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六氟化硫電氣設(shè)備在線露點(diǎn)測量

2012-7-6 19:25:47

摘要：

本文簡單介紹了氣體濕度術(shù)語和水氣分壓在帶壓系統(tǒng)中的表現(xiàn)。根據(jù)水氣特性，較為詳細(xì)地闡述了在六氟化硫電氣設(shè)備上長期露點(diǎn)監(jiān)測的一些關(guān)鍵點(diǎn)。同時(shí)展示了一些從現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室所得到有關(guān)測量數(shù)據(jù)。

背景介紹

為了保證SF6氣體的絕緣特性，降低SF6氣體分解物所產(chǎn)生的酸性副產(chǎn)品物質(zhì)的形成，必須將高壓電氣設(shè)備氣室中的水氣含量保持在盡可能低的水平。雖然注入的是干燥的SF6氣體并做到了高壓下的密封，沒有外界新氣流入，但由于氣室內(nèi)外存在較大差距的水氣分壓，水分子還是有很強(qiáng)的侵入能力，特別是長期運(yùn)行后的高壓電氣設(shè)備更應(yīng)注意氣體濕度。

傳統(tǒng)的濕度檢測是周期性抽取氣體樣氣，但近年來結(jié)合了SF6露點(diǎn)在線測量的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)逐漸興起。然而這類在線測量應(yīng)用遇到了很大的挑戰(zhàn)，它完全不同于工業(yè)領(lǐng)域的一般露點(diǎn)測量，也不同于SF6絕緣設(shè)備上的壓力、溫度測量。它的特殊之處在于露點(diǎn)變送器的安裝方式、測量系統(tǒng)中材質(zhì)的選取以及接頭種類都將決定是否為設(shè)備維護(hù)和管理者真實(shí)提供了想要得到的且有價(jià)值的測量數(shù)據(jù)。此外如果地處偏遠(yuǎn)地區(qū)高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)更需要高可靠性的儀表，更長期的維護(hù)周期。

水氣壓和露點(diǎn)

自然界水氣無處不在，水氣壓是總氣壓的一部分。例如空氣的總壓力就是大氣壓，而氣體絕緣設(shè)備(GIE)的總壓力就是系統(tǒng)壓力。

露點(diǎn)或者霜點(diǎn)(T_d/f)的定義是某種氣體中的水氣分壓(p_w)等于它的飽和水氣分壓(p_ws) 所對應(yīng)的溫度，換句話說，露點(diǎn)/霜點(diǎn)就是某種氣體被冷卻后，其中的水氣冷凝成露水或霜¹時(shí)的溫度。

p_w = p_ws (T_d/f). (1)

人們通常將霜點(diǎn)(<0°C)用‘露點(diǎn)’這個(gè)術(shù)語替代。但是很重要的一點(diǎn)是必須知道某種傳感器測量的是什么參數(shù)，這在不同原理的測量儀表之間的比較時(shí)尤其重要。

露點(diǎn)不是一個(gè)與溫度相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，因此可以通過測量另一溫度下的樣氣得出。但露點(diǎn)卻與壓力有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此很關(guān)鍵的一點(diǎn)是確保測量點(diǎn)的壓力與主氣流(即系統(tǒng))的壓力一致，或者知道測量點(diǎn)的準(zhǔn)確壓力以便進(jìn)行不同壓力下的露點(diǎn)換算。例如，將4bar下的露點(diǎn)換算成常壓露點(diǎn)。

圖一：0.3 hPa (mbar)的水氣分壓對應(yīng)的露點(diǎn)值

水氣擴(kuò)散

水分子在氣相中不是束縛在一起，由于體積很小它們可以自由地移動。水蒸氣在不同狀態(tài)間總是趨于達(dá)到某種平衡，即水分子總是由高壓向低壓遷移，甚至?xí)南到y(tǒng)中高分子材料密封圈或者沿著接頭的金屬表面滲透。這種特性也會發(fā)生在環(huán)境總壓力較低而系統(tǒng)壓力較高之間，例如大氣空氣環(huán)境與SF6高壓電氣設(shè)備間。因此不但要考慮壓力密封而且還要做到水氣密封。這種擴(kuò)散效應(yīng)非常緩慢，對于大容量氣體可以忽略不計(jì)。但是對于在線監(jiān)測系統(tǒng)中測量單元內(nèi)小體積的靜止氣體而言就是很顯著的，特別是這種擴(kuò)散發(fā)生在傳感器周圍。

表一：

在兩個(gè)不同溫度(20 and 35°C)和濕度(50 and 80%RH)情況下，SF6氣室中和大氣環(huán)境中兩者不同的露點(diǎn)、相對濕度和水氣壓。水分子傾向于從高水氣壓向低壓出移動，以期達(dá)到平衡。

水分遷移

一個(gè)氣體密封的系統(tǒng)中的水蒸氣壓力和露點(diǎn)不是一成不變的，即使假設(shè)周圍空氣中水分子沒有向系統(tǒng)中擴(kuò)散。密閉系統(tǒng)中溫度的變化造成了水分(水蒸氣)在兩種狀態(tài)間遷移，即氣態(tài)中水分與接觸氣體的固態(tài)物質(zhì)中水分之間遷移。當(dāng)溫度上升，系統(tǒng)中不同部位的溫度差異會引起固體中的水分向氣體中遷移，這是因?yàn)楣虤鈨蓚€(gè)狀態(tài)中的水分要趨向平衡，即平衡相對濕度一致。而溫度下降水分遷移則是一個(gè)相反過程。氣體絕緣設(shè)備(GIE)系統(tǒng)中的水分來源主要是金屬和有機(jī)物質(zhì)表面的空隙，如墊片和密封劑²^,³等，與氣體接觸的固體物質(zhì)的表面積越大，表示水分遷移效果的露點(diǎn)值也越大

圖三是2010年秋季在線安裝的露點(diǎn)測量結(jié)果，它顯示了水分遷移的情況。由于露點(diǎn)傳感器安裝在一個(gè)小的采樣腔室中(圖二所示)，而且與氣室連接的管路較長、接頭較多，因此傳感器周圍的氣體并不能完全代表氣室中真實(shí)的露點(diǎn)狀況。

圖二：露點(diǎn)傳感器室外安裝圖。傳感器與氣室間是用管路連接，右圖是摘掉防雨罩后的圖片

還不清楚水分遷移是由氣室引起的還是由于安裝傳感器的管路引起的，因?yàn)闅馐疑蠜]有額外的測量點(diǎn)，所以不可能有其它參考性方法直接測量出氣室中的露點(diǎn)。

圖三：2010年秋季在芬蘭的一個(gè)SF6絕緣開關(guān)上測量出的露點(diǎn)值和溫度值

除了安裝位置是一個(gè)重要因素之外，溫度也要被考慮。如果一個(gè)傳感器被安裝在遠(yuǎn)離氣室的地方，則傳感器周圍的溫度很可能完全不同于氣室溫度，氣室內(nèi)由于水分遷移表現(xiàn)出來的氣體濕度水平將顯著不同于測量管路中的氣體。因?yàn)殪o止氣體中的水分?jǐn)U散是一個(gè)非常緩慢的過程，因此測量出來的露點(diǎn)值可能不能代表氣室中的真實(shí)值，這種情況更可能發(fā)生在溫度連續(xù)變化的過程中，這時(shí)連續(xù)動態(tài)水氣遷移，即平衡還沒有達(dá)到。

這種現(xiàn)象對于壓力或密度測量并不是一個(gè)問題，但露點(diǎn)測量則由于安裝位置而得到非正確結(jié)果。雖然管路中的這種水分遷移量非常小，但對于在線測量的傳感器測量點(diǎn)周圍的小體積靜止氣體而言則有著顯著影響。

在線露點(diǎn)傳感器的安裝

當(dāng)設(shè)計(jì)SF6絕緣設(shè)備上安裝露點(diǎn)傳感器時(shí)，上面描述的水蒸氣特性和表現(xiàn)必須加以考慮，這是基本原則，這樣才能確保正確測量以及得到正確結(jié)果。傳統(tǒng)的SF6氣體露點(diǎn)測量是從氣室中采集氣樣，就是說在測量過程中氣體是流出的。流動的氣體掩蓋了非常緩慢的水分?jǐn)U散效應(yīng)和沿著取樣管氣體和固體間的水分遷移效應(yīng)，這些效應(yīng)還不為公眾深刻了解。

目前在線露點(diǎn)傳感器普遍被安裝在和壓力繼電器或密度傳感器同樣位置的取樣腔室中(圖二)，此外這些腔室往往不是直接與氣室聯(lián)通，而是通過高分子或金屬管路連接。過多的接頭和連接管極易增加水氣擴(kuò)散的機(jī)會，也在相當(dāng)程度上增加了水分遷移的程度。對于相對很小的靜止測量氣樣容量而言，這些影響往往起到主導(dǎo)作用，因此采取上述露點(diǎn)傳感器安裝方式可能會給設(shè)備管理者提供了不正確的測量結(jié)果。

為了確保SF6氣體絕緣設(shè)備在線露點(diǎn)測量最好的測量結(jié)果且具有最小的不確定度，關(guān)鍵在于露點(diǎn)傳感器的安裝位置以及實(shí)際的安裝過程。將傳感器裝在離氣室盡可能近的地方，最好是直接在氣室上；盡量減少接頭數(shù)量，極力避免在測量單元附近采用塑料或橡膠材料的連接管線。金屬面到金屬面的密封方式是首選。

傳感器安裝后的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

維薩拉露點(diǎn)傳感器的響應(yīng)時(shí)間比較快，一般是以秒或分鐘為計(jì)時(shí)單位，但氣體絕緣設(shè)備系統(tǒng)(GIE)的露點(diǎn)測量響應(yīng)時(shí)間并不代表是傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間，傳感器安裝后的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)主要考慮因素。當(dāng)安裝傳感器時(shí)周圍空氣中的一些水分會被帶入到系統(tǒng)的連接部位中，對于系統(tǒng)中SF6氣體總量而言這些水分可以忽略不計(jì)，但對于在測量單元內(nèi)的傳感器而言這種水氣影響就比較顯著，而且可被測出。一般需要相當(dāng)長的時(shí)間才能使測量單元內(nèi)的水氣壓與氣室內(nèi)的水氣壓達(dá)到平衡，即使傳感器安裝的位置非常靠近主氣室，兩個(gè)氣體空間的水氣壓及露點(diǎn)也需要幾十小時(shí)甚至幾天才能相等(見圖四和圖五)。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(=代表性測量)取決于傳感器安裝后測量單元的干燥程度多快能與SF6主氣室的水氣壓達(dá)到一致，也就是說是指水分子從固體材料中逃逸到測量單元的氣體中，然后再擴(kuò)散到主氣室中，最終達(dá)到平衡的時(shí)間有多快。氣體本身越干燥，固體材料和固體表面干燥的時(shí)間也越長，尤其是在靜止空氣中表現(xiàn)更明顯。兩個(gè)氣體腔室的距離和SF6的干燥程度影響到了從測量單元到主氣室的擴(kuò)單速度。距離越長、氣體越干燥，達(dá)到100%全響應(yīng)的時(shí)間也越長。如果擴(kuò)散效應(yīng)都發(fā)生在連接管路和接頭處，則測量單元中的水氣壓就不會與主氣室達(dá)到平衡，這樣的測量結(jié)果就沒有任何代表性。

因此重要的一點(diǎn)是盡量減少安裝過程中引入的初始水分。為了避免水滴掉落在傳感器連接頭處，雨天不應(yīng)進(jìn)行安裝。特別留意不要將灰塵或臟顆粒保留在金屬密封件表面，因?yàn)橐苍S通過這些顆粒，水分子就會擴(kuò)散進(jìn)來，破壞了測量。嚴(yán)重的話會使SF6氣體變濕。傳感器室外安裝時(shí)，防雨罩可以防止水分聚集在連接處，增加水氣擴(kuò)散的可能。

圖四是室內(nèi)系統(tǒng)上的測量數(shù)據(jù)(露點(diǎn)，壓力和溫度)，傳感器安裝位置間圖五(2010年3月25日到4月14日)

圖五：直接安裝在設(shè)備本體上的露點(diǎn)-壓力-溫度傳感器(DPT145)，測量單元內(nèi)氣體量約為20ml。測量結(jié)果顯示在圖四上。

系統(tǒng)運(yùn)行后的響應(yīng)時(shí)間

由于傳感器安裝后系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)慢，人們不禁要問當(dāng)SF6氣室內(nèi)露點(diǎn)開始增加時(shí)傳感器是如何響應(yīng)的。即使有氣體流動的情況下，決定這種緩慢的初始響應(yīng)的主導(dǎo)因素是固體物質(zhì)表面(空隙)的干燥耗費(fèi)了很多時(shí)間，而靜止氣體中的干燥耗費(fèi)的時(shí)間更長。只有當(dāng)含有較高濕度的氣體從氣室向較干燥的測量單元(露點(diǎn)測量點(diǎn))擴(kuò)散時(shí)，‘干燥耗時(shí)現(xiàn)象’影響才小，響應(yīng)速度相對較快。

第二個(gè)要考慮的因素是大容量SF6氣體中水分以擴(kuò)散方式造成露點(diǎn)增加是一個(gè)緩慢過程，類似于圖五的例子說明了系統(tǒng)響應(yīng)這一點(diǎn)。測量單元總?cè)萘繛?span lang="EN-US">20ml氣體的露點(diǎn)從-20下降到-40C，當(dāng)打開氣體容器與測量單元間的閥門后水氣向主容器擴(kuò)散，但-20C露點(diǎn)的水氣量絕對值只有0.000015克。而將主氣室500升的SF6氣體中的露點(diǎn)從-40C增加到-20C，相當(dāng)于增加了0.38g的水分，大約相當(dāng)于通過密封材料和/或沿著金屬表面擴(kuò)散的水氣量，這是一個(gè)相當(dāng)緩慢的擴(kuò)散過程。

我們的實(shí)驗(yàn)表明：如果測量單元離主氣室足夠近的話，氣室內(nèi)露點(diǎn)上升后沒有很長時(shí)間的延遲，則露點(diǎn)傳感器就能監(jiān)測出這種濕度變化。測量點(diǎn)的露點(diǎn)數(shù)值是否最終精確等于上升后露點(diǎn)值(100%響應(yīng))并不重要，重要的是這種上升趨勢能讓管理者警覺，采取相應(yīng)的正確措施。任何快速、劇烈的露點(diǎn)變化一般表明有明顯泄漏，不但露點(diǎn)傳感器而且壓力(密度)傳感器也能監(jiān)測出。

試驗(yàn)室測量

為了更好地了解運(yùn)行設(shè)備中如果露點(diǎn)開始增加時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在試驗(yàn)室進(jìn)行了一系列靜止氣體中測量工作，在現(xiàn)場不可能有意增加某個(gè)氣體絕緣設(shè)備中的SF6的水分，而且實(shí)際測量的是氣室內(nèi)靜止氣體。試驗(yàn)是將露點(diǎn)由-45°C階躍增大到-20°C以考察靜止氣體中水氣擴(kuò)散及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。所有試驗(yàn)的配置均顯示在圖六中

測量數(shù)據(jù)顯示在圖七上。當(dāng)露點(diǎn)由-45°C突然切換到-20°C后系統(tǒng)響應(yīng)T(90)為5.5小時(shí)，而且有1個(gè)小時(shí)的滯后。這種滯后時(shí)間表明了濕氣擴(kuò)散到氣室頂端的傳感器所花費(fèi)的時(shí)間。為了對比又做了露點(diǎn)從-20°C下降到-45°C的試驗(yàn)，這樣的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為23個(gè)小時(shí)

圖六：試驗(yàn)設(shè)置：濕度發(fā)生器給出2.5升/分鐘流速的氣體，其中露點(diǎn)是可設(shè)置的。模擬氣室容積是10升。傳感器用Dilo DN20固定在氣室上，用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀MBW373LX冷鏡露點(diǎn)儀，連接在氣室出氣口。

圖七

靜止氣體中露點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間 T(90) 是5.5 小時(shí)，而由于低壓擴(kuò)散，傳感器有一個(gè)小時(shí)的延遲響應(yīng)

總結(jié)

為了確保在線監(jiān)測系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠、有價(jià)值的且具有最小不確定度的露點(diǎn)測量數(shù)據(jù)，關(guān)鍵點(diǎn)在于露點(diǎn)傳感器的安裝位置以及實(shí)際的安裝過程，直接將傳感器安裝于氣室上可獲得最佳的測量結(jié)果。傳感器周圍的接頭和密封件必須采用高質(zhì)量的金屬材料。傳感器安裝后達(dá)到SF6主氣室的露點(diǎn)數(shù)值后再進(jìn)行監(jiān)測記錄才有可能確定是否有通過接頭和/或管路擴(kuò)散進(jìn)來的多余水氣干擾了測量，這樣才能確保長期測量的數(shù)據(jù)可靠、可信，避免任何錯(cuò)誤報(bào)警。

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