六氟化硫电气设备在线露点测量

背景介绍
        为了保证SF6 气体的绝缘特性，降低SF6 气体分解物所产生的酸性副产品物质的形成，必须将高压电气设备气室中的水气含量保持在尽可能低的水平。虽然注入的是干燥的SF6 气体并做到了高压下的密封，没有外界新气流入，但由于气室内外存在较大差距的水气分压，水分子还是有很强的侵入能力，特别是长期运行后的高压电气设备更应注意气体湿度。
        传统的湿度检测是周期性抽取气体样气，但近年来结合了SF6 露点在线测量的状态监测系统逐渐兴起。然而这类在线测量应用遇到了很大的挑战，它完全不同于工业领域的一般露点测量，也不同于SF6 绝缘设备上的压力、温度测量。它的特殊之处在于露点变送器的安装方式、测量系统中材质的选取以及接头种类都将决定是否为设备维护和管理者真实提供了想要得到的且有价值的测量数据。此外如果地处偏远地区高压电气设备的状态监测系统更需要高可靠性的仪表，更长期的维护周期。
水气压和露点
        自然界水气无处不在，水气压是总气压的一部分。例如空气的总压力就是大气压，而气体绝缘设备(GIE)的总压力就是系统压力。
        露点或者霜点(Td/f)的定义是某种气体中的水气分压(pw)等于它的饱和水气分压(pws) 所对应的温度，换句话说，露点/霜点就是某种气体被冷却后，其中的水气冷凝成露水或霜1时的温度。
        pw = pws (Td/f). (1)
        人们通常将霜点(<0°C)用‘露点’这个术语替代。但是很重要的一点是必须知道某种传感器测量的是什么参数，这在不同原理的测量仪表之间的比较时尤其重要。
        露点不是一个与温度相关联的参数，因此可以通过测量另一温度下的样气得出。但露点却与压力有很强的相关性，因此很关键的一点是确保测量点的压力与主气流(即系统)的压力一致，或者知道测量点的准确压力以便进行不同压力下的露点换算。例如，将4bar 下的露点换算成常压露点。

图一：0.3 hPa (mbar)的水气分压 对应的露点值

        水分子在气相中不是束缚在一起，由于体积很小它们可以自由地移动。水蒸气在不同状态间总是趋于达到某种平衡，即水分子总是由高压向低压迁移，甚至会从系统中高分子材料密封圈或者沿着接头的金属表面渗透。这种特性也会发生在环境总压力较低而系统压力较高之间，例如大气空气环境与SF6 高压电气设备间。因此不但要考虑压力密封而且还要做到水气密封。这种扩散效应非常缓慢，对于大容量气体可以忽略不计。但是对于在线监测系统中测量单元内小体积的静止气体而言就是很显著的，特别是这种扩散发生在传感器周围。
表一：
        在两个不同温度(20 and 35°C)和湿度(50 and 80%RH)情况下，SF6 气室中和大气环境中两者不同的露点、相对湿度和水气压。水分子倾向于从高水气压向低压出移动，以期达到平衡。

水分迁移
        一个气体密封的系统中的水蒸气压力和露点不是一成不变的，即使假设周围空气中水分子没有向系统中扩散。密闭系统中温度的变化造成了水分(水蒸气)在两种状态间迁移，即气态中水分与接触气体的固态物质中水分之间迁移。当温度上升，系统中不同部位的温度差异会引起固体中的水分向气体中迁移，这是因为固气两个状态中的水分要趋向平衡，即平衡相对湿度一致。而温度下降水分迁移则是一个相反过程。气体绝缘设备(GIE)系统中的水分来源主要是金属和有机物质表面的空隙，如垫片和密封剂2, 3等，与气体接触的固体物质的表面积越大，表示水分迁移效果的露点值也越大
图三是2010 年秋季在线安装的露点测量结果，它显示了水分迁移的情况。由于露点传感器安装在一个小的采样腔室中(图二所示)，而且与气室连接的管路较长、接头较多，因此传感器周围的气体并不能完全代表气室中真实的露点状况。

图二：露点传感器室外安装图。传感器与气室间是用管路连接，右图是摘掉防雨罩后的图片

        还不清楚水分迁移是由气室引起的还是由于安装传感器的管路引起的，因为气室上没有额外的测量点，所以不可能有其它参考性方法直接测量出气室中的露点。[page]

图三：2010 年秋季在芬兰的一个SF6 绝缘开关上测量出的露点值和温度值

        除了安装位置是一个重要因素之外，温度也要被考虑。如果一个传感器被安装在远离气室的地方，则传感器周围的温度很可能完全不同于气室温度，气室内由于水分迁移表现出来的气体湿度水平将显著不同于测量管路中的气体。因为静止气体中的水分扩散是一个非常缓慢的过程，因此测量出来的露点值可能不能代表气室中的真实值，这种情况更可能发生在温度连续变化的过程中，这时连续动态水气迁移，即平衡还没有达到。
        这种现象对于压力或密度测量并不是一个问题，但露点测量则由于安装位置而得到非正确结果。虽然管路中的这种水分迁移量非常小，但对于在线测量的传感器测量点周围的小体积静止气体而言则有着显著影响。
 

在线露点传感器的安装

        当设计SF6 绝缘设备上安装露点传感器时，上面描述的水蒸气特性和表现必须加以考虑，这是基本原则，这样才能确保正确测量以及得到正确结果。传统的SF6 气体露点测量是从气室中采集气样，就是说在测量过程中气体是流出的。流动的气体掩盖了非常缓慢的水分扩散效应和沿着取样管气体和固体间的水分迁移效应，这些效应还不为公众深刻了解。
        目前在线露点传感器普遍被安装在和压力继电器或密度传感器同样位置的取样腔室中(图二)，此外这些腔室往往不是直接与气室联通，而是通过高分子或金属管路连接。过多的接头和连接管极易增加水气扩散的机会，也在相当程度上增加了水分迁移的程度。对于相对很小的静止测量气样容量而言，这些影响往往起到主导作用，因此采取上述露点传感器安装方式可能会给设备管理者提供了不正确的测量结果。

        为了确保SF6 气体绝缘设备在线露点测量最好的测量结果且具有最小的不确定度，关键在于露点传感器的安装位置以及实际的安装过程。将传感器装在离气室尽可能近的地方，最好是直接在气室上；尽量减少接头数量，极力避免在测量单元附近采用塑料或橡胶材料的连接管线。金属面到金属面的密封方式是首选。
传感器安装后的系统响应时间
        维萨拉露点传感器的响应时间比较快，一般是以秒或分钟为计时单位，但气体绝缘设备系统(GIE)的露点测量响应时间并不代表是传感器本身的响应时间，传感器安装后的系统响应时间是一个主要考虑因素。当安装传感器时周围空气中的一些水分会被带入到系统的连接部位中，对于系统中SF6 气体总量而言这些水分可以忽略不计，但对于在测量单元内的传感器而言这种水气影响就比较显著，而且可被测出。一般需要相当长的时间才能使测量单元内的水气压与气室内的水气压达到平衡，即使传感器安装的位置非常靠近主气室，两个气体空间的水气压及露点也需要几十小时甚至几天才能相等(见图四和图五)。
        系统响应时间(=代表性测量)取决于传感器安装后测量单元的干燥程度多快能与SF6 主气室的水气压达到一致，也就是说是指水分子从固体材料中逃逸到测量单元的气体中，然后再扩散到主气室中，最终达到平衡的时间有多快。气体本身越干燥，固体材料和固体表面干燥的时间也越长，尤其是在静止空气中表现更明显。两个气体腔室的距离和SF6 的干燥程度影响到了从测量单元到主气室的扩单速度。距离越长、气体越干燥，达到100%全响应的时间也越长。如果扩散效应都发生在连接管路和接头处，则测量单元中的水气压就不会与主气室达到平衡，这样的测量结果就没有任何代表性。
        因此重要的一点是尽量减少安装过程中引入的初始水分。为了避免水滴掉落在传感器连接头处，雨天不应进行安装。特别留意不要将灰尘或脏颗粒保留在金属密封件表面，因为也许通过这些颗粒，水分子就会扩散进来，破坏了测量。严重的话会使SF6 气体变湿。传感器室外安装时，防雨罩可以防止水分聚集在连接处，增加水气扩散的可能。

图四是室内系统上的测量数据(露点，压力和温度)，传感器安装位置间图五(2010 年3 月25 日到4 月14 日)

图五：直接安装在设备本体上的露点-压力-温度传感器(DPT145)，测量单元内气体量约为20ml。测量结果显示在图四上。

        由于传感器安装后系统响应时间相当慢，人们不禁要问当SF6 气室内露点开始增加时传感器是如何响应的。即使有气体流动的情况下，决定这种缓慢的初始响应的主导因素是固体物质表面(空隙)的干燥耗费了很多时间，而静止气体中的干燥耗费的时间更长。只有当含有较高湿度的气体从气室向较干燥的测量单元(露点测量点)扩散时，‘干燥耗时现象’影响才小，响应速度相对较快。[page]
        第二个要考虑的因素是大容量SF6 气体中水分以扩散方式造成露点增加是一个缓慢过程，类似于图五的例子说明了系统响应这一点。测量单元总容量为20ml 气体的露点从-20 下降到-40C，当打开气体容器与测量单元间的阀门后水气向主容器扩散，但-20C 露点的水气量绝对值只有0.000015 克。而将主气室500 升的SF6 气体中的露点从-40C 增加到-20C，相当于增加了0.38g 的水分，大约相当于通过密封材料和/或沿着金属表面扩散的水气量，这是一个相当缓慢的扩散过程。
        我们的实验表明：如果测量单元离主气室足够近的话，气室内露点上升后没有很长时间的延迟，则露点传感器就能监测出这种湿度变化。测量点的露点数值是否最终精确等于上升后露点值(100%响应)并不重要，重要的是这种上升趋势能让管理者警觉，采取相应的正确措施。任何快速、剧烈的露点变化一般表明有明显泄漏，不但露点传感器而且压力(密度)传感器也能监测出。

试验室测量
        为了更好地了解运行设备中如果露点开始增加时系统的响应速度，在试验室进行了一系列静止气体中测量工作，在现场不可能有意增加某个气体绝缘设备中的SF6 的水分，而且实际测量的是气室内静止气体。试验是将露点由-45°C 阶跃增大到-20°C 以考察静止气体中水气扩散及系统响应时间。所有试验的配置均显示在图六中测量数据显示在图七上。当露点由-45°C 突然切换到-20°C 后系统响应T(90)为5.5 小时，而且有1 个小时的滞后。这种滞后时间表明了湿气扩散到气室顶端的传感器所花费的时间。为了对比又做了露点从-20°C 下降到-45°C 的试验，这样的系统响应时间为23 个小时。

图六：试验设置：湿度发生器给出2.5 升/分钟流速的气体，其中露点是可设置的。模拟气室容积是10 升。传感器用Dilo DN20 固定在气室上，用计算机记录数据。标准露点仪MBW373LX 冷镜露点仪，连接在气室出气口。

图七 静止气体中露点响应时间 T(90) 是5.5 小时，而由于低压扩散，传感器有一个小时的延迟响应

总结
        为了确保在线监测系统提供稳定可靠、有价值的且具有最小不确定度的露点测量数据，关键点在于露点传感器的安装位置以及实际的安装过程，直接将传感器安装于气室上可获得最佳的测量结果。传感器周围的接头和密封件必须采用高质量的金属材料。传感器安装后达到SF6主气室的露点数值后再进行监测记录才有可能确定是否有通过接头和/或管路扩散进来的多余水气干扰了测量，这样才能确保长期测量的数据可靠、可信，避免任何错误报警。
参考文献
        1. "A Guide to the Measurement of Humidity", by National Physical Laboratory, ISBN 0-904457-24-9, 1996
        2. "IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment", IEEE Std1125-1993
        3. "SF6 Recycling Guide", Cigre Task Force B3.02.01