SF6氣體濕度表示方法的相互轉換及其溫度折算的Matlab實現

潘 瑩

(國網上海市電力公司市南供電公司，上海 201100)

SF6氣體濕度表示方法的相互轉換及其溫度折算的Matlab實現

潘 瑩

(國網上海市電力公司市南供電公司，上海 201100)

SF6氣體濕度是衡量電氣設備絕緣氣體質量的重要指標之一。概述了氣體濕度的幾種表示方法和測試方法，重點強調了表示方法中露點(℃)與體積分數(μL/L)之間的關系，并通過Matlab實現二者的數學換算，利用Matlab二維插值擬合功能實現了氣體濕度的溫度修正，通過GUIDE建立了SF6氣體濕度測量結果修正的一鍵式計算軟件。

電氣設備絕緣氣體質量；氣體濕度；SF6氣體濕度

SF6氣體質量對于GIS的安全穩定運行非常重要。其中，水分含量高不僅會造成設備內部容易結露，還可促進低氟化合物等其他分解物的水解等[1-4]，是影響SF6氣體質量一個非常重要的因素。因此，《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》(GB/T 8905—2012)、《電力設備預防性試驗規程》(DL/T 596—1996)和《1 000 kV電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗規程》(Q/GDW 310—2009)都對安裝、大修后的設備氣室內的濕度(20 ℃)有嚴格規定：滅弧室小于150 μL/L，非滅弧室小于250 μL/L；而《輸變電設備狀態檢修試驗規程》(Q/GDW 1168—2013)和《運行電氣設備中六氟化硫氣體質量監督與管理規定》(Q/GDW 471—2010)對帶電設備氣室內的濕度(20℃)有如下規定：滅弧室小于300 μL/L，非滅弧室小于500 μL/L。《六氟化硫電氣設備中絕緣氣體濕度測量方法》(DL/T 506—2007)以及文獻[5,6]中提出：環境溫度對設備中氣體濕度有明顯影響，測量結果應折算到20℃、101.3 kPa時的數值，如設備生產廠提供折算曲線或圖表，可采用廠家的資料進行折算，如若未提供，則推薦使用該標準附錄C折算表。

變電站內GIS設備的氣室數量眾多，在進行SF6氣體濕度的帶電檢測或定期預試時，需要對所測結果進行溫度校正。目前，一些儀器可進行自動折算，但均根據擬合公式得到，未采用標準推薦的查表法。而如果通過查表則工作量較大且繁瑣。利用數據處理軟件Matlab實現氣體水分含量的自動轉換不但可減輕工作量，還有利于設備中濕度檢測結果的準確判斷。本工作在實現幾種濕度表示方法公式折算的基礎之上，利用Matlab的計算替代人工查表的折算方式，實現高效準確的檢測結果分析。

1 濕度的表示方法

濕度是指氣體中的水汽含量，主要有水蒸氣分壓、飽和水蒸汽壓、露點溫度、質量分數、體積分數、絕對濕度、相對濕度等表示方法。

水蒸汽分壓力表示的是濕氣(體積為V，溫度為T)中的水蒸汽于相同V、T條件下單獨存在時的壓力，即混合氣中水蒸氣所形成的壓力。

在固—氣或液—氣兩相中，當蒸發(升華)速度等于凝結(凝華)速度時，體系達到動態平衡，即飽和，此時的水蒸汽分壓稱為飽和水蒸汽壓，它是溫度的單值函數，隨溫度的升高而增大，它反映了某一溫度下，體系中濕度所能達到的最大值。

人為降低體系溫度，該體系的飽和蒸汽壓分壓也隨之減小，當溫度降低到一定值時，體系中水蒸氣分壓在低溫狀態下達到飽和，即濕度達到最大值，氣體中的水分就會以露或者霜的形式析出，該溫度稱為露點溫度。

體積分數和質量分數均以“百萬分之一”為單位，表示的水汽與其共存的干氣的體積和質量之比值。

絕對濕度亦稱為水汽濃度和水汽密度，定義是濕氣中的水汽質量與濕氣總體積之比。

相對濕度也是常用的濕度表示方法。壓力為P、溫度為T的濕氣的相對濕度，是指給定的濕氣中，水汽的摩爾分數與同一溫度T和壓力P下純水表面的飽和水汽的摩爾分數之比。

目前用于電力行業SF6濕度測試的方法主要有電解法、鏡面法、阻容法三種。表1為這三種方法的簡單對比。通過表1的對比可知，鏡面法的濕度的測試輸出方式為露點，其他兩種方法的輸出方式為體積分數。

表1 三種SF6濕度測量方法的比較

2 測量結果的相互轉換

我國現行標準中規定對于SF6電氣設備氣室內的濕度使用體積分數表示，因此，有必要在不同的表示方法之間建立數學換算公式。實際測試工作中常用儀器的輸出方式為體積分數與露點，所以，本工作特指露點與體積分數之間的轉換。《氣體中微量水分測定——露點法》(GB/T 5832.2—2008)提出了露點換算為體積分數的計算公式和計算值表：

(1)

式中pW——出露溫度下冰的飽和蒸汽壓，該公式將露點與體積分數的關系轉換成飽和蒸汽壓與露點溫度之間的關系。

對于飽和水蒸氣壓與溫度之間的關系，國際上公認最準確的水汽壓公式是1947年國際氣象組織發布的Goff-Grattch飽和水汽壓方程以及1983年美國氣象局發表的Wexler-Greenspan水汽壓公式，DL/T 506—2007中附錄B也列出了過冷水和冰面上的飽和水蒸氣壓，該表根據IAPWS參照90國際溫標(ITS-90)于1993年發布的方程計算得到，鑒于此，本工作也借鑒該方程：

(2)

(3)

(4)

P*=611.657 Pa,T*=273.16

a1=-21.214 400 6，a2=27.320 381 9，a3=-6.105 981 30，b1=0.003 333 333 33，b2=1.206 666 67，b3=1.703 333 33

其中，P*和T*表示水在三相平衡點時的飽和蒸汽壓和溫度，K，a1、a2、a3、b1、b2、b3均為常數。

通過Matlab實現上述方程的程序編制，并對露點轉換為體積分數后的結果的準確性進行驗證。

通過程序的運行可得到露點—μL/L換算曲線，如圖1所示。選取其中幾組有代表性的計算值見表2。該轉換公式的計算結果與《氣體中微量水分測定——露點法》附錄表A的誤差很小，所以該換算結果可信。

圖1 Matlab實現的露點—μL/L換算曲線

表2 有代表性的幾組換算結果 μL/L

3 折算表的Matlab實現

DL/T 506—2007中折算表的溫度范圍為15～35℃，濕度值范圍是50～1 500 μL/L。該折算表的使用是：當折算值可直接從表中查出，即為折算值；否則可采用線性插值法，計算求值。這種使用方法在數值計算中可采用Matlab中的二維插值實現自動計算。具體程序如下：

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

Z=interp2(x,y,z,T,V');

其中z為附錄C中所有折算值R(μL/L)，由于數據庫內容太多，在此省略；T為測試環境的溫度，V為經換算或直接測試的水分含量(μL/L)，Z為經查表折算后的濕度值。

4 換算軟件的Matlab實現

4.1 Matlab程序界面設計

通過Matlab提供的GUIDE創建用戶界面，如圖2所示，其中Dewpoint表示露點法，Sensor表示阻容法，Temperature表示環境溫度，Test result表示測試結果。

圖2 換算軟件的實現界面

4.2 換算軟件程序的編制

使用M語言編制以下程序，可實現換算軟件的計算，具體如下：

function radiobutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.radiobutton1,'value',1)

set(handles.radiobutton2,'value',0)

function radiobutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.radiobutton1,'value',0)

set(handles.radiobutton2,'value',1)

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

T=str2num(get(handles.edit1,'string'));

W=str2num(get(handles.edit2,'string'));

rbone=get(handles.radiobutton1,'value')

rbtwo=get(handles.radiobutton2,'value')

if rbtwo==1

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

R=interp2(x,y,z,T,W')

else

t=W+273.16;

x=t/273.16;

y=log(611.657)+1/x*(-21.2144006*x^0.00333333333+27.3203819*x^1.20666667-6.10598130*x^1.70333333);

P=exp(y);

R1=P*10000/1013

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

R=interp2(x,y,z,T,R1');

end

set(handles.text4,'string',num2str(R));

4.3 換算結果的準確性

分別針對不同測試方法得到的測試結果進行換算，選取了皖電東送滬西站GIS兩個氣室中的數據，具體如圖3以及表3所示，結合圖3和表3可知，該計算軟件的計算結果與人工查表的結果一致，表明該軟件可以替代在日常工作中的人工查表方法。

圖3 換算軟件計算結果圖

表3 換算軟件計算結果表

5 結語

通過Matlab的程序編制，實現了SF6氣體濕度露點法測試結果換算成體積分數，便于檢測結果分析；以及濕度的溫度查表折算法的一鍵式換算，可提高SF6氣體絕緣電氣設備濕度測試的工作效率。

[1] 黎斌，沈棟良，楊潔. SF6的溫度與濕度及其對產品絕緣性能的影響[J]. 高壓電器, 2010(1): 97-98.

LI Bin, SHEN Dongliang, YANG Jie. Influence of environmental temperature and humidity of sf6 on insulating properties of SF6 circuit breaker[J].High Voltage Apparatus,2010,46(1).

[2]李義倉，王宏. 水分對SF6電氣設備的影響和濕度測量的影響因素分析[J]. 陜西電力, 2007(3): 25-28.

LI Yicang, WANG Hong. Influence of moisture on SF6 gas insulated equipment and analysis of affecting factors for humidity measurement[J]. Shanxi Electric Power,2007,35(3):25-28.

[3]李剛，朱革蘭. SF6電器設備中水分控制及濕度超標處理[J]. 高壓電器, 2006(2): 139-141.

LI Gang, ZHU Gelan. Moisture control and humidity overproof treatment in SF6 high voltage apparatus[J].High Voltage Apparatus,2006,42(2):139-141

[4]黎斌. 再論SF6氣體濕度的監控與限值[J]. 高壓電器, 2006(2):109-112.

LI Bin. Further Discussion on monitoring and threshold of moisture in SF6 gas[J].High Voltage Apparatus,2006,42(2):109-112,115

[5]王海軍. GIS內SF6氣體濕度測量的影響因素及修正方法[J]. 河北電力技術, 2010(1):28-29.

WANG Haijun. Influence factors and revision methods of GIS SF6 humidity monitoring[J]．Hebei Electric Power，2010 (1)：28-29．

[6]李怡輝. SF6氣體濕度超標處理及測試影響因素[J]. 新疆電力技術, 2009(2):45-47.

[7]李義倉. 基于飽和水蒸汽壓公式的SF6氣體絕緣的評價[J]. 華中電力, 2007(1): 65-67.

LI Yicang. The evaluation of SF6 gas insulated based on saturated water vapor pressure formula[J]. Central China Electric Power,2007,20(1):65-67.

InterconversionofSF6GasHumidityDefinitionsandItsTemperatureConversionMatlabRealization

PAN Ying

(State Grid Shinan Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201100, China)

SF6gas humidity is one of the important indicators to measure the insulation gas quality in electric equipment. This paper outlines several definitions and testing methods of gas humidity, highlights the relationship between the dew point (℃) and the volume fraction (μL/L) , and realizes the conversion between the two factors by Matlab. The SF6gas humidity is calibrated with the gas temperature by using Matlab interpolation, and the software of SF6gas humidity calibration is established by GUIDE.

insulation gas quality in electric equipment; gas humidity; SF6gas humidity

10.11973/dlyny201705034

潘 瑩(1988—)，女，碩士，工程師，主要從事配電網設備運維、管理與狀態評估工作。

X701.2

A

2095-1256(2017)05-0634-04

2017-08-18

(本文編輯：楊林青)