六氟化硫電氣設(shè)備在線露點測量

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，水分子還是有很強的侵入能力，特別是長期運行后的高壓電氣設(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)備維護和管理者真實提供了想要得到的且有價值的測量數(shù)據(jù)。此外如果地處偏遠地區(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(shè)備(GIE)的總壓力就是系統(tǒng)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(yīng)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(shù)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(shù)，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(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。但露點卻與壓力有很強的相關(guān)性，因此很關(guān)鍵的一點是確保測量點的壓力與主氣流(即系統(tǒng))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(yīng)的露點值

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。這種擴散效應(yīng)非常緩慢，對于大容量氣體可以忽略不計。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，特別是這種擴散發(fā)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(huán)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(tǒng)中的水蒸氣壓力和露點不是一成不變的，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，這是因為固氣兩個狀態(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值也越大
圖三是2010 年秋季在線安裝的露點測量結(jié)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。