【正文】 第一條 400kV 輸電線路之后 ,500kV、 750kV 以及 1000KV 以上的輸電線路陸續(xù)建成并投入運(yùn)行 。超高壓輸電系統(tǒng)的迅速發(fā)展是以高壓電氣設(shè)備的不斷發(fā)展和更新為基礎(chǔ)的 ,而高壓電氣設(shè)備的發(fā)展又是以新型絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用為前提。近三十年來(lái) ,在使用最為廣泛的三大電介質(zhì)中 ,SF6 氣體的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展。 六氟化硫 (SF6)氣體是由法國(guó)兩位化學(xué)家 Miossan 和 Lebeau 于 1900 年合成的。工業(yè)上首次將 SF6用于開(kāi)斷電流始于 1953年 ,當(dāng)時(shí)只做出了 15— 161kV高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān) ,開(kāi)斷電流 600A。美國(guó)開(kāi)創(chuàng)了將 SF6氣體用于高壓斷路器的先河 — 1956 年 ,美國(guó)西屋公司首先開(kāi)發(fā)出 115kV 1000MVA(5kV)SF6斷路器。 1965 年 ,第一臺(tái) SF6氣體全封閉組合電 器問(wèn)世 ,使高壓電器發(fā)生了質(zhì)的飛躍。國(guó)產(chǎn)第一臺(tái) 110kVSF6氣體全封閉組合電器也于 1973 年投運(yùn)。目前 ,各種 SF6氣體 絕緣設(shè)備的技術(shù)參數(shù)己達(dá)到了很高的水平。在中壓領(lǐng)域 ,SF6開(kāi)關(guān)同真空開(kāi)關(guān)已成為并駕齊驅(qū)的兩大支柱 。在高壓、超高壓及特高壓領(lǐng)域 ,SF6 氣體幾乎成為斷路器和 GIS的唯一絕緣和滅弧介質(zhì)。 SF6 氣體用途廣泛 ,但其絕大部分卻是用于高中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備 ,乃至整個(gè)輸配電設(shè)備 ,這主要是因?yàn)?SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能。 SF6氣體無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒、不燃燒 ,屬惰性氣體。在常溫、常壓和較高溫度下 ,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在低于 180℃情況下不與制造高壓電器的任何材料發(fā)生反應(yīng) 。本身的氣體分解溫度為 500℃ ,高于電器設(shè)備的最高允許溫度 150℃ ,而氣態(tài)穩(wěn)定。 SF6氣體無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒、不燃燒 ,屬惰性氣體。在常溫、常壓和較高溫度下 ,化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。 SF6 氣體分子量較大 ,為 146,是氮?dú)夥肿恿康? 倍 。它的密度在20℃ ,氣壓在 101325Pa 下是 ,為空氣的 倍 :同體積、同壓力的 SF6氣體比空氣重。 SF6氣體的擊穿過(guò)程與空氣相似 ,所不同的是 SF6氣體中的氟是鹵族元素 ,易于吸收自由電子形成負(fù)離子同時(shí)釋放電子的親合能 ,具有很強(qiáng)的電負(fù)性。與自由電子相比 ,負(fù)離子重量大 ,平均自由行程短 ,在兩次碰撞之間的自由行程中獲得的動(dòng)能和 漂移的速度小 。另一方面它和分子發(fā)生彈性碰撞又容易損失原來(lái)積累起來(lái)的能量。因此 ,負(fù)離子要積XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目） 2 累足夠的能量并導(dǎo)致氣體進(jìn)一步碰撞電離的可能性很小。其次 ,SF6氣體分子的半徑比空氣中的氧氣和氮?dú)夥肿拥拇?,使得自由電子在 SF6 氣體中的平均自由行程縮短能量不易積累從而減弱碰撞電離能力。在 SF6氣體中 ,正是由于電子的凈碰撞電離系數(shù)很小 ,遷移率低的負(fù)離子又極易與正離子結(jié)合為中性分子 ,因此 SF6氣體的絕緣強(qiáng)度很高。 由于 SF6氣體具有以上優(yōu)良的絕緣、滅弧性能以及 SF6氣體在絕緣組合電器中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性 ,近 30 年間 SF6氣體在 高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用取得了驚人的進(jìn)展。上面描述的絕緣、滅弧性能都是針對(duì)純凈的 SF6 氣體 ,但是在很多情況下 ,現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備中的 SF6氣體并非總是純凈的 ,其性能也就不能等同于純凈氣體。 SF6氣體在其生產(chǎn)過(guò)程中或者在高能因子的作用下 ,會(huì)分解產(chǎn)生有毒甚至劇毒、強(qiáng)腐蝕性有害雜質(zhì) ,當(dāng)體系中存在水分、空氣、電極材料、設(shè)備材料等 ,會(huì)導(dǎo)致分解過(guò)程的復(fù)雜化 ,致使分解產(chǎn)物的數(shù)量和種類明顯增加 ,其危害也顯著加大。因而對(duì) SF6氣體實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)督與安全管理是確保設(shè)備可靠運(yùn)行和人身健康安全的重要保證。 SF6 全球的年產(chǎn)量大約在 8000千萬(wàn)噸左右，其中有近半用于電力工業(yè)，而在電力工業(yè)中，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備又占有極大的比重約為 80%左右。 SF6 氣體被列為溫室效應(yīng)氣體，這也引起了國(guó)際電工委員會(huì)的極大關(guān)注，國(guó)際電工委員會(huì)在 1995 年技術(shù)報(bào)告 IEC1634 C 199504)中就提到了 SF6 氣體對(duì)溫室效應(yīng)的影響問(wèn)題。在高中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中，高壓開(kāi)關(guān)的用氣量最大，而其中 GIS的用氣量又是最大的。因此，在裝有 SF6 開(kāi)關(guān)的設(shè)備中，很有可能因?yàn)橐驗(yàn)橥L(fēng)系統(tǒng)不好氣體濃度過(guò)高或者氣體泄漏造成含氧量不足，從而導(dǎo)致進(jìn)入室內(nèi)工作的工作人員中毒，甚至可能危及生命，這對(duì) 電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全與維護(hù)造成了極大的隱患。根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)院的統(tǒng)計(jì)表明，從 1990 年到 1997 年，國(guó)內(nèi)的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備共發(fā)生故障約 1500 次，從 1997 年到 2021 年故障則上升為 2400 于次。而其中最大比重的故障原因是 SF6 氣體的泄漏，該氣體的泄漏上面以說(shuō)明將會(huì)嚴(yán)重威脅工作人員的生命安全和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 因此對(duì) SF6氣體密度在高壓設(shè)備中的監(jiān)測(cè)顯得及其重要。在線監(jiān)測(cè)其實(shí)就是利用高端的傳感技術(shù)對(duì)運(yùn)行中的 SF6斷路器的氣體密度進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)，并自行分析與統(tǒng)計(jì)后，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)做出預(yù)判，并能在必要時(shí)候予以報(bào)警或 診斷。這樣一來(lái)，既可以避免安全事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，威脅人員安全，又能夠保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，節(jié)省經(jīng)濟(jì)的損耗。 XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目） 3 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中六氟化硫的 氣體密度監(jiān)控 的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外對(duì) SF6氣體檢測(cè)研究工作要早一點(diǎn)，使用儀器儀表的自動(dòng)化，智能化技術(shù)都要領(lǐng)先國(guó)內(nèi)不少，其主要采用紅外光譜和激光成像等技術(shù)來(lái)檢測(cè) SF6 氣體的密度、濕度等等。紅外光譜法又稱紅外分光光度分析法，是分子吸收光譜的一種，根據(jù)不同物質(zhì)會(huì)有選擇性的吸收紅外光區(qū)的電磁輻射來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)各種吸收紅外光成分的定量和定性的分析方法。紅外光譜法利用 SF6 對(duì)紅外有較強(qiáng)的吸收，采用熱成像實(shí)現(xiàn)定性測(cè)量，主要應(yīng)用于示蹤和醫(yī)療領(lǐng)域。紅外線成像技術(shù)原里，用紅外先對(duì)測(cè)試區(qū)域發(fā)出激光，然后根據(jù)反射和漫射回?cái)z像機(jī)的光有無(wú) SF6氣體泄漏不同情況下形成的不同圖像來(lái)進(jìn)行判別，光譜上對(duì)比度較大的地方，就是氣體泄漏嚴(yán)重的地方，該方法的有點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度較高，受到外界環(huán)境的干擾較小 ,但是由于價(jià)格偏高，而且存在一定的售后不足。再次，由于國(guó)內(nèi)環(huán)境與國(guó)外環(huán)境不太一樣，對(duì)氣體的檢測(cè)自然存在一定偏差，所以并不是特別適合于國(guó)內(nèi)的氣體檢測(cè)。國(guó)內(nèi)的 SF6 氣體檢測(cè)與研究技術(shù)起步較晚，并且目前仍然處于發(fā)展階段，早期多是引進(jìn)國(guó)外的設(shè)備和技術(shù)，尤其是引進(jìn)的激光成像設(shè)備檢測(cè) SF6 氣體泄漏，使用的情況比較好，但是由于環(huán)境因素等問(wèn)題，使用代價(jià)比較昂貴，這成為了最大的阻力，所以國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的研發(fā)成為了必由之路，今年來(lái)我國(guó)在這方面的研究也有了重大的突破，如超聲波檢測(cè)技術(shù)、氣體密度在線數(shù)字式監(jiān)測(cè)裝置和高壓負(fù)電暈放電檢測(cè)技術(shù)高壓負(fù)電暈放電檢測(cè)技術(shù)、色的檢測(cè)技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品。 我國(guó)雖然在 SF6檢測(cè)技術(shù)研究中落后于國(guó)外，而且處于起步的初級(jí)階段，但是近年來(lái)，我國(guó)在這方面也有了可觀的研究成果： (1)2021 年 3 月由南京供電公司的技術(shù)人員王春寧等人研發(fā)了 SF6 氣體密度在線數(shù)字式監(jiān)測(cè)裝置而且現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)品化，相比較而言在抗干擾性和可靠性等反面比早期的機(jī)械式密度繼電器的方法有了很大程度的提升。 （ 2） 2021 年河海大學(xué)朱昌平教授的應(yīng)用 CPLD 和超聲波技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控的 SF6 微量氣體濃度檢測(cè)儀的研制。所謂超聲波檢測(cè)技術(shù)，既利用超聲波在不同摩爾質(zhì)量的氣體中有不同的傳輸速度，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中泄漏的 SF6 氣體進(jìn)行檢測(cè)。超聲波波長(zhǎng)短，頻率高，在一定的距離內(nèi)沿直線傳播而且有良好的方向性和束射性，而且可以定向發(fā)射，而且其在不同的介質(zhì)中的 傳輸速度也有一定差別，這取決于介質(zhì)的性質(zhì)狀態(tài)等等。為了使超聲波傳輸?shù)乃俣葍H與介質(zhì)的氣體摩爾質(zhì)量相關(guān)，我們可以采用差分法等方法來(lái)消除溫度和外界的影響。 SF6 氣體的摩爾質(zhì)量約為空氣的 5倍，所以只要空氣中的 SF6 氣體含量發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致空氣的摩爾質(zhì)量發(fā)生變化，從而會(huì)導(dǎo)致超聲波在其中的傳輸速度XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目） 4 發(fā)生變化，我們便可以通過(guò)超聲波的傳輸速度來(lái)判斷空氣中的 SF6 氣體的含量，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析等方法來(lái)計(jì)算出空氣中 SF6 氣體的濃度，從而達(dá)到我們預(yù)期的目的。該方法技術(shù)比較成熟，不易受外界環(huán)境的干擾，并且精確度較高，但是價(jià)格相對(duì)昂貴， 國(guó)外的普及率較高，國(guó)內(nèi)卻不太試用。 （ 3） 高壓負(fù)電暈放電檢測(cè)是利用 SF 氣體高度絕緣的特性。前面已經(jīng)提及， SF6 氣體有很高的絕緣特性，因此當(dāng)兩個(gè)高壓電極放電隨著時(shí)間變化而變化時(shí)，我們可以認(rèn)為是因?yàn)榭諝庵?SF6 氣體濃度不同導(dǎo)致的，根據(jù)檢測(cè)這兩個(gè)高壓電極之間的放電電流的不同值從而最終分析出空氣中的 SF6 氣體濃度。高壓負(fù)電暈放電檢測(cè)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)最為主流的技術(shù)，也是很多高壓設(shè)備 SF6 氣體檢測(cè)所應(yīng)用的技術(shù)，用該的技術(shù)設(shè)計(jì)的 SF6 氣體泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備大都性能可靠，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，并且成本相對(duì)與上面提及的超聲波檢測(cè)技術(shù)大大降低，只是 傳感器的壽命不長(zhǎng)，而且精確率不如超聲波技術(shù)。 基于以上的研究，可以看出實(shí)時(shí)在線檢測(cè) SF6 氣體的技術(shù)在國(guó)內(nèi)還相對(duì)不太成熟，仍處于初級(jí)探索階段，特別是在傳感器壽命，靈敏度和精確率方面還存在著較大的缺陷。而各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則存在監(jiān)測(cè)功能不夠完善，成本價(jià)格高，系統(tǒng)性和綜合性稍差等缺陷。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)一步深化研究，對(duì)電力的需求也隨之增高，生產(chǎn)的電力設(shè)備也會(huì)急劇增加，按照我國(guó)的相關(guān)規(guī)定， SF6 氣體的檢測(cè)是電力開(kāi)關(guān)室必備的，因此也有相關(guān)專家預(yù)測(cè)， 2021 年， 363SSOKV GIS(氣體絕緣全封閉組合電 器 )將占斷路器的 45%， 126252KV GIS 將占斷路器的 35%，這些顯著增加的 GIS 設(shè)備的需求也將為其必備的 SF6檢測(cè)裝置的發(fā)展提供了前所未有的發(fā)展前景。因此， SF6 氣體檢測(cè)裝置的未來(lái)是非常好的，這類相關(guān)的產(chǎn)品也將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目） 5 主要研究?jī)?nèi)容 本文主要是針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中 SF6 的氣體濃度檢測(cè)，及時(shí)檢測(cè)及報(bào)警，避免造成嚴(yán)重的電力事故和人員傷亡，主要的內(nèi)容是： （ 1）了解電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀以及 SF6 氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及在線監(jiān)測(cè)裝置的開(kāi) 發(fā)狀況 。 （ 2）研究 SF6 氣體參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法。主要研究 P, T, H 三個(gè)參數(shù)的獲取方式。并推導(dǎo)了密度的計(jì)算公式； （ 3） SF6 氣體在線監(jiān)測(cè)儀的硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)硬件方案；后具體到各個(gè)電路分別介紹，例如處理器的選擇、信號(hào)的調(diào)制、 A/D 轉(zhuǎn) 換等；最后介紹了傳感器的選擇； （ 4） SF6 氣體在線監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)。對(duì)軟件設(shè)計(jì)中分下位機(jī)、上位機(jī)、 Web 方式分別設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件在編寫(xiě)過(guò)程中要體現(xiàn)模塊化的思想。 XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目） 6 第 2 章 SF6 氣體監(jiān)測(cè)原理分析 P 參數(shù)的監(jiān)測(cè)原理 傳統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè) ?? 壓力表監(jiān)測(cè) 用監(jiān)測(cè)氣體壓力的方法來(lái)監(jiān)測(cè)氣體是否泄漏顯然是一種很粗略的方法，只有在測(cè)量溫度變化不是很大， 泄漏明顯的情況下起作用。 因?yàn)? SF6 氣體壓力隨溫度變 化是很明顯的。例如： 如果 100c時(shí)氣體壓力為 ，在沒(méi)有泄漏的情況下，在 400c時(shí)，其壓力變?yōu)? Mpa， 如此大的壓力變化范圍使我們很難通過(guò)氣體壓力的變化來(lái)判斷氣體是否存在泄漏。 引入 SF6 狀態(tài)參數(shù)曲線可以改進(jìn)用壓力表直接測(cè)量氣體壓力判斷是否漏氣的缺陷。利用狀態(tài)參數(shù)曲線，給出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的溫度及所測(cè)壓力，則能根據(jù)曲線查得所測(cè)氣體得密度。如果給出一條警戒密度線， 則很容易判斷現(xiàn)在密度是否越界。這樣就很好地補(bǔ)償了溫度對(duì)壓力的影響。 利用傳統(tǒng)壓力表， 根據(jù)狀態(tài)參數(shù)曲線測(cè)量氣體密度是一種可行 的方法， 目前有很大比例的高壓斷路器是采用此種方法對(duì)氣體泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。 其局限性也是明顯的， 這一過(guò)程需要工作人員去讀取壓力值和溫度值 （現(xiàn)場(chǎng)一般沒(méi)有溫度計(jì)）， 然后對(duì)照設(shè)備上的狀態(tài)參數(shù)曲線 （設(shè)備上狀態(tài)參數(shù)曲線很粗略） 去查密度值。顯然，由于工作人員的不同，讀值和查表的誤差很大。同時(shí)也沒(méi)辦法及時(shí)反應(yīng)氣體泄漏， 因?yàn)檠惨曉O(shè)備是有一定時(shí)間間隔的。 ?? 密度繼電器監(jiān)測(cè) 直接用用壓力表監(jiān)測(cè)氣體的泄漏有它明顯的不足， 密度繼電器克服了壓力表監(jiān)測(cè)的不能直接讀數(shù)、 不能實(shí)時(shí)報(bào)警的缺陷。密度繼電器能反應(yīng)氣體的密度， 則在其指針系統(tǒng)上裝上一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出模塊，當(dāng)指針示數(shù)低于某一設(shè)定值時(shí)，輸出報(bào)警開(kāi)關(guān)量。這樣，較之壓力表監(jiān)測(cè)法，密度繼電器就能實(shí)現(xiàn)直觀讀數(shù)， 即使報(bào)警的功能。 但是，密度繼電器畢竟是一個(gè)機(jī)械裝置，其使用也存在一定的局限性。首先，密度繼電器的精度一般，并接耐振性能很差，容易出現(xiàn)指針卡死，因振動(dòng)導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)等現(xiàn)象。其次，不能及時(shí)上傳實(shí)時(shí)密度值，對(duì)于密度警戒值以上的泄漏不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這不能滿足現(xiàn)代狀態(tài)檢修的要求。 最后， 也是最重要的， 雙金屬片對(duì)密度繼電器示值變化的補(bǔ)償并不是線形的， 存在一個(gè)最優(yōu)的溫度補(bǔ)償點(diǎn)， 只 能通過(guò)合理的選擇雙金屬片的形狀， 使它的實(shí)際補(bǔ)償曲線在一定溫度變化范圍內(nèi)非常接近理想的補(bǔ)償曲線。 當(dāng)溫度XXXXXXXXXXXXX設(shè)計(jì)（論文題目）