GIS内SF6气体湿度测量的影响因素及修正方法

王海军

(河北大唐国际王滩发电有限责任公司,河北 唐山 063611)

气体绝缘金属封闭式开关[1](GIS)以SF6气体良好的绝缘性能和灭弧性能被广泛应用于电厂、变电站中[2]。GIS湿度含量的高低对设备的安全可靠工作具有直接的影响,如果SF6气体泄漏导致密度下降或气体中湿度含量超标,GIS就会存在安全隐患,甚至发生事故,因此对GIS中SF6气体湿度含量的监测一直是高压试验的重要组成部分。目前GIS内SF6气体湿度测量广泛使用露点法对水分进行监测,为了使读数准确且稳定,会浪费大量的气体,这不仅会降低设备工作气压,更重要的会造成环境的污染,影响GIS设备的安全、可靠运行。

1 湿度测量的影响因素

1.1 气体管路结构

在湿度测量时,管材应选用内抛光的不锈钢钢管或厚壁聚四氟乙烯管,长度不可太长,系统密封性应好,接头数量尽可能少。测量时根据GIS电气设备气体管路结构确定连接方式和能否带电测量。

目前GIS电气设备SF6气体管路常见的结构如图1所示。

图1 GIS电气设备气体管路结构示意

对图1(a)所示的气体管路结构,测量时可直接与设备检测口连接,无需操作常开阀,并可带电检测,安全可靠性较高;图1(b)所示的气体管路结构,测量时需要打开常闭阀进行测量管路连接,可带电测量,但如果测量次数增加,需要频繁操作常闭阀,可能造成常闭阀密封效果降低,安全可靠性一般;对图1(c)所示的气体管路结构,由于阀门为自密封阀门,需要特制的接口连接到试验仪器,增加接口数量,泄漏SF6气体的概率较高。为保证GIS安全可靠运行,必须在停电的情况下才可以进行测量。

因此,图1(a)所示的气体管路结构既可以保证带电测量又能保证GIS设备的安全稳定运行,同时还能够避免在湿度测量过程中由于气体管路的密封不好而造成对环境的污染。所以,建议在GIS生产和维护过程中将GIS的SF6气体测试管路接口设计或改造成图1(a)的气体管路结构。

1.2 压力

现行标准中用体积比分数表示SF6气体的湿度含量,忽略了压力的影响因素。为了便于分析,不考虑上文所述设备内部构件对水分的吸附作用,设20℃时,2个容器的压力分别是P1=0.5 MPa,P2=0.8 MPa,湿度均为 820 μ L/L。则2个容器换算到0℃的水气压力分别见式(1)、式(2),其中 T1为0℃时容器的绝对温度,取273.2 K,T2为20℃时容器的绝对温度,即为T1+20=293.2 K。

式中 ：P′1、P′2分别为换算到 0 ℃时 2个容器内的水气压力。

0℃时水的饱和蒸气压力为611.2 MPa,显然,容器1内在 0℃时不会出现凝露,而容器2内在0℃时会刚好出现凝露,即在气压不同时,SF6气体相同的湿度并不能代表相同的安全性和可靠度。

1.3 温度

GIS中的水分来源有：新气中固有的残留水分;安装充气过程带入的水分;密封不良导致的水分渗入;设备零部件,特别是环氧树脂、聚四氟乙烯支撑件和拉杆中吸收的水分也会部分释放到GIS中。

GIS内部构件与其中的SF6气体构成被盆式绝缘体分隔成的若干气室,气室内水分为一定值(假定外部水分对设备内无渗透),当温度变化时,气体中的水分会随温度变化而变化。当温度降低时,固体吸附水分,气相水分含量降低;当温度升高时,固体释放水分,气相水分含量升高。这就是温度直接影响湿度测量的原因。

在采用基于露点法的露点仪对SF6气体湿度进行测量时,假定温度为33℃时,所测设备中气体露点为3℃,这只能说明SF6气体在温度为33℃时的绝对水气压为3℃下水的饱和蒸汽气压758 Pa,并不能说明设备中的水分在3℃时就会冷凝,因为容器壁降温的吸附作用,水分在3℃时肯定不会冷凝。所以用露点法测量SF6气体湿度含量的测量值与测量时气体的温度有很大关系,所测露点与在SF6气体通过整体降温所达到的实际凝露点没有直接关系。

2 湿度测量的修正方法

SF6气体的湿度测量受压力和温度的影响,需要对测量值进行计算和修正。

2.1 压力影响的修正

利用气体状态参数方程,可以计算出气体的密度值和修正到20℃的气压值。目前最常见的SF6气体状态参数方程如式(3)所示：

式中：P为压力,MPa;ρ为密度,kg/m3;T为温度,K;根据参考文献[3],系数 A、B分别为：

DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》[4]用20℃的气压来判断SF6高压电气设备气压是否越限。根据P和T,用方程(4)、(5)计算出ρ,把ρ和T=293.2 K代入式(3),可以很方便地计算出20℃时的压力P。

通过上述方法能够很好的解决GIS内SF6气体密度和20℃的气压测量问题,继而能够对常压测量下的SF6气体湿度数据进行修正。

2.2 温度影响的修正

由于温度对GIS内SF6气体的湿度测量具有很大的影响,为了能更准确的判断GIS内湿度是否超标,根据各电厂目前主要开关和断路器设备类型,参考厂家、电科院有关资料,结合其总体特性,并根据近几年电厂实验数据的综合分析,得出以下基于露点的温度分段修正方法。

测试温度在20℃以上时：

测试温度在20℃以下时：

式中：tDP为校正露点值,℃;tDP0为实测露点值,℃;Δ t为以20℃为基准的温度变化值,Δt=20-t,t为实测时的SF6气体温度,℃。

为了验证分段修正法,用式(12)的经验公式[5]进行归一修正,也取得了很好的效果。

式中：H2为20℃时的湿度;H1为水分的实时测量值,μ L/L;P1为测量时SF6气体的压力MPa;P2为根据密度检测原理换算到20℃时的SF6气体压力MPa;P1s为测量时测量温度下的饱和水气压,P2s为20℃时的饱和水气压。

在GIS维护和预防性试验中,用温度分段修正法将GIS内SF6气体湿度测量值修正到20℃情况下的数值,具有一定的工程实际意义。

3 结束语

GIS内SF6气体的湿度测量受压力和温度的影响,测量值的计算和修正往往需要使用测量工况下气体的压力和温度。随着科学技术的发展,利用传感、电子及通信技术,通过在设备本体上安装压力、温度及湿度传感器,不仅可以解决SF6气体湿度含量的在线监测,而且能够精确计算出气体的密度值,监测气体的微量泄漏,所以在线监测将成为GIS内SF6气体监测的发展趋势。

[1] 华东六省一市电机工程(电力)学会.电气设备及其系统[M].北京：中国电力出版社,1999.

[2] 曹云东,王尔智,姜 毅.高压SF6断路器总变差减小方法流场求解研究[J].中国电机工程学报,2001,21(11)：19-23.

[3] 张节容,钱家骊,徐国政,等.高压电器原理和应用[M].北京：清华大学出版社,1989.

[4] DL/T 596-1996,电力设备预防性试验规程[S].

[5] 李泰军.六氟化硫气体密度及微水含量监测的研究[D].武汉：华中科技大学电气学院,2003.