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摘要：SF6微水密度在线监测系统在断路器设备中的应用，为电力部门和用户都提供了极大的方便。本文描述了SF6微水密度在线监测系统的功能特点和应用的重大意义；详细地介绍了SF6微水密度在线监测系统的总体设计方案，以及传感器的原理和选型；并且具体的阐述了关键技术以及应用实例。
关键词：SF6微水密度；在线监测系统；断路器设备
The application of the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system
in the breaker equipment
Sheng Zhu 1，Yingchun Xing 2
（State Grid Anhui Electric Power Company Bengbu Power supply Company）
Abstract：It is very convenient to the Power sector and the user， which is the application of the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system in thebreaker equipment. This paper describes the function and characteristicand the significance of applicationof the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system； and not only the overall design scheme of the system，but also the selection and principle for the sensorsare introduced. Alsothe key technology and applications of specific instances ofthe SF6 trace moisture and density on-line monitoring system are expounded.
Key words：SF6 trace moisture and density； on-line monitoring system； thebreakerequipment
引言
六氟化硫（SF6）是一种无毒、无味、无色、无嗅、非可燃的合成气体，具有一般电介质不可比拟的绝缘特性和灭弧能力。充装SF6的电气设备占地面积小，运行噪声小，无火灾危险，这极大地提高了电气设备运行的安全可靠性。而气体绝缘金属封闭电器的应用，打破了传统变电站的概念，使紧凑型、高电压、大容量新式变电站的发展得以实现，成为城网变电站改造的重要途径。
随着我国电力设备无油化、小型化的发展，在35-500kV高压断路器中采用SF6气体作为绝缘灭弧介质的断路器等逐年增加。对SF6气体的状态监测已成为保证SF6断路器等电器设备正常安全运行的主要技术措施之一。
SF6高压开关电器在制造和运行中因为：
● SF6新气中含有一定水分。
●在设备安装、解体检修和充气补气时，因工艺过程中的疏漏，在气室和管阀内留有水分。
●密封不严，在SF6向外泄漏时，会反向渗入水分。
变电站SF6断路器SF6气体的密度、湿度和温度三项物理指标是否处于额定范围之内，决定着该断路器的安全运行状态，决定着SF6气体的绝缘和灭弧性能的有效与否。但SF6高压开关电器在制造和运行中因为：SF6新气中含有一定水分；在设备安装、解体检修和充气、补气时，因工艺过程中的疏漏，在气室和管阀内会留有水分；在开关工件加工和上述操作中的失误等造成密封失严，SF6气体向外泄漏，因外部水分压远高于气室中气体的水分压，外部水分会向气室内反向渗入，造成SF6气体在密度下降的同时含水量上升。
电网运行规程强制规定，在设备投运前和运行中都必须定期对SF6气体的密度和含水量进行检测。SF6气体含水量的现场检测方法有电解法、冷凝法和阻容法。目前大多采用便携式露点仪进行现场检测。
1 SF6微水密度在线监测系统概述
1.1系统应用的意义
（1） 有助于地球环保
SF6气体微水综合在线监测技术的应用基本防止了大量SF6气体的排放，具有地球环保意义。
（2） 保障电力工作者的身体健康
SF6气体在电气设备中经电晕、火花及电弧放电作用，还会产生多种有毒和腐蚀性气体。排放后，其中的二氧化硫会刺激上、下呼吸道，使人流泪。氢氟酸是强脱水剂，大量吸入会严重危害身体健康。SF6气体微水综合在线监测技术的应用将大大减少SF6气体的排放，有利于保障电力工作者的身体健康。
（3） 减少停電时间和事故损失，提高供电时率，提高电力设备管理水平
SF6微水与密度综合在线监测装置可长期挂网运行，监测SF6气体的含水量和密度。其配备的RS-485/CAN通讯接口，可将监测数据实时上传至监控中心。当被测气体指标超标时，监测器将自动按事先设定的门限上传报警或闭锁信号至远方监控中心，或直接启动报警、闭锁装置。上位机软件可按设定的时间和频率，采样存储显示监测数据，并自动绘制成变化趋势图供观察分析之用。它的运用将从技术上有力地支撑状态检修模式，并免去供电公司为完成检测工作需配备巡检人员、巡检车辆、检测设备、高价值的SF6气体和人工巡检对发现故障隐患系统的不及时性，保障设备的安全稳定运行，减少停电时间和事故损失，增加设备运行效率，提高设备运行的管理水平。 （4） 减员增效
以南京供电公司为例，南京市现有200余个变电站，按平均每个变电站分摊的设备巡检人员一人计算，现有约200余人的巡检队伍，采用在线监测系统后，可减少巡检人员90%以上，即180人，按人均7万元/年计算，每年可减少支出1260万元，该系统的运行有利于供电主业人员的精减，为供电系统发展第三产业提供了大量的人力资源。
1.2功能特点介绍
（1）在线监测SF6气体湿度、密度与温度；
（2）在线监测气体泄漏与泄漏报警；
（3）可按预设值或用户给定值自动启动低压报警和闭锁装置
（4）预留RS-485/CAN总线通讯接口；
（5）通过后台软件自动绘制状态变化趋势图；
（6）大屏幕液晶显示器现场显示实时数据，具备屏幕保护和声控显示功能；
（7）手持遥控器设置报警与闭锁门限值和显示方式；
（8）全密封，抗干扰，适用于室外和低温环境；
2总体方案设计
SF6微水密度在线监测系统共分为两大部分：现场变电站和远方信息中心。系统对每个断路器SF6的微水值和密度值进行实时监测，当被测气体指标超标时，监测器将自动按事先设定的门限上传报警或闭锁信号至远方信息中心，或直接启动报警、闭锁装置。总体设计方案如图2-1所示。
3 传感器的原理及选型
3.1 湿度传感器
SF6微水密度在线监测系统中的湿度传感器选用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器。以下将从测量范围、测量不确定度、响应时间等方面对用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器做详细介绍。
3.1.1 测量范围
本文研究的GIS设备中气体湿度一般较低，而芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量范围为-80～+20℃，可以测量低露点的湿度。此外芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器是目前国际上较为先进的低湿传感器，属于有机高分子聚合物薄膜湿度传感器的范畴。有机高分子聚合物薄膜湿度传感器是目前湿度测量的主流，并且可以在0～100%的相对湿度范围内全程测量。
3.1.2 测量不确定度
图3-1为芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量不确定度示意图。由图可知，环境温度为0～60 ℃时，被测气体中湿度的露点在曲线1和曲线2之间的范围内，传感器的测量不确定度小于2 ℃（露点），曲线3为传感器所能测量的湿度的最小值。在曲线2和曲线3之间的范围内，传感器的测量不确定度小于等于2 ℃（露点）。
江苏省计量测试技术研究所对芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量不确定度进行了校准（报告编号：1011244）。实验条件：环境温度21.0 ℃，相对湿度65.0%。校准所使用的计量标准仪器为DP30精密露点仪，其不确定度为0.10℃。校准结果如表3-1所示。由校準结果可以看出，实测的芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的最大不确定度为0.8 ℃，小于2 ℃。
表3-1 不确定度校准结果
3.1.3 响应时间
环境温度为20℃，环境相对湿度为47%时对芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的响应时间进行了测量，结果如图3-2所示。
由图3-2可知，测量开始时，由于测量仪器管道内有部分湿度较高的空气，因此露点较高。SF6气体进入气体管道后，随着时间的增加，露点逐渐降低，最终平衡在一定水平上。芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的响应时间约为4min。
综上所述，考虑测量范围、测量不确定度、响应时间等因素，本文选用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器。
本文所选用的压力传感器是将美国SSI-P41型充油扩散硅压力传感器芯体，通过激光焊接方式，装入特定螺纹的压力接口中组成。利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，典型精度为0.25%，最高精度优于0.1%，并保证在-25到80度工作温区（最大可在-40到105度），全温区测量精度在1%以内，5V供电，输出0.5-2.5V电压信号，适用于各种不同压力测量产品的组装和生产。有配套信号转换板输出可以是国际标准信号4-20MA。
3.2.2 产品特点
·测量范围：0～100kPa…35MPa
·隔离式结构，适用于多种流体介质
·高精度，最高优于0.1%
·具有表压、绝压和密封参考压形式
·5V供电
·通过程序及专用芯片补偿零位和温度漂移
·标准及特制螺纹压力接口可供选择
·良好的互换性
·无需专用运放芯片，只需低成本的VI转换电路即可完成信号变送处理
·激光焊接传感器芯体，避免密封圈老化引起的压力泄露
·输出电压信号，可直接接入二次仪表及单片机进行信号处理
·产品性价比极高，大幅降低生产商成本压力
4 关键技术
4.1密度与压力的换算
P1为被测密度继电器在环境温度下的气体泄压报警压力值，P2为开关动作闭锁压力值。将密度换算为20℃时的压力值，需按照Beattie-Bridgman经验公式计算。公式如下：
其中：
P是六氟化硫气体的压力，单位是kg/cm2；
是六氟化硫气体的密度，单位是kg/m3；
T是六氟化硫气体的压力，单位是 K。
将换算出的压力值P与被测密度继电器的报警、闭锁设定值比较，P1、P2应在密度继电器报警、闭锁设定值的误差范围之内；两者之差应不大于该密度继电器所规定的差值范围。 4.2 环境温度与SF6气体湿度的关系
根据最优平方逼近法，得出环境温度与SF6气体的湿度关系的拟合公式为：
式中：式（1）中：Te∈[-10，8]；
式（2）中：Te∈（8，45]；
Mc-SF6气体湿度（μL/L）；
m-20℃时SF6气体起始湿度（μL/L）；
Te-环境温度（℃）。
将拟合公式与实验室模拟实验得出的若干条关系曲线进行对比，误差较小，可以认为该拟合公式能够较好地反映出环境温度与SF6气体湿度的关系。
5 应用实例
常州市盈能电气有限公司的断路器设备安装了我公司生产的SF6微水密度在线监测系统。其在一年里的4个季度分别用我公司生产的SF6微水密度在线监测系统和便携式的微水密度监测仪对断路器设备的微水含量和密度进行了测量。每个季度的微水含量和密度的测量平均值分别如如表5-1和表5-2所示。
表5-1 微水含量
就该公司而言，从设备、管理、检修和环保四个方面对SF6气体在线监测设备使用前后对比分析的结论为：使用SF6微水密度在线监测系统后，当年就可收回成本的89.3%。
結语
本文介绍了SF6微水密度在线监测系统在断路器设备中的应用，并对具体的总体设计方案和功能以及传感器的原理和选型做了详细地介绍。该系统可以在不排放SF6气体的条件下对断路器设备中SF6气体的含水量、密度和温度进行实时数据采集显示、信息远传、故障报警、闭锁机构启动、后台数据显示与分析等，为电力系统生产管理与设备状态检修提供信息与依据。
参考文献
[1] 郭云川. SF6微水/密度在线式监测装置的研究[J]. 数学技术与应用. 2010（7）.
[2] 王春宁，王家政.SF6气体密度在线监测装置[J].2003，39（6）.
[3] 王泰军. 六氟化硫气体密度及微水含量监测的研究[D]. 2003.
[4] 王晋根，黄弘.SF6电器中微水过量的危害及采标建议[J]. 高电压技术. 2002（5）.
[5]王春宁，王家政. SF6气体密度在线监测装置[J]. 高压电器. 2003（6）.
[6] 张力，付莉. 六氟化硫气体湿度测量[J]. 四川电力技术. 2003（3）.
关键词：SF6微水密度；在线监测系统；断路器设备
The application of the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system
in the breaker equipment
Sheng Zhu 1，Yingchun Xing 2
（State Grid Anhui Electric Power Company Bengbu Power supply Company）
Abstract：It is very convenient to the Power sector and the user， which is the application of the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system in thebreaker equipment. This paper describes the function and characteristicand the significance of applicationof the SF6 trace moisture and density on-line monitoring system； and not only the overall design scheme of the system，but also the selection and principle for the sensorsare introduced. Alsothe key technology and applications of specific instances ofthe SF6 trace moisture and density on-line monitoring system are expounded.
Key words：SF6 trace moisture and density； on-line monitoring system； thebreakerequipment
引言
六氟化硫（SF6）是一种无毒、无味、无色、无嗅、非可燃的合成气体，具有一般电介质不可比拟的绝缘特性和灭弧能力。充装SF6的电气设备占地面积小，运行噪声小，无火灾危险，这极大地提高了电气设备运行的安全可靠性。而气体绝缘金属封闭电器的应用，打破了传统变电站的概念，使紧凑型、高电压、大容量新式变电站的发展得以实现，成为城网变电站改造的重要途径。
随着我国电力设备无油化、小型化的发展，在35-500kV高压断路器中采用SF6气体作为绝缘灭弧介质的断路器等逐年增加。对SF6气体的状态监测已成为保证SF6断路器等电器设备正常安全运行的主要技术措施之一。
SF6高压开关电器在制造和运行中因为：
● SF6新气中含有一定水分。
●在设备安装、解体检修和充气补气时，因工艺过程中的疏漏，在气室和管阀内留有水分。
●密封不严，在SF6向外泄漏时，会反向渗入水分。
变电站SF6断路器SF6气体的密度、湿度和温度三项物理指标是否处于额定范围之内，决定着该断路器的安全运行状态，决定着SF6气体的绝缘和灭弧性能的有效与否。但SF6高压开关电器在制造和运行中因为：SF6新气中含有一定水分；在设备安装、解体检修和充气、补气时，因工艺过程中的疏漏，在气室和管阀内会留有水分；在开关工件加工和上述操作中的失误等造成密封失严，SF6气体向外泄漏，因外部水分压远高于气室中气体的水分压，外部水分会向气室内反向渗入，造成SF6气体在密度下降的同时含水量上升。
电网运行规程强制规定，在设备投运前和运行中都必须定期对SF6气体的密度和含水量进行检测。SF6气体含水量的现场检测方法有电解法、冷凝法和阻容法。目前大多采用便携式露点仪进行现场检测。
1 SF6微水密度在线监测系统概述
1.1系统应用的意义
（1） 有助于地球环保
SF6气体微水综合在线监测技术的应用基本防止了大量SF6气体的排放，具有地球环保意义。
（2） 保障电力工作者的身体健康
SF6气体在电气设备中经电晕、火花及电弧放电作用，还会产生多种有毒和腐蚀性气体。排放后，其中的二氧化硫会刺激上、下呼吸道，使人流泪。氢氟酸是强脱水剂，大量吸入会严重危害身体健康。SF6气体微水综合在线监测技术的应用将大大减少SF6气体的排放，有利于保障电力工作者的身体健康。
（3） 减少停電时间和事故损失，提高供电时率，提高电力设备管理水平
SF6微水与密度综合在线监测装置可长期挂网运行，监测SF6气体的含水量和密度。其配备的RS-485/CAN通讯接口，可将监测数据实时上传至监控中心。当被测气体指标超标时，监测器将自动按事先设定的门限上传报警或闭锁信号至远方监控中心，或直接启动报警、闭锁装置。上位机软件可按设定的时间和频率，采样存储显示监测数据，并自动绘制成变化趋势图供观察分析之用。它的运用将从技术上有力地支撑状态检修模式，并免去供电公司为完成检测工作需配备巡检人员、巡检车辆、检测设备、高价值的SF6气体和人工巡检对发现故障隐患系统的不及时性，保障设备的安全稳定运行，减少停电时间和事故损失，增加设备运行效率，提高设备运行的管理水平。 （4） 减员增效
以南京供电公司为例，南京市现有200余个变电站，按平均每个变电站分摊的设备巡检人员一人计算，现有约200余人的巡检队伍，采用在线监测系统后，可减少巡检人员90%以上，即180人，按人均7万元/年计算，每年可减少支出1260万元，该系统的运行有利于供电主业人员的精减，为供电系统发展第三产业提供了大量的人力资源。
1.2功能特点介绍
（1）在线监测SF6气体湿度、密度与温度；
（2）在线监测气体泄漏与泄漏报警；
（3）可按预设值或用户给定值自动启动低压报警和闭锁装置
（4）预留RS-485/CAN总线通讯接口；
（5）通过后台软件自动绘制状态变化趋势图；
（6）大屏幕液晶显示器现场显示实时数据，具备屏幕保护和声控显示功能；
（7）手持遥控器设置报警与闭锁门限值和显示方式；
（8）全密封，抗干扰，适用于室外和低温环境；
2总体方案设计
SF6微水密度在线监测系统共分为两大部分：现场变电站和远方信息中心。系统对每个断路器SF6的微水值和密度值进行实时监测，当被测气体指标超标时，监测器将自动按事先设定的门限上传报警或闭锁信号至远方信息中心，或直接启动报警、闭锁装置。总体设计方案如图2-1所示。
3 传感器的原理及选型
3.1 湿度传感器
SF6微水密度在线监测系统中的湿度传感器选用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器。以下将从测量范围、测量不确定度、响应时间等方面对用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器做详细介绍。
3.1.1 测量范围
本文研究的GIS设备中气体湿度一般较低，而芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量范围为-80～+20℃，可以测量低露点的湿度。此外芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器是目前国际上较为先进的低湿传感器，属于有机高分子聚合物薄膜湿度传感器的范畴。有机高分子聚合物薄膜湿度传感器是目前湿度测量的主流，并且可以在0～100%的相对湿度范围内全程测量。
3.1.2 测量不确定度
图3-1为芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量不确定度示意图。由图可知，环境温度为0～60 ℃时，被测气体中湿度的露点在曲线1和曲线2之间的范围内，传感器的测量不确定度小于2 ℃（露点），曲线3为传感器所能测量的湿度的最小值。在曲线2和曲线3之间的范围内，传感器的测量不确定度小于等于2 ℃（露点）。
江苏省计量测试技术研究所对芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的测量不确定度进行了校准（报告编号：1011244）。实验条件：环境温度21.0 ℃，相对湿度65.0%。校准所使用的计量标准仪器为DP30精密露点仪，其不确定度为0.10℃。校准结果如表3-1所示。由校準结果可以看出，实测的芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的最大不确定度为0.8 ℃，小于2 ℃。
表3-1 不确定度校准结果
3.1.3 响应时间
环境温度为20℃，环境相对湿度为47%时对芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的响应时间进行了测量，结果如图3-2所示。
由图3-2可知，测量开始时，由于测量仪器管道内有部分湿度较高的空气，因此露点较高。SF6气体进入气体管道后，随着时间的增加，露点逐渐降低，最终平衡在一定水平上。芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器的响应时间约为4min。
综上所述，考虑测量范围、测量不确定度、响应时间等因素，本文选用芬兰Vaisala DMT 242A湿度传感器。
本文所选用的压力传感器是将美国SSI-P41型充油扩散硅压力传感器芯体，通过激光焊接方式，装入特定螺纹的压力接口中组成。利用MAX1452专用芯片进行温度补偿和非线性校正，典型精度为0.25%，最高精度优于0.1%，并保证在-25到80度工作温区（最大可在-40到105度），全温区测量精度在1%以内，5V供电，输出0.5-2.5V电压信号，适用于各种不同压力测量产品的组装和生产。有配套信号转换板输出可以是国际标准信号4-20MA。
3.2.2 产品特点
·测量范围：0～100kPa…35MPa
·隔离式结构，适用于多种流体介质
·高精度，最高优于0.1%
·具有表压、绝压和密封参考压形式
·5V供电
·通过程序及专用芯片补偿零位和温度漂移
·标准及特制螺纹压力接口可供选择
·良好的互换性
·无需专用运放芯片，只需低成本的VI转换电路即可完成信号变送处理
·激光焊接传感器芯体，避免密封圈老化引起的压力泄露
·输出电压信号，可直接接入二次仪表及单片机进行信号处理
·产品性价比极高，大幅降低生产商成本压力
4 关键技术
4.1密度与压力的换算
P1为被测密度继电器在环境温度下的气体泄压报警压力值，P2为开关动作闭锁压力值。将密度换算为20℃时的压力值，需按照Beattie-Bridgman经验公式计算。公式如下：
其中：
P是六氟化硫气体的压力，单位是kg/cm2；
是六氟化硫气体的密度，单位是kg/m3；
T是六氟化硫气体的压力，单位是 K。
将换算出的压力值P与被测密度继电器的报警、闭锁设定值比较，P1、P2应在密度继电器报警、闭锁设定值的误差范围之内；两者之差应不大于该密度继电器所规定的差值范围。 4.2 环境温度与SF6气体湿度的关系
根据最优平方逼近法，得出环境温度与SF6气体的湿度关系的拟合公式为：
式中：式（1）中：Te∈[-10，8]；
式（2）中：Te∈（8，45]；
Mc-SF6气体湿度（μL/L）；
m-20℃时SF6气体起始湿度（μL/L）；
Te-环境温度（℃）。
将拟合公式与实验室模拟实验得出的若干条关系曲线进行对比，误差较小，可以认为该拟合公式能够较好地反映出环境温度与SF6气体湿度的关系。
5 应用实例
常州市盈能电气有限公司的断路器设备安装了我公司生产的SF6微水密度在线监测系统。其在一年里的4个季度分别用我公司生产的SF6微水密度在线监测系统和便携式的微水密度监测仪对断路器设备的微水含量和密度进行了测量。每个季度的微水含量和密度的测量平均值分别如如表5-1和表5-2所示。
表5-1 微水含量
就该公司而言，从设备、管理、检修和环保四个方面对SF6气体在线监测设备使用前后对比分析的结论为：使用SF6微水密度在线监测系统后，当年就可收回成本的89.3%。
結语
本文介绍了SF6微水密度在线监测系统在断路器设备中的应用，并对具体的总体设计方案和功能以及传感器的原理和选型做了详细地介绍。该系统可以在不排放SF6气体的条件下对断路器设备中SF6气体的含水量、密度和温度进行实时数据采集显示、信息远传、故障报警、闭锁机构启动、后台数据显示与分析等，为电力系统生产管理与设备状态检修提供信息与依据。
参考文献
[1] 郭云川. SF6微水/密度在线式监测装置的研究[J]. 数学技术与应用. 2010（7）.
[2] 王春宁，王家政.SF6气体密度在线监测装置[J].2003，39（6）.
[3] 王泰军. 六氟化硫气体密度及微水含量监测的研究[D]. 2003.
[4] 王晋根，黄弘.SF6电器中微水过量的危害及采标建议[J]. 高电压技术. 2002（5）.
[5]王春宁，王家政. SF6气体密度在线监测装置[J]. 高压电器. 2003（6）.
[6] 张力，付莉. 六氟化硫气体湿度测量[J]. 四川电力技术. 2003（3）.