六氟化硫電氣設備在線露點測量
2012-7-6 19:25:47
摘要：
背景介紹
為了保證SF6氣體的絕緣特性，降低SF6氣體分解物所產生的酸性副產品物質的形成，必須將高壓電氣設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，但由于氣室內外存在較大差距的水氣分壓，水分子還是有很強的侵入能力，特別是長期運行后的高壓電氣設備更應注意氣體濕度。
傳統的濕度檢測是周期性抽取氣體樣氣，但近年來結合了SF6露點在線測量的狀態監測系統逐漸興起。然而這類在線測量應用遇到了很大的挑戰，它完全不同于工業領域的一般露點測量，也不同于SF6絕緣設備上的壓力、溫度測量。它的特殊之處在于露點變送器的安裝方式、測量系統中材質的選取以及接頭種類都將決定是否為設備維護和管理者真實提供了想要得到的且有價值的測量數據。此外如果地處偏遠地區高壓電氣設備的狀態監測系統更需要高可靠性的儀表，更長期的維護周期。
水氣壓和露點
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，而氣體絕緣設備(GIE)的總壓力就是系統壓力。
露點或者霜點(Td/f)的定義是某種氣體中的水氣分壓(pw)等于它的飽和水氣分壓(pws) 所對應的溫度，換句話說，露點/霜點就是某種氣體被冷卻后，其中的水氣冷凝成露水或霜1時的溫度。
pw = pws (Td/f). (1)
人們通常將霜點(<0°C)用‘露點’這個術語替代。但是很重要的一點是必須知道某種傳感器測量的是什么參數，這在不同原理的測量儀表之間的比較時尤其重要。
露點不是一個與溫度相關聯的參數，因此可以通過測量另一溫度下的樣氣得出。但露點卻與壓力有很強的相關性，因此很關鍵的一點是確保測量點的壓力與主氣流(即系統)的壓力一致，或者知道測量點的準確壓力以便進行不同壓力下的露點換算。例如，將4bar下的露點換算成常壓露點。
圖一：0.3 hPa (mbar)的水氣分壓 對應的露點值
水氣擴散
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。水蒸氣在不同狀態間總是趨于達到某種平衡，即水分子總是由高壓向低壓遷移，甚至會從系統中高分子材料密封圈或者沿著接頭的金屬表面滲透。這種特性也會發生在環境總壓力較低而系統壓力較高之間，例如大氣空氣環境與SF6高壓電氣設備間。因此不但要考慮壓力密封而且還要做到水氣密封。這種擴散效應非常緩慢，對于大容量氣體可以忽略不計。但是對于在線監測系統中測量單元內小體積的靜止氣體而言就是很顯著的，特別是這種擴散發生在傳感器周圍。
表一：
在兩個不同溫度(20 and 35°C)和濕度(50 and 80%RH)情況下，SF6氣室中和大氣環境中兩者不同的露點、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，以期達到平衡。
水分遷移
一個氣體密封的系統中的水蒸氣壓力和露點不是一成不變的，即使假設周圍空氣中水分子沒有向系統中擴散。密閉系統中溫度的變化造成了水分(水蒸氣)在兩種狀態間遷移，即氣態中水分與接觸氣體的固態物質中水分之間遷移。當溫度上升，系統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，這是因為固氣兩個狀態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相反過程。氣體絕緣設備(GIE)系統中的水分來源主要是金屬和有機物質表面的空隙，如墊片和密封劑2, 3等，與氣體接觸的固體物質的表面積越大，表示水分遷移效果的露點值也越大
圖三是2010年秋季在線安裝的露點測量結果，它顯示了水分遷移的情況。由于露點傳感器安裝在一個小的采樣腔室中(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的露點狀況。
圖二：露點傳感器室外安裝圖。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，因為氣室上沒有額外的測量點，所以不可能有其它參考性方法直接測量出氣室中的露點。
圖三：2010年秋季在芬蘭的一個SF6絕緣開關上測量出的露點值和溫度值
除了安裝位置是一個重要因素之外，溫度也要被考慮。如果一個傳感器被安裝在遠離氣室的地方，則傳感器周圍的溫度很可能完全不同于氣室溫度，氣室內由于水分遷移表現出來的氣體濕度水平將顯著不同于測量管路中的氣體。因為靜止氣體中的水分擴散是一個非常緩慢的過程，因此測量出來的露點值可能不能代表氣室中的真實值，這種情況更可能發生在溫度連續變化的過程中，這時連續動態水氣遷移，即平衡還沒有達到。
這種現象對于壓力或密度測量并不是一個問題，但露點測量則由于安裝位置而得到非正確結果。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周圍的小體積靜止氣體而言則有著顯著影響。
在線露點傳感器的安裝
當設計SF6絕緣設備上安裝露點傳感器時，上面描述的水蒸氣特性和表現必須加以考慮，這是基本原則，這樣才能確保正確測量以及得到正確結果。傳統的SF6氣體露點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擴散效應和沿著取樣管氣體和固體間的水分遷移效應，這些效應還不為公眾深刻了解。
目前在線露點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散的機會，也在相當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作用，因此采取上述露點傳感器安裝方式可能會給設備管理者提供了不正確的測量結果。
為了確保SF6氣體絕緣設備在線露點測量最好的測量結果且具有最小的不確定度，關鍵在于露點傳感器的安裝位置以及實際的安裝過程。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響應時間
維薩拉露點傳感器的響應時間比較快，一般是以秒或分鐘為計時單位，但氣體絕緣設備系統(GIE)的露點測量響應時間并不代表是傳感器本身的響應時間，傳感器安裝后的系統響應時間是一個主要考慮因素。當安裝傳感器時周圍空氣中的一些水分會被帶入到系統的連接部位中，對于系統中SF6氣體總量而言這些水分可以忽略不計，但對于在測量單元內的傳感器而言這種水氣影響就比較顯著，而且可被測出。一般需要相當長的時間才能使測量單元內的水氣壓與氣室內的水氣壓達到平衡，即使傳感器安裝的位置非常靠近主氣室，兩個氣體空間的水氣壓及露點也需要幾十小時甚至幾天才能相等(見圖四和圖五)。
系統響應時間(=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，然后再擴散到主氣室中，最終達到平衡的時間有多快。氣體本身越干燥，固體材料和固體表面干燥的時間也越長，尤其是在靜止空氣中表現更明顯。兩個氣體腔室的距離和SF6的干燥程度影響到了從測量單元到主氣室的擴單速度。距離越長、氣體越干燥，達到100%全響應的時間也越長。如果擴散效應都發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到平衡，這樣的測量結果就沒有任何代表性。
因此重要的一點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，雨天不應進行安裝。特別留意不要將灰塵或臟顆粒保留在金屬密封件表面，因為也許通過這些顆粒，水分子就會擴散進來，破壞了測量。嚴重的話會使SF6氣體變濕。傳感器室外安裝時，防雨罩可以防止水分聚集在連接處，增加水氣擴散的可能。
圖四是室內系統上的測量數據(露點，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：直接安裝在設備本體上的露點-壓力-溫度傳感器(DPT145)，測量單元內氣體量約為20ml。測量結果顯示在圖四上。
系統運行后的響應時間
由于傳感器安裝后系統響應時間相當慢，人們不禁要問當SF6氣室內露點開始增加時傳感器是如何響應的。即使有氣體流動的情況下，決定這種緩慢的初始響應的主導因素是固體物質表面(空隙)的干燥耗費了很多時間，而靜止氣體中的干燥耗費的時間更長。只有當含有較高濕度的氣體從氣室向較干燥的測量單元(露點測量點)擴散時，‘干燥耗時現象’影響才小，響應速度相對較快。
第二個要考慮的因素是大容量SF6氣體中水分以擴散方式造成露點增加是一個緩慢過程，類似于圖五的例子說明了系統響應這一點。測量單元總容量為20ml氣體的露點從-20下降到-40C，當打開氣體容器與測量單元間的閥門后水氣向主容器擴散，但-20C露點的水氣量絕對值只有0.000015克。而將主氣室500升的SF6氣體中的露點從-40C增加到-20C，相當于增加了0.38g的水分，大約相當于通過密封材料和/或沿著金屬表面擴散的水氣量，這是一個相當緩慢的擴散過程。
我們的實驗表明：如果測量單元離主氣室足夠近的話，氣室內露點上升后沒有很長時間的延遲，則露點傳感器就能監測出這種濕度變化。測量點的露點數值是否最終精確等于上升后露點值(100%響應)并不重要，重要的是這種上升趨勢能讓管理者警覺，采取相應的正確措施。任何快速、劇烈的露點變化一般表明有明顯泄漏，不但露點傳感器而且壓力(密度)傳感器也能監測出。
試驗室測量
為了更好地了解運行設備中如果露點開始增加時系統的響應速度，在試驗室進行了一系列靜止氣體中測量工作，在現場不可能有意增加某個氣體絕緣設備中的SF6的水分，而且實際測量的是氣室內靜止氣體。試驗是將露點由-45°C階躍增大到-20°C以考察靜止氣體中水氣擴散及系統響應時間。所有試驗的配置均顯示在圖六中
測量數據顯示在圖七上。當露點由-45°C突然切換到-20°C后系統響應T(90)為5.5小時，而且有1個小時的滯后。這種滯后時間表明了濕氣擴散到氣室頂端的傳感器所花費的時間。為了對比又做了露點從-20°C下降到-45°C的試驗，這樣的系統響應時間為23個小時
圖六：試驗設置：濕度發生器給出2.5升/分鐘流速的氣體，其中露點是可設置的。模擬氣室容積是10升。傳感器用Dilo DN20固定在氣室上，用計算機記錄數據。標準露點儀MBW373LX冷鏡露點儀，連接在氣室出氣口。
圖七
靜止氣體中露點響應時間 T(90) 是5.5 小時，而由于低壓擴散，傳感器有一個小時的延遲響應
總結
為了確保在線監測系統提供穩定可靠、有價值的且具有最小不確定度的露點測量數據，關鍵點在于露點傳感器的安裝位置以及實際的安裝過程，直接將傳感器安裝于氣室上可獲得最佳的測量結果。傳感器周圍的接頭和密封件必須采用高質量的金屬材料。傳感器安裝后達到SF6主氣室的露點數值后再進行監測記錄才有可能確定是否有通過接頭和/或管路擴散進來的多余水氣干擾了測量，這樣才能確保長期測量的數據可靠、可信，避免任何錯誤報警。
