室内变电站SF6报警装置应用现状和对策

于乃海，米劲臣

（山东电力研究院，山东 济南 250002）

0 引言

SF6气体以其优异的绝缘和灭弧性能，广泛应用于城市电网变电站的GIS设备上。由于受制造、安装等质量的差异以及材料老化等因素影响，SF6电气设备发生泄漏是个普遍的现象，而泄漏出来的SF6气体及其分解物会往室内低层空间积聚，造成局部缺氧和带毒，对进入室内的工作人员的生命安全构成了严重的危险。

SF6气体泄漏在线监测报警装置 （以下简称SF6报警装置）是根据《〈电业安全规程》相关规定[1]，在室内SF6电气设备工作场所，安装的一种实时监测环境中SF6气体和氧气含量的智能化在线监测系统，其作用是当环境中SF6气体含量超标或缺氧时，实时报警并启动排风设施，以保证进入室内工作人员的人身安全。目前山东电网GIS变电站有几百个，安装的SF6报警装置总数量有近千套。但由于行业一直缺乏对SF6报警装置有效监督管理的手段，装置的准确性一直是未知数。

2011年根据承担的山东电力集团公司“SF6气体泄漏在线监测报警装置可靠性评价的研究”课题要求，对山东电网室内110kV等级以上GIS变电站安装的SF6报警装置运行可靠性进行了抽查评价。

1 测试评价方案

1.1 SF6报警装置统计

截止到2011年2月底，全省17个地区供电公司共有350个110 kV及以上变电站安装了446套SF6报警装置，涉及30个制造厂家，其中95%以上采样方式为扩散式SF6报警装置，仅有少量为泵吸式SF6报警装置。

1.2 样品选取原则

根据调查统计结果，结合各单位使用状况，选取不同制造厂家产品，并且以采用数量多的厂家为主要测试对象，每个单位抽查变电站数量为4～5个。

1.3 测试方法

采用SMF06-5型SF6泄漏报警装置校准系统，配置目标浓度的SF6和氧气标准气体，通入到现场安装的SF6报警装置测量传感器，进行报警及性能测试。

SMF06-5型SF6泄漏报警装置校准系统，配气不确定度±1%。 配气采用SF6标准气体浓度范围1%～2%（V/V），不确定度1%，氧气标准气体浓度范围40%～41%（V/V），不确定度1%。

1.4 评价考核指标

根据GB12358-2006《作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求》规定[2]，对SF6报警装置校准应进行报警误差、检测误差、重复性、响应时间等多项指标的测试，结合现场实际工作特点和DL408-91《电业安全工作规程》（变电所和发电厂部分）相关规定，主要对报警误差、检测误差、功能检验3个主要指标进行了检测评定，考核标准见表 1。

对于定性报警装置，主要考核报警误差，对于定量报警装置，主要考核报警和检测误差。

表1 报警装置控制标准

2 检测评价结果

2.1 检测结果统计

对全省17个地区供电公司80个变电站，20个主要厂家生产的81套在用SF6报警装置，其中76套为传感器扩散式原理，5套为泵吸式定量原理，共计174台正常运行检测单元（每套报警装置根据工作场所面积，可配置多个检测单元，也称为变送器）进行了检测。

（1）正常投运率。抽查80个变电站，其中62套SF6报警装置处于正常运行状态，19套设备未正常投运，正常投运率76.5%。未正常投运原因，主要是设备误报警、主机屏幕不显示或乱显示，通讯异常等故障而被停运或带故障运行，但无法正常监测。

（2）SF6报警率和合格率。

所检测57套正常运行的扩散式SF6报警装置，对于SF6检测，除个别厂家2套产品外，其它基本上全为定性测试，所检测5套泵吸式SF6报警装置，SF6气体全部采用定量检测。

测试174台运行检测单元，设定装置报警浓度值 1 000 μL/L，以配置 SF6气体浓度 3 000 μL/L作为评判报警极限点，共报警51台，报警率29.3%，其中符合表1报警误差要求12台，报警合格率6.9%。表2是51台发生报警的装置其报警误差分布结果，表3是扩散式和泵吸式报警装置对SF6报警检测结果，由于扩散式SF6报警装置对于SF6气体的检测为定性原理，因此无检测误差的数据。

表2 SF6报警和检测误差分布结果

表3 扩散和泵吸式报警装置对SF6检测结果

（3）氧气报警率和合格率。

所检测62套正常运行的SF6报警装置，对于氧气检测，无论装置是扩散式还是泵吸式，全部采用化学传感器检测原理，测试174台运行检测单元，其中165台为定量显示，9台为定性。试验设置装置报警浓度值为18%（V/V），以配置氧气浓度12.5%（V/V）为评判报警极限点，共报警97台，报警率55.7%，其中定量显示报警92台，定性报警5台，符合表2报警误差要求18台，合格率10.3%，符合检测误差要求9台，合格率5.5%。表4是97台发生报警的装置其报警误差和检测误差分布结果。

表4 氧气报警和检测误差分布结果

（4）功能检测。对变电站正常运行的62套SF6报警装置，按照仪器说明书对其语音提示功能、声光报警功能及风机自动/手动功能进行了检查，对能发生报警设备结合试验过程检查，对不发生报警正常运行设备，通过调整设备报警点值进行功能检查。

风机自动/手动启动功能。按DL408-91《电力安全工作规程要求》，SF6报警装置必须与GIS室内风机相连，当室内SF6气体和氧气含量超出控制标准时，报警装置在报警时候，能同时自动/手动启动风机，检查结果，基本都符合要求。

语音提示功能。62套正常运行的装置，其中有8套无语音提示功能，3套语音功能异常，功能具备完好率82.3%。

声光报警功能。62套正常运行的设备，无声光报警功能8台，声光报警功能异常2台，功能完好率83.8%。

2.2 结果评价

从测试结果统计看，在用SF6报警装置投运率76.5%，SF6报警合格率6.9%，氧气报警合格率10.3%，氧气检测误差合格率5.5%，语音和声光报警功能完好率占正常运行设备的80%以上，风机启动功能基本都符合要求。实际检测结果，仅有2套红外吸收激光定量原理的报警装置能同时满足表1规定的SF6气体和氧气误差要求，占总检测单元的1.4%，占总报警装置套数2.5%，而对于扩散式测量原理的SF6报警装置，还没有一个检测单元，能同时满足表1的SF6气体和氧气报警或检测误差要求。电网普遍采用的扩散式SF6泄漏在线监测报警装置基本流于表面形式，达不到GB12358-2006《作业场所环境气体检测报警仪通用技术要求》和《电业安全工作规程》的规定，存在重大质量缺陷。

3 讨论及对策

3.1 设备原理正确选型

SF6报警装置按采样方式分类主要为扩散式和泵吸式。由于价格优势和技术发展水平的制约，目前电网中普遍采用扩散式传感器原理的SF6报警装置，这类装置对SF6气体报警相对定性较多，氧气报警相对定量较多。对SF6气体测量原理大多采用了高压放电电离法、卤素传感器法、半导体法及热导法，对氧气检测主要采用电化学传感器法原理，由于受现场环境、传感器结构、性能及材质影响，其测量稳定性差，寿命短，衰变和漂移大，尤其测量氧气的电化学传感器使用寿命仅2年左右。泵吸式红外光谱吸收 （又称红外激光）原理SF6报警装置，是近几年发展起来的一种新的成熟技术，由于价格较高，电网中目前采用还相对较少，其测量原理主要是利用SF6气体对特定波段有强吸收特性来检测SF6气体浓度，通过检测SF6气体对光的波长和强度的影响，其吸收强度变化取决于被测气体的浓度，依据朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，确定 SF6气体的浓度，主要用于SF6气体定量检测。其特点测量灵敏度和准确度高，不受环境的影响和干扰。

为了有效验证泵吸式红外激光定量SF6报警装置的准确性，结合现场和实验室委托试验，共对5个制造商7台红外激光SF6报警装置进行了检测，检测结果，有6台报警装置对SF6气体定量检测和报警误差均小于10%，符合标准要求，结果见表5。

报警装置对于对氧气检测，无论是扩散式还是泵吸式，因氧气没有红外吸收，因此均采用了电化学氧气传感器，根据电化学原电池的原理进行氧气测量，其内部一般采用液体电解质，氧气通过电解质在阴阳极发生氧化还原反应，产生电流，所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定氧气的浓度。由于整个反应过程中，有电解质蒸发或污染和阳极金属消耗，所以导致测量精度下降，寿命短。另外，目前所有的测量氧气定量电化学传感器，测试结果的精度均为0.1%，精度差，导致结果误差较大。

为了提高产品对氧气分析准确度和稳定性以及延长使用寿命，应采用电解质为固态高精度进口电化学传感器，电解质的蒸发和污染问题可以得到有效解决，目前国内部分产品制造商已经开始在泵吸式红外激光定量报警装置中进行了采用。但在显示结果的精度方面还没有改进，如果采用0.01%的精度，会极大提高氧气报警和检测的合格率。对于检测氧气为定量原理SF6报警装置，可直接采用浓度18%（V/V）左右氧气标准气对测量传感器进行校验，可减少配气误差对测量结果的影响。

表5 泵吸式红外激光定量SF6报警装置对SF6和氧气检测

泵吸式红外激光定量SF6报警装置是电网未来主要选型方向，但能否正常稳定持久投运，主要取决于采样泵的质量，因此如何选择高质量采样泵，也是用户和设备制造商需要重视的问题。

3.2 加强设备实时测量的意识

按我国《电业安全工作规程》相关规定，室内SF6设备场所，安装的SF6线报警装置，应实时检测空气中氧气和SF6气体含量。从抽查情况看，部分产品制造商为了延长设备使用寿命，采用了间隔测量法，甚至每2 h设备才启动巡检一次，并且测量时间仅几秒，起不到真正实时监督要求。因此在未来的设备选型中，应缩短巡检周期，达到实时在线检测目的。

3.3 加强监督管理，提高校准意识

SF6报警装置虽然使用多年，但由于历史的原因，从属于不同的管理部门，造成现场监督管理的盲点。因此，作为技术管理部门，首先应制定相应的运行维护管理细则，规范设备的运行维护管理，做好设备的选型，新设备质量验收，对运行中的设备按周期校准，提高SF6报警装置需要校准的意识，保证设备安全运行。