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SF6气体水分管理标准的探讨及密度与湿度监测的研究

发布时间：2009/10/29 阅读次数：1811 字体大小: 【小】【中】【大】

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摘要：该文对国内外SF6气体水分控制标准进行了认真的分析，提出采用气体实时相对湿度（RH%）来保证SF6电气设备的安全可靠运行。为了在温度变化很大的情况下使离线监测的数据具备可比较性，修正到20℃时的绝对水气压不失为一个比较好的控制参数。针对目前因为水分受温度影响造成的监测难点，指出采用在线监测方法对SF6气体进行监测具有很大的优势。并用实验室数据曲线验证了对气体在线监测的可行性。
关键词：高压电器；SF6气体；微水含量；密度

1 引言
SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能，现阶段被广泛应用于高压电气设备中[1-2]，在正常工况下，是较为理想的绝缘及灭弧介质。其工作气压和微水含量的高低对设备的安全可靠工作具有直接的影响，如果SF6气体泄漏导致密度下降或气体中微水含量超标，高压电气设备就会存在安全隐患甚至导致事故发生。因此对SF6高压电气设备气体密度和微水含量的监测一直是相关行业对设备监测的一个重要的组成部分。为了使对SF6气体的监测变得有章可循，有关部门相继制定了相关标准对SF6气体质量、特别是微水含量进行严格控制。
电力部推荐标准《电力设备预防性试验规程（DL/T596-1996）》、国家标准《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则（GB/T 8905-1996）》以及IEEE标准《IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment（IEEE Std 1125-1993）》均对水分控制单一的采取水分对SF6气体体积比（mL/L）的形式。
关于气体压力和温度对水分测量的影响已经被行业内很多专家所接受，根据现场情况和对近几年国内外文献检索发现，只有极少数文章涉及到对SF6气体微水测量结果的修正，没有对SF6气体水分控制标准的广泛讨论。
本文从对现行SF6气体水分控制标准的质疑出发，阐述作者对水分控制标准的见解，提出了一种供大家讨论的水分控制标准并对之进行了详细论述。针对目前因温度对水分吸附影响差异造成的困难，作者认为在线监测相对湿度是一种解决问题的方法，并提出了一种切实可行的气体在线监测办法，在实验室用模拟实验进行了验证。
2 微水含量控制标准的讨论
2.1 概述
电力部推荐标准《电力设备预防性试验规程（DL/T596-1996）》是目前电力行业的现行标准[3]，其对SF6气体的水分控制采用20℃时体积比分数表示；国家标准《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则（GB/T 8905-1996）》[4]中关于水分含量的规定与部颁标准一样，不同的是限定要求比部颁标准有所降低；IEEE标准《IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment（IEEE Std 1125-1993）》[5]细分了各类设备不同的限定值，仍然单一的用体积比分数来表示微水含量的多少，并且温度的限定在标准中都没有体现。如果仔细考虑SF6气压和测量温度对微水测量的影响，作者认为国内外现有SF6气体水分控制标准是值得商榷的。
2.2 温度对微水测量的影响
一般SF6电气设备的水分来源有以下几个方面：新气中固有的残留水分；安装充气过程也会将水分带入SF6气体；密封不良导致的水分渗入；设备零部件，特别是环氧树脂、聚四氟乙烯支撑件和拉杆中吸收的水分也会部分释放到SF6气体中。据研究表明[5]，随着现在加工工艺的提高，设备密封性能的改善，设备内部零部件向SF6气体中释放水分所造成的影响越来越大，成为一个不可忽视的因素。
SF6电气设备内部构件与其中的SF6气体构成一个系统，整个系统内水分为一定值（假定外部水分对设备内无渗透），当温度变化时，气体中的水分会随温度变化而变化[6]。固体对气体中水分的吸附是一个放热过程，释放是一个吸热过程。当温度降低时，固相吸附水分，气相内水分降低；当温度升高时，固相释放水分，气相水分升高。这就是温度直接影响微水测量的原因。
温度对电气设备内SF6气体湿度的影响是明显的，有时夏天测量值是冬天测量值的几倍以上。如图1所示，就是体积比分数值一年中随温度变化的曲线[5]。根据设备内部构件材料和表面处理的不同，设备内部有不同的吸附特性曲线。
在用基于露点法的露点仪对SF6气体的湿度进行测量时，假设温度为33℃时，所测某设备中气体的露点为3℃，这只能说明SF6气体在温度为33℃时的绝对水气压为3℃下水的饱和蒸汽压758Pa，并不能说明设备中的水分在3℃时就会冷凝。因为容器壁降温的吸附作用，在3℃时肯定不会冷凝。所以，用露点法测量SF6气体微水含量的测量值与测量时气体的温度有很大的关系，所测露点与在SF6气体通过整体降温所达到的实际凝露（或凝霜）点没有很直接的关系。

以华中局凤凰山变电站对SF6断路器所测试的水分含量为例[7]（表1），假设SF6气体的压力为0.7MPa。凤01的C1的微水含量最高值达到了2566mL/L，则其水分绝对压力为
P水=2566×0.7=1796.2Pa (1)
相当于15.8℃时的水的饱和蒸气压力。但是，该断路器在这种水分下安全运行了几年，没有在15.8℃时发生过凝露现象，也没有发生绝缘闪络和沿面放电。这在某种程度上也说明了吸附效应积极的一面，同时也说明因为水分吸附原因的存在，所测露点很难真正反映出气体的真正凝露温度。

2.3 压力对微水测量的影响
现行标准中用体积比分数表示SF6气体的微水含量，忽略了压力的影响因素。为了便于问题分析，不考虑上文所述设备内部构件对水分的吸附作用，设20℃时，两容器的压力分别是P1=0.5MPa，P2=0.8MPa，微水含量均为820mL/L。则

式中P1(0℃) 、P2(0℃) 分别表示换算到0℃时两个容器内水气压。
0℃时水的饱和蒸气压为611.2Pa，显然，容器一内在0℃时不会出现凝露，而容器二内在0℃时会刚好出现凝露或者已经出现凝露。即在气压不同时，SF6气体相同的微水含量体积比并不能代表相同的安全性和可靠度。
也正因为这个原因，才有如图2所示的压力-水分含量界限图。

2.4 对SF6气体水分控制标准的讨论
如前所述，相同的水分体积比分数值在不同的气压下所反应的气体水分含量是完全不同的。目前标准中规定的体积比分数不能客观限定SF6电气设备中气体的微水含量及凝露裕度。
目前，在工业现场对SF6气体含水量绝大多数采用露点仪测量气体中水分含量。采用露点法测量直接反应的是测量压力下（一般为一个大气压）SF6气体水分的凝露点，即绝对水气压。需通过计算得出SF6气体工作气压下的绝对水气压，再计算得出其水分含量的体积比分数。这显然没有直接用绝对水气压表示简便。并且一定温度下的绝对水气压能直接反应气体中水分含量的多少，进而反应在这一温度下的凝露裕度，而用水分的体积比分数反而不能，从这一点来说，在标准中采用体积比分数限定不是很合适。
现行标准规定的是20℃时的水分体积比分数值，即必须将测量值修正到20℃。如果不进行修正，则同一台设备在不同温度下所测结果毫无比较性。但是因为SF6电气设备内部构件的材质、结构和表面处理的不同，其对水分的吸附效果是不同的，温度对气体中水分含量的影响也会不同。由于设备的个体差异，不能得到一个既万能又准确的修正方法。所以现行标准中20℃的温度限定在实施过程中的可行度要打折扣。
如果用实时相对湿度（RH％）来表示气体中的水分含量，则完全可以避免因为SF6气体气压、温度带来的影响。首先，气体在一定温度下的相对湿度本身就是气体中绝对水气压的反映（绝对水气压＝相对湿度百分数×该温度下的饱和水气压），能客观反应气体中水气含量多少。其次，相对湿度直接反应的是一种凝露裕度，相对湿度越小，气体在该温度附近越不可能凝露。用相对湿度直接避免了湿度修正到20℃带来的麻烦。现阶段传感技术快速发展，氧化铝、高分子聚合物等类型的湿度传感器对相对湿度的直接测量变得越来越容易。
采用SF6气体实时相对湿度来控制气体水分含量有明显的优点，特别是在在线监测气体的相对湿度时，可以准确判断气体的凝露裕度。但相对湿度也存在其局限，如果采用离线测量，测量结果不能直接预测在气体发生较大温度变化后其相对湿度值。所以作者认为修正到20℃时的气体绝对水气压对水分含量进行控制仍然有必要，尽管修正过程会带来不可避免的误差。况且20℃时的绝对水气压对新气的出厂、环境温度为20℃左右的水分含量测量有很好的指导作用。实际上，修正到20℃时的绝对水气压也可以用修正到20℃时的相对湿度表示（20℃绝对水气压/20℃饱和水气压=20℃相对湿度）。
以上主要从SF6气体凝露方面讨论了水分控制标准。如果在存在电弧分解物的气体隔室，必须控制腐蚀性气体产生量。气体绝对水气含量多少和气体中水分体积比分数均会影响腐蚀性气体的产生，现在尚需研究这两者对腐蚀性气体产生的影响大小。如果相对绝对水气压而言，水分体积比分数的影响不可忽略，则标准中仍需要规定水分的体积比分数。否则，则不需规定水分的体积比分数。
综合以上分析，作者现提出一种供专家讨论的新的标准形式。如表2所示。建议相对湿度运行中小于15%，20℃绝对水气压小于350Pa，交接验收时有所放宽。

3 监测方法研究
3.1 概述
目前行业内一般不能提供SF6电气设备内部构件随温度变化的吸附特性曲线，一般的微水测量修正方法均存在误差，通过离线监测SF6气体的微水含量来准确预测温度发生较大改变后气体的电气性能有一定的困难。
另外，采用目前广泛使用的露点法对水分进行监测，必须严格按照仪器所要求的使用规范进行，对操作人员的素质有较高的要求；为了使读数准确与稳定，必须要浪费大量的气体，这不仅会降低设备工作气压，更严重的是会造成环境的污染；SF6气体电弧副产物不仅会影响测量精度，也会对测量人员的健康造成一定的影响。所以作者认为利用现在的传感、电子及通信技术，对SF6气体实行在线监测是一个发展趋势。
SF6气体的微水测量受压力和温度的影响，测量值的计算和修正往往需要使用测量工况下气体的压力和温度。通过在设备本体上安装压力、温度及湿度传感器，不仅可以解决SF6气体微水含量的在线监测，而且能够精确计算出气体的实时密度值，监测气体的微量泄漏。通过在线监测气体的密度值可以及时分析在警戒密度值以上气体短期内的微量泄漏率，以压力表和密度继电器的监测原理和监测精度，是不能达到以上监测效果的。
3.2 密度监测
利用现有在线测量的气压值和温度值，运用气体的状态参数方程，可以在在线嵌入式系统中计算出气体的密度值和修正到20℃时的气压值。根据拟合方法和拟合精度的不同，可以得到很多种不同方程次数、不同形式的关系式。目前最常见的SF6气体状态参数方程如下[8]

式中 P为压力，MPa；t为温度，K；r为密度，kg/m3；系数A、B分别为

现在行业内仍习惯于用20℃的气压来判断SF6高压电气设备是否气压越限。根据P和t，用上述方程计算出r，把r和t=293.2k（或20℃）代入式(4)，很方便计算出20℃时的压力P20℃。
实践证明，用此种方法实现的密度仪能很好解决密度和20℃的气压测量问题。
3.3 微水含量监测
采用氧化铝、高分子聚合物等类型的湿度传感器，可以直接测量SF6气体的相对湿度。采用在线监测，则用相对湿度能实时监测气体的凝露裕度，可避免压力和温度的影响，做到准确监控。
如果监测结果要做到可比较性强，也可以利用监测得到的实时温度值、实时压力值及20℃时压力值，采用一些修正公式，利用CPU直接将测量值修正到20℃。这样也符合实际工况。
电力部门综合目前主要开关设备类型，参考有关资料，结合其总体特性，提出了以下基于露点的温度分段修正方法。该方法可以用在在线监测的CPU计算中。

式中 tDP为校正露点值，℃；tDP0为实测露点值，℃；Dt为以20℃为基准的温度变化值，Dt=20-t，t为实测时SF6气体温度，℃。
笔者尝试用如下经验公式[9]进行归一修正，也取得了很好的效果。

式中 H2为20℃时的微水体积比，H1为水分的实时测量值，mL/L；P1为测量时SF6气体的压力；P2为根据密度检测原理换算到20℃时的SF6气体压力；P1s为测量时测量温度下的饱和水气压，P2s为20℃时的饱和水气压。
在必须修正到20℃时的情况下，用以上的修正公式，具有一定的工程实际意义。
4 在线监测实验验证与分析
为了验证SF6气体在线监测的可行性，作者在实验室用监测SF6气体的绝对压力P、绝对温度T和相对湿度的方法，利用单片机实时计算出20℃压力P20℃、密度r、实时水分体积比分数Hr。用修正公式(7)修正到20℃时的体积比分数H20℃。分别在夏天和冬天做了两组试验，并模拟了SF6气腔降温漏气的过程。
第1组实验：被测气室温度从室温开始缓慢上升，上升速率约5℃/h，图3是根据该次实验数据拟合的实验曲线。

曲线分析：
（1）在温度从23℃上升到55℃的过程中，利用SF6气体状态参数方程能很准确地计算出气体的密度，进而换算出20℃时的气体压力。
（2）在温度升高的过程中，气体的实时湿度体积比Hr明显增加，但是用以上所介绍的湿度归一计算公式（式(7)），把实时湿度换算到20℃时的湿度值，其湿度在可以接受的范围内保持不变，与实际20℃左右时的湿度持平。这说明湿度归一修正的合理性。
第2组实验：被测气体温度从50℃开始下降，实验模拟了气室漏气的过程。温度降低速度约8℃/ h。图4是该次实验数据拟合的曲线。

曲线分析：
（1）在有人为制造漏气点的试验中，改变温度，试验所测实时压力、温度和密度严格按照SF6气体参数状态曲线移动。证明密度计算及压力换算在大范围内的可靠性和用密度或者P20℃作为气体是否泄漏的判据的直观性。
（2）在漏气和降温过程中，由于湿度的吸附作用大于外部水分渗入作用，实时湿度逐步下降；但由于漏点明显存在，外部水气压明显高于内部水气压，所以实际上归一修正到20℃时，湿度有所上升。试验验证了这一点。说明实时湿度体积比的欺骗性和H20℃的相对客观性。
（3）由于温度进一步降低而接近室温，气体温度下降变慢，每下降1℃所需时间增加，所以H20℃上升斜率明显增大，密度和压力下降得更加陡峭。
实验结论：
以上两个试验均能说明在线监测中密度计算以及压力换算到20℃是切实可行的，其监测结果不仅可以分析SF6气体的泄漏，还能帮助进行湿度计算分析。在线的实时相对湿度监测具有很大的优越性，在采用相应的修正公式，计算20℃时的水分体积比分数值方面，在线监测也具有很大的优势。
对于湿度换算，式(7)只是一种温度小范围内变化的经验公式，试验证明在工程上具有实用价值。很显然，吸附效应与气室内壁材料和温度变化范围关系紧密，建议厂家能在试验的基础上，提供相应的校正曲线和校正公式，以进一步提高湿度换算的精度。
5 总结
本文着重讨论了SF6气体的水分控制标准，对现行水分控制标准进行了质疑，提出了作者对水分控制标准新的看法。温度对水分含量测量值的影响是目前水分控制的难点，SF6电气设备内部构件对水分吸附特性使测量结果的可比较性较差，用在线监测的方式，实时监测气体实时相对湿度值可以部分解决这一问题。现在的传感、电子及通信技术使对SF6气体泄漏和水分含量的监测变得越来越有优势。目前本领域亟待解决的问题有两个方面：一方面是需要对设备内部构件的吸附机理进行认真研究，要分析不同材料、不同温度条件下对水分吸附的差异，认真研究水分的吸附效应的负面影响和积极的一面；另一方面是设备制造厂家需研究设备内部构件的表面处理技术，在实验的基础上为用户提供产品在不同温度下的水分吸附特性曲线，为设备的水分监测提供依据，让设备的水分管理更加科学准确。

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