换算值 本换算表只适合大气压力下使用 体积比与质量比的换算关系 可按下式计算 18KW KVM式中KW 质量比 g g18 水的分子量KV 体积比 L LM 被测气体的分子量 如SF6为146 例 如新气要求湿度质量比 8 10 6 m m体积比浓度为 8 KV 18 146KV 64 9 L L 非大气压力下的气体水分测量换算 根据IEC480号出版物第22条推荐的公式计算非大气压力下的饱和水蒸气压 Psva P0Psv0 Pa式中 Psv0 工作压力下的饱和水蒸汽压Pa P0 工作气室的绝对压力Pa Psva 大气压力下的饱和水蒸汽压Pa Pa 大气压力Pa 温度对气体湿度测量的影响 温度对气体湿度的含量影响原因 说法各异 可归纳以下几点 认为是固体绝缘材料及外壳随温度变化散发水分的大小影响气体的湿度变化 当温度升高时 气体中的水份所获得的动能与六氟化硫气体因温度升高而获得的动能增量不同 认为在六氟化硫气体室中 固体及气体中的水份总量是不变的 当温度变化时在密闭容器水蒸汽分压的变化不同 造成湿度的变化 气体湿度测量时的温度换算 厂家提供的图表 湖南电力试验所 湖北超高压局对平顶山开关厂FA4 550断路器 山东电力试验研究所 公式换算方法 总之 温度的升高湿度也相应升高 国外部分厂家已制定温度修正曲线 如ABB 阿尔斯通 施耐特等 规程中规定的湿度是20 时的测量值 在没有厂家提供的修正曲线时 按新标准推荐的温度折算表进行查表计算校正 SF6气体湿度测量结果的温度折算表的由来 在广东 内蒙古 山东 黑龙江电科院专题研究的基础上 采用以上各家的温度折算方法 参考厂家提供的曲线 图表 利用一种可视化的科学计算软件进行数据处理 数据处理的方法采用了将他们相同温度下的20 折算值进行平均 并对平均后的数值进行再次拟和 由得出的不同温度下的20 折算值 按照 50 1500 10 6的折算范围 以10 10 6的间隔 以15 35 的环境温度范围制作出相应表格 作有关的数据处理误差分析 确定表格 R 湿度实际测量值 10 6 S 折算后的数值 10 6 T 测量时的环境温度 漏气率计算 扣罩法 挂瓶法 局部包扎法压力折算法在六氟化硫设备运行中 对设备各气室的压力各温度进行