GIS內SF6氣體濕度測量的影響因素及修正方法

王海軍

(河北大唐國際王灘發電有限責任公司,河北 唐山 063611)

氣體絕緣金屬封閉式開關[1](GIS)以SF6氣體良好的絕緣性能和滅弧性能被廣泛應用于電廠、變電站中[2]。GIS濕度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濕度含量超標,GIS就會存在安全隱患,甚至發生事故,因此對GIS中SF6氣體濕度含量的監測一直是高壓試驗的重要組成部分。目前GIS內SF6氣體濕度測量廣泛使用露點法對水分進行監測,為了使讀數準確且穩定,會浪費大量的氣體,這不僅會降低設備工作氣壓,更重要的會造成環境的污染,影響GIS設備的安全、可靠運行。

1 濕度測量的影響因素

1.1 氣體管路結構

在濕度測量時,管材應選用內拋光的不銹鋼鋼管或厚壁聚四氟乙烯管,長度不可太長,系統密封性應好,接頭數量盡可能少。測量時根據GIS電氣設備氣體管路結構確定連接方式和能否帶電測量。

目前GIS電氣設備SF6氣體管路常見的結構如圖1所示。

圖1 GIS電氣設備氣體管路結構示意

對圖1(a)所示的氣體管路結構,測量時可直接與設備檢測口連接,無需操作常開閥,并可帶電檢測,安全可靠性較高;圖1(b)所示的氣體管路結構,測量時需要打開常閉閥進行測量管路連接,可帶電測量,但如果測量次數增加,需要頻繁操作常閉閥,可能造成常閉閥密封效果降低,安全可靠性一般;對圖1(c)所示的氣體管路結構,由于閥門為自密封閥門,需要特制的接口連接到試驗儀器,增加接口數量,泄漏SF6氣體的概率較高。為保證GIS安全可靠運行,必須在停電的情況下才可以進行測量。

因此,圖1(a)所示的氣體管路結構既可以保證帶電測量又能保證GIS設備的安全穩定運行,同時還能夠避免在濕度測量過程中由于氣體管路的密封不好而造成對環境的污染。所以,建議在GIS生產和維護過程中將GIS的SF6氣體測試管路接口設計或改造成圖1(a)的氣體管路結構。

1.2 壓力

現行標準中用體積比分數表示SF6氣體的濕度含量,忽略了壓力的影響因素。為了便于分析,不考慮上文所述設備內部構件對水分的吸附作用,設20℃時,2個容器的壓力分別是P1=0.5 MPa,P2=0.8 MPa,濕度均為 820 μ L/L。則2個容器換算到0℃的水氣壓力分別見式(1)、式(2),其中 T1為0℃時容器的絕對溫度,取273.2 K,T2為20℃時容器的絕對溫度,即為T1+20=293.2 K。

式中 ：P′1、P′2分別為換算到 0 ℃時 2個容器內的水氣壓力。

0℃時水的飽和蒸氣壓力為611.2 MPa,顯然,容器1內在 0℃時不會出現凝露,而容器2內在0℃時會剛好出現凝露,即在氣壓不同時,SF6氣體相同的濕度并不能代表相同的安全性和可靠度。

1.3 溫度

GIS中的水分來源有：新氣中固有的殘留水分;安裝充氣過程帶入的水分;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GIS中。

GIS內部構件與其中的SF6氣體構成被盆式絕緣體分隔成的若干氣室,氣室內水分為一定值(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。當溫度降低時,固體吸附水分,氣相水分含量降低;當溫度升高時,固體釋放水分,氣相水分含量升高。這就是溫度直接影響濕度測量的原因。

在采用基于露點法的露點儀對SF6氣體濕度進行測量時,假定溫度為33℃時,所測設備中氣體露點為3℃,這只能說明SF6氣體在溫度為33℃時的絕對水氣壓為3℃下水的飽和蒸汽氣壓758 Pa,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,水分在3℃時肯定不會冷凝。所以用露點法測量SF6氣體濕度含量的測量值與測量時氣體的溫度有很大關系,所測露點與在SF6氣體通過整體降溫所達到的實際凝露點沒有直接關系。

2 濕度測量的修正方法

SF6氣體的濕度測量受壓力和溫度的影響,需要對測量值進行計算和修正。

2.1 壓力影響的修正

利用氣體狀態參數方程,可以計算出氣體的密度值和修正到20℃的氣壓值。目前最常見的SF6氣體狀態參數方程如式(3)所示：

式中：P為壓力,MPa;ρ為密度,kg/m3;T為溫度,K;根據參考文獻[3],系數 A、B分別為：

DL/T 596-1996《電力設備預防性試驗規程》[4]用20℃的氣壓來判斷SF6高壓電氣設備氣壓是否越限。根據P和T,用方程(4)、(5)計算出ρ,把ρ和T=293.2 K代入式(3),可以很方便地計算出20℃時的壓力P。

通過上述方法能夠很好的解決GIS內SF6氣體密度和20℃的氣壓測量問題,繼而能夠對常壓測量下的SF6氣體濕度數據進行修正。

2.2 溫度影響的修正

由于溫度對GIS內SF6氣體的濕度測量具有很大的影響,為了能更準確的判斷GIS內濕度是否超標,根據各電廠目前主要開關和斷路器設備類型,參考廠家、電科院有關資料,結合其總體特性,并根據近幾年電廠實驗數據的綜合分析,得出以下基于露點的溫度分段修正方法。

測試溫度在20℃以上時：

測試溫度在20℃以下時：

式中：tDP為校正露點值,℃;tDP0為實測露點值,℃;Δ t為以20℃為基準的溫度變化值,Δt=20-t,t為實測時的SF6氣體溫度,℃。

為了驗證分段修正法,用式(12)的經驗公式[5]進行歸一修正,也取得了很好的效果。

式中：H2為20℃時的濕度;H1為水分的實時測量值,μ L/L;P1為測量時SF6氣體的壓力MPa;P2為根據密度檢測原理換算到20℃時的SF6氣體壓力MPa;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。

在GIS維護和預防性試驗中,用溫度分段修正法將GIS內SF6氣體濕度測量值修正到20℃情況下的數值,具有一定的工程實際意義。

3 結束語

GIS內SF6氣體的濕度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。隨著科學技術的發展,利用傳感、電子及通信技術,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氣體濕度含量的在線監測,而且能夠精確計算出氣體的密度值,監測氣體的微量泄漏,所以在線監測將成為GIS內SF6氣體監測的發展趨勢。

[1] 華東六省一市電機工程(電力)學會.電氣設備及其系統[M].北京：中國電力出版社,1999.

[2] 曹云東,王爾智,姜 毅.高壓SF6斷路器總變差減小方法流場求解研究[J].中國電機工程學報,2001,21(11)：19-23.

[3] 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.

[4] DL/T 596-1996,電力設備預防性試驗規程[S].

[5] 李泰軍.六氟化硫氣體密度及微水含量監測的研究[D].武漢：華中科技大學電氣學院,2003.