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          SF6氣體水分管理標準的探討及密度與濕度監測的研究

          SF6氣體水分管理標準的探討及密度與濕度監測的研究

          來源:中國電機工程學報 李泰軍,王章啟,張挺  時間:2009-06-01  責任編輯:陳慧平
          標簽:
              

            1 引言

          信息來源:http://tede.cn

            SF6氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能,現階段被廣泛應用于高壓電氣設備中[1-2],在正常工況下,是較為理想的絕緣及滅弧介質。其工作氣壓和微水含量的高低對設備的安全可靠工作具有直接的影響,如果SF6氣體泄漏導致密度下降或氣體中微水含量超標,高壓電氣設備就會存在安全隱患甚至導致事故發生。因此對SF6高壓電氣設備氣體密度和微水含量的監測一直是相關行業對設備監測的一個重要的組成部分。為了使對SF6­氣體的監測變得有章可循,有關部門相繼制定了相關標準對SF6氣體質量、特別是微水含量進行嚴格控制。

          信息來自:輸配電設備網

            電力部推薦標準《電力設備預防性試驗規程(DL/T596-1996)》、國家標準《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則(GB/T 8905-1996)》以及IEEE標準《IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment(IEEE Std 1125-1993)》均對水分控制單一的采取水分對SF6氣體體積比(mL/L)的形式。

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            關于氣體壓力和溫度對水分測量的影響已經被行業內很多專家所接受,根據現場情況和對近幾年國內外文獻檢索發現,只有極少數文章涉及到對SF6氣體微水測量結果的修正,沒有對SF6氣體水分控制標準的廣泛討論。 信息來源:http://www.tede.cn

            本文從對現行SF6氣體水分控制標準的質疑出發,闡述作者對水分控制標準的見解,提出了一種供大家討論的水分控制標準并對之進行了詳細論述。針對目前因溫度對水分吸附影響差異造成的困難,作者認為在線監測相對濕度是一種解決問題的方法,并提出了一種切實可行的氣體在線監測辦法,在實驗室用模擬實驗進行了驗證。

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            2 微水含量控制標準的討論

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            2.1 概述 信息來自:www.tede.cn

            電力部推薦標準《電力設備預防性試驗規程(DL/T596-1996)》是目前電力行業的現行標準[3],其對SF6氣體的水分控制采用20℃時體積比分數表示;國家標準《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則(GB/T 8905-1996)》[4]中關于水分含量的規定與部頒標準一樣,不同的是限定要求比部頒標準有所降低;IEEE標準《IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment(IEEE Std 1125-1993)》[5]細分了各類設備不同的限定值,仍然單一的用體積比分數來表示微水含量的多少,并且溫度的限定在標準中都沒有體現。如果仔細考慮SF6氣壓和測量溫度對微水測量的影響,作者認為國內外現有SF6氣體水分控制標準是值得商榷的。

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            2.2 溫度對微水測量的影響 信息來源:http://tede.cn

            一般SF6電氣設備的水分來源有以下幾個方面:新氣中固有的殘留水分;安裝充氣過程也會將水分帶入SF6氣體;密封不良導致的水分滲入;設備零部件,特別是環氧樹脂、聚四氟乙烯支撐件和拉桿中吸收的水分也會部分釋放到SF6氣體中。據研究表明[5],隨著現在加工工藝的提高,設備密封性能的改善,設備內部零部件向SF6氣體中釋放水分所造成的影響越來越大,成為一個不可忽視的因素。

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            SF6電氣設備內部構件與其中的SF6氣體構成一個系統,整個系統內水分為一定值(假定外部水分對設備內無滲透),當溫度變化時,氣體中的水分會隨溫度變化而變化[6]。固體對氣體中水分的吸附是一個放熱過程,釋放是一個吸熱過程。當溫度降低時,固相吸附水分,氣相內水分降低;當溫度升高時,固相釋放水分,氣相水分升高。這就是溫度直接影響微水測量的原因。 信息來自:輸配電設備網

            溫度對電氣設備內SF6氣體濕度的影響是明顯的,有時夏天測量值是冬天測量值的幾倍以上。如圖1所示,就是體積比分數值一年中隨溫度變化的曲線[5]。根據設備內部構件材料和表面處理的不同,設備內部有不同的吸附特性曲線。

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            在用基于露點法的露點儀對SF6氣體的濕度進行測量時,假設溫度為33℃時,所測某設備中氣體的露點為3℃,這只能說明SF6氣體在溫度為33℃時的絕對水氣壓為3℃下水的飽和蒸汽壓758Pa,并不能說明設備中的水分在3℃時就會冷凝。因為容器壁降溫的吸附作用,在3℃時肯定不會冷凝。所以,用露點法測量SF6氣體微水含量的測量值與測量時氣體的溫度有很大的關系,所測露點與在SF6氣體通過整體降溫所達到的實際凝露(或凝霜)點沒有很直接的關系!

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            以華中局鳳凰山變電站對SF6斷路器所測試的水分含量為例[7](表1),假設SF6氣體的壓力為0.7MPa。鳳01的C1的微水含量最高值達到了2566mL/L,則其水分絕對壓力為

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            P水=2566×0.7=1796.2Pa (1) 信息來自:輸配電設備網

            相當于15.8℃時的水的飽和蒸氣壓力。但是,該斷路器在這種水分下安全運行了幾年,沒有在15.8℃時發生過凝露現象,也沒有發生絕緣閃絡和沿面放電。這在某種程度上也說明了吸附效應積極的一面,同時也說明因為水分吸附原因的存在,所測露點很難真正反映出氣體的真正凝露溫度! 

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            2.3 壓力對微水測量的影響

          信息來源:http://www.tede.cn

            現行標準中用體積比分數表示SF6氣體的微水含量,忽略了壓力的影響因素。為了便于問題分析,不考慮上文所述設備內部構件對水分的吸附作用,設20℃時,兩容器的壓力分別是P1=0.5MPa,P2=0.8MPa,微水含量均為820mL/L。則   信息來源:http://www.tede.cn

           

            式中P1(0℃) 、P2(0℃) 分別表示換算到0℃時兩個容器內水氣壓。

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            0℃時水的飽和蒸氣壓為611.2Pa,顯然,容器一內在0℃時不會出現凝露,而容器二內在0℃時會剛好出現凝露或者已經出現凝露。即在氣壓不同時,SF6氣體相同的微水含量體積比并不能代表相同的安全性和可靠度。

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            也正因為這個原因,才有如圖2所示的壓力-水分含量界限圖。

           

            2.4 對SF6氣體水分控制標準的討論 信息來源:http://tede.cn

            如前所述,相同的水分體積比分數值在不同的氣壓下所反應的氣體水分含量是完全不同的。目前標準中規定的體積比分數不能客觀限定SF6電氣設備中氣體的微水含量及凝露裕度。 信息來自:輸配電設備網

            目前,在工業現場對SF6氣體含水量絕大多數采用露點儀測量氣體中水分含量。采用露點法測量直接反應的是測量壓力下(一般為一個大氣壓)SF6氣體水分的凝露點,即絕對水氣壓。需通過計算得出SF6氣體工作氣壓下的絕對水氣壓,再計算得出其水分含量的體積比分數。這顯然沒有直接用絕對水氣壓表示簡便。并且一定溫度下的絕對水氣壓能直接反應氣體中水分含量的多少,進而反應在這一溫度下的凝露裕度,而用水分的體積比分數反而不能,從這一點來說,在標準中采用體積比分數限定不是很合適。

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            現行標準規定的是20℃時的水分體積比分數值,即必須將測量值修正到20℃。如果不進行修正,則同一臺設備在不同溫度下所測結果毫無比較性。但是因為SF6電氣設備內部構件的材質、結構和表面處理的不同,其對水分的吸附效果是不同的,溫度對氣體中水分含量的影響也會不同。由于設備的個體差異,不能得到一個既萬能又準確的修正方法。所以現行標準中20℃的溫度限定在實施過程中的可行度要打折扣。

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            如果用實時相對濕度(RH%)來表示氣體中的水分含量,則完全可以避免因為SF6氣體氣壓、溫度帶來的影響。首先,氣體在一定溫度下的相對濕度本身就是氣體中絕對水氣壓的反映(絕對水氣壓=相對濕度百分數×該溫度下的飽和水氣壓),能客觀反應氣體中水氣含量多少。其次,相對濕度直接反應的是一種凝露裕度,相對濕度越小,氣體在該溫度附近越不可能凝露。用相對濕度直接避免了濕度修正到20℃帶來的麻煩,F階段傳感技術快速發展,氧化鋁、高分子聚合物等類型的濕度傳感器對相對濕度的直接測量變得越來越容易。 信息來源:http://www.tede.cn

            采用SF6氣體實時相對濕度來控制氣體水分含量有明顯的優點,特別是在在線監測氣體的相對濕度時,可以準確判斷氣體的凝露裕度。但相對濕度也存在其局限,如果采用離線測量,測量結果不能直接預測在氣體發生較大溫度變化后其相對濕度值。所以作者認為修正到20℃時的氣體絕對水氣壓對水分含量進行控制仍然有必要,盡管修正過程會帶來不可避免的誤差。況且20℃時的絕對水氣壓對新氣的出廠、環境溫度為20℃左右的水分含量測量有很好的指導作用。實際上,修正到20℃時的絕對水氣壓也可以用修正到20℃時的相對濕度表示(20℃絕對水氣壓/20℃飽和水氣壓=20℃相對濕度)。

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            以上主要從SF6氣體凝露方面討論了水分控制標準。如果在存在電弧分解物的氣體隔室,必須控制腐蝕性氣體產生量。氣體絕對水氣含量多少和氣體中水分體積比分數均會影響腐蝕性氣體的產生,現在尚需研究這兩者對腐蝕性氣體產生的影響大小。如果相對絕對水氣壓而言,水分體積比分數的影響不可忽略,則標準中仍需要規定水分的體積比分數。否則,則不需規定水分的體積比分數。 信息請登陸:輸配電設備網

            綜合以上分析,作者現提出一種供專家討論的新的標準形式。如表2所示。建議相對濕度運行中小于15%,20℃絕對水氣壓小于350Pa,交接驗收時有所放寬!  信息請登陸:輸配電設備網

           

            3 監測方法研究 信息來自:www.tede.cn

            3.1 概述 信息來自:輸配電設備網

            目前行業內一般不能提供SF6電氣設備內部構件隨溫度變化的吸附特性曲線,一般的微水測量修正方法均存在誤差,通過離線監測SF6氣體的微水含量來準確預測溫度發生較大改變后氣體的電氣性能有一定的困難。 信息來自:輸配電設備網

            另外,采用目前廣泛使用的露點法對水分進行監測,必須嚴格按照儀器所要求的使用規范進行,對操作人員的素質有較高的要求;為了使讀數準確與穩定,必須要浪費大量的氣體,這不僅會降低設備工作氣壓,更嚴重的是會造成環境的污染;SF6氣體電弧副產物不僅會影響測量精度,也會對測量人員的健康造成一定的影響。所以作者認為利用現在的傳感、電子及通信技術,對SF6氣體實行在線監測是一個發展趨勢。

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            SF6氣體的微水測量受壓力和溫度的影響,測量值的計算和修正往往需要使用測量工況下氣體的壓力和溫度。通過在設備本體上安裝壓力、溫度及濕度傳感器,不僅可以解決SF6氣體微水含量的在線監測,而且能夠精確計算出氣體的實時密度值,監測氣體的微量泄漏。通過在線監測氣體的密度值可以及時分析在警戒密度值以上氣體短期內的微量泄漏率,以壓力表和密度繼電器的監測原理和監測精度,是不能達到以上監測效果的。 信息請登陸:輸配電設備網

            3.2 密度監測

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            利用現有在線測量的氣壓值和溫度值,運用氣體的狀態參數方程,可以在在線嵌入式系統中計算出氣體的密度值和修正到20℃時的氣壓值。根據擬合方法和擬合精度的不同,可以得到很多種不同方程次數、不同形式的關系式。目前最常見的SF6氣體狀態參數方程如下[8]  

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            式中 P為壓力,MPa;t為溫度,K;r為密度,kg/m3;系數A、B分別為  
           

            現在行業內仍習慣于用20℃的氣壓來判斷SF6高壓電氣設備是否氣壓越限。根據P和t,用上述方程計算出r,把r和t=293.2k(或20℃)代入式(4),很方便計算出20℃時的壓力P­20℃。

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            實踐證明,用此種方法實現的密度儀能很好解決密度和20℃的氣壓測量問題。

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            3.3 微水含量監測

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            采用氧化鋁、高分子聚合物等類型的濕度傳感器,可以直接測量SF6氣體的相對濕度。采用在線監測,則用相對濕度能實時監測氣體的凝露裕度,可避免壓力和溫度的影響,做到準確監控。

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            如果監測結果要做到可比較性強,也可以利用監測得到的實時溫度值、實時壓力值及20℃時壓力值,采用一些修正公式,利用CPU直接將測量值修正到20℃。這樣也符合實際工況。

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            電力部門綜合目前主要開關設備類型,參考有關資料,結合其總體特性,提出了以下基于露點的溫度分段修正方法。該方法可以用在在線監測的CPU計算中。

           

            式中 tDP為校正露點值,℃;tDP0為實測露點值,℃;Dt為以20℃為基準的溫度變化值,Dt=20-t,t為實測時SF6氣體溫度,℃。 信息來源:http://www.tede.cn

            筆者嘗試用如下經驗公式[9]進行歸一修正,也取得了很好的效果! 

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            式中 H2為20℃時的微水體積比,H1為水分的實時測量值,mL/L;P1為測量時SF6氣體的壓力;P2為根據密度檢測原理換算到20℃時的SF6氣體壓力;P1s為測量時測量溫度下的飽和水氣壓,P2s為20℃時的飽和水氣壓。

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            在必須修正到20℃時的情況下,用以上的修正公式,具有一定的工程實際意義。 信息請登陸:輸配電設備網

            4 在線監測實驗驗證與分析

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            為了驗證SF6氣體在線監測的可行性,作者在實驗室用監測SF6氣體的絕對壓力P、絕對溫度T和相對濕度的方法,利用單片機實時計算出20℃壓力P20℃、密度r、實時水分體積比分數Hr。用修正公式(7)修正到20℃時的體積比分數H20℃。分別在夏天和冬天做了兩組試驗,并模擬了SF6氣腔降溫漏氣的過程。 信息來自:輸配電設備網

            第1組實驗:被測氣室溫度從室溫開始緩慢上升,上升速率約5℃/h,圖3是根據該次實驗數據擬合的實驗曲線! 

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             曲線分析:

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            (1)在溫度從23℃上升到55℃的過程中,利用SF6氣體狀態參數方程能很準確地計算出氣體的密度,進而換算出20℃時的氣體壓力。 信息來自:輸配電設備網

            (2)在溫度升高的過程中,氣體的實時濕度體積比Hr明顯增加,但是用以上所介紹的濕度歸一計算公式(式(7)),把實時濕度換算到20℃時的濕度值,其濕度在可以接受的范圍內保持不變,與實際20℃左右時的濕度持平。這說明濕度歸一修正的合理性。

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            第2組實驗:被測氣體溫度從50℃開始下降,實驗模擬了氣室漏氣的過程。溫度降低速度約8℃/ h。圖4是該次實驗數據擬合的曲線。

           

            曲線分析: 信息請登陸:輸配電設備網

            (1)在有人為制造漏氣點的試驗中,改變溫度,試驗所測實時壓力、溫度和密度嚴格按照SF6氣體參數狀態曲線移動。證明密度計算及壓力換算在大范圍內的可靠性和用密度或者P20℃作為氣體是否泄漏的判據的直觀性。

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            (2)在漏氣和降溫過程中,由于濕度的吸附作用大于外部水分滲入作用,實時濕度逐步下降;但由于漏點明顯存在,外部水氣壓明顯高于內部水氣壓,所以實際上歸一修正到20℃時,濕度有所上升。試驗驗證了這一點。說明實時濕度體積比的欺騙性和H20℃的相對客觀性。

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            (3)由于溫度進一步降低而接近室溫,氣體溫度下降變慢,每下降1℃所需時間增加,所以H20℃上升斜率明顯增大,密度和壓力下降得更加陡峭。 信息來自:輸配電設備網

            實驗結論:

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            以上兩個試驗均能說明在線監測中密度計算以及壓力換算到20℃是切實可行的,其監測結果不僅可以分析SF6氣體的泄漏,還能幫助進行濕度計算分析。在線的實時相對濕度監測具有很大的優越性,在采用相應的修正公式,計算20℃時的水分體積比分數值方面,在線監測也具有很大的優勢。 信息來自:輸配電設備網

            對于濕度換算,式(7)只是一種溫度小范圍內變化的經驗公式,試驗證明在工程上具有實用價值。很顯然,吸附效應與氣室內壁材料和溫度變化范圍關系緊密,建議廠家能在試驗的基礎上,提供相應的校正曲線和校正公式,以進一步提高濕度換算的精度。 信息來自:www.tede.cn

            5 總結

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            本文著重討論了SF6氣體的水分控制標準,對現行水分控制標準進行了質疑,提出了作者對水分控制標準新的看法。溫度對水分含量測量值的影響是目前水分控制的難點,SF6電氣設備內部構件對水分吸附特性使測量結果的可比較性較差,用在線監測的方式,實時監測氣體實時相對濕度值可以部分解決這一問題,F在的傳感、電子及通信技術使對SF6氣體泄漏和水分含量的監測變得越來越有優勢。目前本領域亟待解決的問題有兩個方面:一方面是需要對設備內部構件的吸附機理進行認真研究,要分析不同材料、不同溫度條件下對水分吸附的差異,認真研究水分的吸附效應的負面影響和積極的一面;另一方面是設備制造廠家需研究設備內部構件的表面處理技術,在實驗的基礎上為用戶提供產品在不同溫度下的水分吸附特性曲線,為設備的水分監測提供依據,讓設備的水分管理更加科學準確。

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            參考文獻

          信息來自:www.tede.cn

            [1] 馬志瀛,陳曉寧,徐黎明,等(Ma Zhiying,Chen Xiaoning,Xu Liming,et al).超高壓SF6斷路器的智能操作(The intelligent operation of EHV SF6 circuit breaker)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the csee),1999,19(7):11-14.

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            [2] 曹云東,王爾智,姜毅(Cao Yundong,Wang Er’zhi,Jiang Yi).高壓SF6斷路器總變差減小方法流場求解研究(Investigation on flow field computing of high voltage SF6 circuit breaker using the total variation diminishing scheme)[J].中國電機工程學報(Proceedings of the csee),2001,21(11):19-23. 信息來自:www.tede.cn

            [3] DL/T596-1996,電力設備預防性試驗規程(Regulations for testing of power equipments)[S].

          信息請登陸:輸配電設備網

            [4] GB/T 8905-1996,六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則(State Guide of management and inspection for gas in SF6 Gas-Insulated Equipment)[S]. 信息來自:輸配電設備網

            [5] EEE Std 1125-1993,IEEE Guide for Moisture Measurement and Control in SF6 Gas-Insulated Equipment [S]. 信息請登陸:輸配電設備網

            [6] Chu F Y,Braun J M,Stuckless H A.Generation and effects of low level arcing by-products in gas-insulated equipment[A].Gaseous Dielectrics IV,Proceedings of the Fourth International Symposium on Gaseous Dielectrics[C].New York:Pergamon Press,1984.

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            [7] 劉文浩(Liu Wenhao).綜述FA系列500kVSF6斷路器的運行檢修(Summarize the examination and repair of FA series 500kV SF6­ breakers)[J].高壓電器技術(High Voltage Apparatus Technology),2002,(3):32-39.

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            [8] 張節容,錢家驪,徐國政,等.高壓電器原理和應用[M].北京:清華大學出版社,1989.

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