SF6湿度测量的 露点法和那种方法

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SF6湿度测量露点的方法：

作为优良的绝缘和灭弧介质，六氟化硫（SF6）气体在高压电气设备中得到了广泛的应用。为保证设备的安全运行和工作人员的人身安全，按规定必须对SF6气体中的杂质含量进行相应的检测，而湿度（或称微量水分）测量就是其中最为重要的一项。由于湿度测量，特别是微量范围内的测量，受干扰因素较多，是世界公认的难题，而SF6气体的湿度测量更受到现场诸多条件的限制，常常难以得出准确的结果。根据多年从事六氟化硫湿度测量以及与国内同行交流合作中所积累的经验写成此文，以期对从事该项工作的监督检测人员提供参考。

1 测试仪器
六氟化硫气体湿度测量中使用的仪器，依据其工作原理的不同，通常有三种类型：电解式湿度仪、露点仪和阻容式湿度仪。
1．1 电解式湿度仪
电解式湿度仪采用库仑法测量气体中微量水分，其定量基础为法拉第电解定律。当被测气体以一定流量流经电解池时，气体中的微量水分将全部被P2O5膜层吸收，并被全部电解。当吸收和电解过程达到平衡时，电解电流正比于气体中的水分含量。从而可通过测量电解电流，得知气样中的含水量。
在结构上，电解式湿度仪增加了“旁通”气路，用好旁通对快速准确的测量是至关重要的。通常取样口、接头、管道内壁都会吸附一定量水分，因此取样时最先流出的部分气体的含水量较高，这些水分如果全部进入电解池，就会被吸湿性极强的P2O5膜吸收，而电解的速度是有限的，则会导致吸收———电解平衡受到破坏，使电解池受潮，需要较长的时间重新建立平衡，从而降低测量工作的效率，也增加了被测气体的消耗。旁通可使这部分气体绝大部分不经电解池而被排掉，从而保护了电解池。在测试开始时，应只保留很小的测试流量，开大旁通流量，待估计气体湿度已稳定后，再逐步增加测试流量，同时密切注意仪器示值，不使示值发生较大的突变。这样操作可使仪器始终保持近似的吸收———电解平衡，直到测试流量达到规定的值，此时可减小甚至关闭旁通流量以减少被测气体的消耗。通过这样的方法可快速准确地得到测量结果，同时也节约了被测气体。
1．2 露点仪
露点仪是最准确的湿度测量仪器，但同时也是最“娇贵”的仪器。通常使用的自动露点仪操作虽然简单，但极易受到各种干扰因素的影响，而不能得到正确的结果。
1．2．1 低湿测量
对于露点仪来说，越低的湿度越难以测量。一方面是因为测量低湿度气体时需要较大的制冷功率和较长的制冷时间；另一方面，由于低湿度气体中水蒸气含量很少，而仪器的冷镜面上需要收集到足够多的水分子才能建立和气相平衡的稳定霜层，这一过程需要足够长的时间和足够多的被测气体。在这种情况下，仪器会指示已结露，其示值会以极慢的速度上升，有时会使测试人员误以为已达稳定状态而读数，因而造成较大的测试误差。遇到这种情况时应注意分辨。以常用的DP9、DP19露点仪为例，在这种状态下，其出露指示器的指针虽已到达绿区，但未过中线，和正常状态下指针偏向左侧的情况是有所不同的。另外，正常情况下露点仪的示值变化呈阻尼振荡并最终稳定的形式，仔细观察测量过程中仪器读数的变化也可正确区分不同的状态。
某些露点仪增加了低湿测量时的快速稳定装置，例如DP19的“ORIS”装置。其基本原理是当镜面温度降到预先设定的值而尚未结露的话，则仪器自动向测量室注入一小股湿气，使镜面快速结露，从而缩短建立平衡的时间。预设温度可通过估计待测气体的湿度来确定，对DP19通常可选－40℃或－50℃。正确使用该装置可有效缩短测量时间。但该装置的使用也受到诸多因素的制约，在某些情况下反而会产生震荡，使测量失败。此时，必须使该装置退出运行。
1．2．2 温度的影响
由于露点仪是通过冷却镜面使水蒸气凝露来测量气体湿度的，环境温度的高低必然影响到制冷的效果。对于大多数测量下限为－60℃的露点仪，如DP9、DP19，在炎热的夏季环境温度很高时测量湿度较低的气体，有可能出现仪器的制冷量达不到要求的情况，即镜面温度已无法再下降，但却始终没有结露。这种情况下，根据理论分析和DP系列说明书的推荐，可采用提高测量室内的气体压力，从而升高露点，最后再进行换算的方法。但实践证明，该法并不总是可行，大多数情况下仪器示值反复振荡，不能得到稳定值。其原因可能是因为升高压力后，SF6气体液化温度随之上升，测量过程中SF6气体在镜面上液化从而干扰测定。
另外，实践中还发现，DP9、DP19露点仪在高温下可能会发生失控的现象。其表现是测量过程中，仪器示值突然迅速上升，最终可能稳定于一个明显高于气体真实露点的数值。若不了解这一点，则可能将该虚假读数作为测量结果。例如，自贡电业局用DP19对一台开关进行测试时发现读数为－20℃左右，与一周前的测试值约－40℃相差很大，经现场察看仪器读数变化情况，确认是仪器失控所至。于是将仪器放在空调汽车内重新测量，得到了正确的读数。在露点仪受高温影响无法正常工作的情况下，目前最好的办法是避开高温天气，如趁早晚较凉爽时进行测试，或换用其它类型的测试仪器。
1．2．3 SF6气体凝华的影响
在测量低湿度SF6气体，特别是SF6新气时，应注意控制降温范围，不使镜面温度低于－63．8℃。因该温度是SF6气体的升华点，如镜面温度低于该值，SF6气体则会在镜面上固化。该固化物和水蒸气凝结成的霜可能会形成一种混合物，在温度上升到高于其升华点以后并不消失，从而对测量结果造成较大的负误差。在一次典型的测量中，读数偏低5℃左右。
1．2．4 盐类的影响
必须小心不使盐类进入露点仪的取样管和测量室，如海边地区空气中的盐分、操作人员的汗水等。因为每种盐溶液都有其特定的蒸气压，若盐类溶解于镜面的露中，则会改变两相的平衡状态，造成测量误差。
1．3 阻容式湿度仪
阻容式湿度仪是利用湿敏元件的电阻值或电容值随气体湿度的变化而按一定规律变化的特性进行湿度测量的。常用的湿敏元件有氧化铝元件和高分子薄膜元件两种，前者以PANAMETRICS为代表，后者以VAISALA为代表。这类仪器使用方便、测量范围宽、相应快，但其主要缺点是准确度较差。由于其传感器电参量和气体湿度之间的关系曲线会随时间和仪器的使用而变化，因此此类仪器需要经常标定才能保证测量准确。氧化铝湿敏元件是非线性元件，需多点标定才能保证在其测量范围内的每一段都具有相应的准确性。高分子薄膜湿敏元件可看作线性元件，理论上只需两点标定。VAISALA最新的DMT242P仪器采用专利技术，在每次开机时通过加热探头改变相应的饱和蒸气压的办法来校正响应曲线的截距，其稳定性得到了很大的提高，但仍需定期用标准源校正其完整的响应曲线。
2 环境条件
2．1 环境温度
有关气体湿度测试中的温度修正问题，早在1990年国内已经提出并进行过讨论和研究。对同一密封完好的气室的测试表明，当环境温度高时，所测得的气体湿度相应也较高；温度低时，气体湿度相应也较低。造成这种现象的原因，主要是气体中的水分和吸附在固体材料（金属、绝缘材料、吸附剂等）表面的水分之间的吸附和蒸发平衡。温度低时，较多的水分吸附在固体材料表面，气相中的水分相对较少；温度升高时，更多的水分进入气相，使气体湿度增大。
为消除温度的影响，有关标准规定的湿度指标均指20℃时的值。为了数据的可比性，要求湿度测试也应尽可能在20℃的条件下进行。若测试环境温度偏离20℃，就需要进行修正。但目前并没有通用的修正公式或曲线。通常认为，温度对气体湿度的影响虽然其增减变化的趋势是一致的，但具体数值因设备结构的不同而有所不同，是否能找到通用的修正方法很难说。国外设备制造厂家通常提供了各自的修正方法。如ABB公司采用直线修正公式，即当环境温度超过20℃时，按每℃加－0．5℃露点校正；AL－STHOM公司和MG公司采用湿度———温度控制曲线或关系曲线，如图1、2所示。

国内电力行业有关单位对此问题也进行了大量研究，并提出了一些修正方法。例如，山东电力试验研究所推导出下列公式：

式中x1———测试温度下的湿度，μL／L；
x2———修正至20℃时的湿度， μL／L；
ps1———测试温度下的饱和水蒸气压，Pa；
ps2———20℃时的饱和水蒸气压，Pa；
T1———测试温度，K；
T2———20℃，293K。
湖北超高压局对平顶山开关厂生产的FA4－550断路器进行了研究，提出了分段修正的办法：在20℃以上，其修正方法和ABB法相同。湖南电力试验研究所则提出了LW7－220型断路器的湿度———温度修正曲线，如图3。

表1是以灭弧室气体湿度的交接验收标准（150μL／L，20℃）为例，对几种不同的修正方法作的比较。从中可看出不同来源、针对不同厂家和类型设备的各种修正方法，其修正程度有相近之处，也有差异很大的地方。

2．2 环境湿度
SF6湿度测试是在封闭条件下进行的，理论上环境湿度不影响测试结果。但环境湿度过大，对取样接头、管道和仪器的干燥处理不利，同时对测试系统的密封也要求得更为严格。通常不应在环境湿度过大的情况下测试，特殊情况下确有必要时，一定要严格检查取样管道的密封情况。
3 被测设备
被测设备本身的状况也是必须加以考虑的因素之一。由于被测设备内部结构的复杂性，由设备内取 出的SF6气体会受到设备的影响，其性质不同于实验室发生源所产生的洁净、稳定的恒湿气流。通常，以下三种影响是必须加以注意的。
3．1 气体湿度的均匀性
通常，设备内靠近取样口、阀门、管道等处的气体，其湿度相对较高，而本体内的气体湿度较低。因此，从设备内取出的气流，其湿度呈现逐渐下降并趋于稳定的变化趋势。某些类型的设备，由于取样管道较长，致使气体湿度下降缓慢，甚至出现暂时的稳定，若把此时的仪器示值当作设备内气体的真实湿度，显然是不适当的。因为设备本体内的气体占绝大部分，只有本体气体的湿度才是有代表性的数据。这种情况下，可开大流量，必要时在采样管路上加装旁通，将这部分湿度较高的气体排尽。具体情况需视设备结构而定。例如，平顶山的开关，取样要经过密度继电器，受到密度继电器内受潮元件的影响，须经一段干燥时间才能得到稳定值；ALSTHOM的开关由于连接管路较长，也需要先排放一部分气体；三菱和西开的开关，在充气口处取样则可直接得到本体气体，若在检查口处取样则需经过一段管道，同样需要先排放少量气体。
SF6新气的测量也存在类似的问题，一般是由于减压阀受潮，在测试过程中不断受到SF6气体的干燥，其水分逐渐释放到气相中，直到完全干燥为止。因此，仪器读数也是不断下降并逐渐稳定，通常需要经过较长的时间。
3．2 粉尘等固体杂质
电气设备，尤其是运行时间较长的开关设备内的SF6气体，往往带有粉尘等固体杂质。
这主要是由于SF6在电弧作用下和金属反应生成氟化物粉末和设备内吸附剂粉末散逸造成。若这些粉尘进入测试仪器，会造成测试误差，严重的甚至会损坏仪器。对电解式湿度仪，粉尘附着在P2O5膜表面，使电解池效率下降，甚至引起电极短路；对露点仪，粉尘会影响光电系统对出露的检测，引起测试误差；对阻容式仪器，粉尘会堵塞探头微孔，造成污染甚至损坏。因此有必要在气体进入仪器之前除去其中的粉尘。在采样管道上加装过滤装置是较好的办法。采用不锈钢金属烧结过滤器，可将5μm以上的颗粒状杂质过滤掉99．99％，而且对水分没有吸附作用，不影响水分的正常测定。
3．3 以蒸气形式存在的杂质
露点仪测试的是所有能在镜面上冷凝的物质，而不仅仅是水分。如果气体中以蒸气形式存在的杂质（如烃类）会先于水蒸气而结露，或者气体中含有能与水共同在镜面上凝结的物质（如甲醇），则会严重干扰露点仪的测定。通常，对开关的测试不需考虑蒸气杂质的干扰，但在对六氟化硫变压器和互感器进行湿度测试时，则必须认真考虑这种可能性。由于变压器和互感器内部有机绝缘材料较多，部分设备在制造过程中可能线圈的干燥固化时间不足，导致用于线圈绝缘漆的某些有机溶剂挥发到SF6气体中形成可结露的蒸气，从而干扰露点仪的测试。此时，必须换用电解式或阻容式湿度仪，才能得到正确的湿度测试结果。
表2是广东电力试验研究所对荷城变电站110kVGIS的互感器气室进行湿度测量的部分结果。

通过S4000露点仪的镜面状态观察镜发现该气体凝结时的形态与水分凝结时的形态有较大的差异（水分结露时为珠状，结霜时为冰花状），而且相对阻容式仪器的结果偏高许多，因此判断该气室的SF6气体中含有机蒸气，测试结果应以阻容式仪器为准。
气室中存在有机蒸气，该类物质是否影响六氟化硫气体的绝缘水平，是否对六氟化硫的稳定性有破环作用，以及如何定性定量检测，是否应该制订相应标准加以规范，这些问题都有待研究。但对于单纯的湿度测量来说，必须充分考虑到这种影响，才能得出正确的结论。

参考文献

〔1〕 朱芳菲，孟玉婵，郑铉．六氟化硫气体分析技术．北京：兵器工业出版社，1998．
〔2〕 李建明，朱康．高压电气设备试验方法．北京：中国电力出版社，2001．