六氟化硫电气设备在线露点测量

背景介绍
为了保证SF6 气体的绝缘特性，降低SF6 气体分解物所产生的酸性副产品物质的形成，必须将高压电气设备气室中的水气含量保持在尽可能低的水平。虽然注入的是干燥的SF6 气体并做到了高压下的密封，没有外界新气流入，但由于气室内外存在较大差距的水气分压，水分子还是有很强的侵入能力，特别是长期运行后的高压电气设备更应注意气体湿度。
传统的湿度检测是周期性抽取气体样气，但近年来结合了SF6 露点在线测量的状态监测系统逐渐兴起。然而这类在线测量应用遇到了很大的挑战，它完全不同于工业领域的一般露点测量，也不同于SF6 绝缘设备上的压力、温度测量。它的特殊之处在于露点变送器的安装方式、测量系统中材质的选取以及接头种类都将决定是否为设备维护和管理者真实提供了想要得到的且有价值的测量数据。此外如果地处偏远地区高压电气设备的状态监测系统更需要高可靠性的仪表，更长期的维护周期。
水气压和露点
自然界水气无处不在，水气压是总气压的一部分。例如空气的总压力就是大气压，而气体绝缘设备(GIE)的总压力就是系统压力。
露点或者霜点(Td/f)的定义是某种气体中的水气分压(pw)等于它的饱和水气分压(pws) 所对应的温度，换句话说，露点/霜点就是某种气体被冷却后，其中的水气冷凝成露水或霜1时的温度。
pw = pws (Td/f). (1)
人们通常将霜点(<0°C)用‘露点’这个术语替代。但是很重要的一点是必须知道某种传感器测量的是什么参数，这在不同原理的测量仪表之间的比较时尤其重要。
露点不是一个与温度相关联的参数，因此可以通过测量另一温度下的样气得出。但露点却与压力有很强的相关性，因此很关键的一点是确保测量点的压力与主气流(即系统)的压力一致，或者知道测量点的准确压力以便进行不同压力下的露点换算。例如，将4bar 下的露点换算成常压露点。

图一：0.3 hPa (mbar)的水气分压 对应的露点值

水分子在气相中不是束缚在一起，由于体积很小它们可以自由地移动。水蒸气在不同状态间总是趋于达到某种平衡，即水分子总是由高压向低压迁移，甚至会从系统中高分子材料密封圈或者沿着接头的金属表面渗透。这种特性也会发生在环境总压力较低而系统压力较高之间，例如大气空气环境与SF6 高压电气设备间。因此不但要考虑压力密封而且还要做到水气密封。这种扩散效应非常缓慢，对于大容量气体可以忽略不计。但是对于在线监测系统中测量单元内小体积的静止气体而言就是很显著的，特别是这种扩散发生在传感器周围。
表一：
在两个不同温度(20 and 35°C)和湿度(50 and 80%RH)情况下，SF6 气室中和大气环境中两者不同的露点、相对湿度和水气压。水分子倾向于从高水气压向低压出移动，以期达到平衡。

水分迁移
一个气体密封的系统中的水蒸气压力和露点不是一成不变的，即使假设周围空气中水分子没有向系统中扩散。密闭系统中温度的变化造成了水分(水蒸气)在两种状态间迁移，即气态中水分与接触气体的固态物质中水分之间迁移。当温度上升，系统中不同部位的温度差异会引起固体中的水分向气体中迁移，这是因为固气两个状态中的水分要趋向平衡，即平衡相对湿度一致。而温度下降水分迁移则是一个相反过程。气体绝缘设备(GIE)系统中的水分来源主要是金属和有机物质表面的空隙，如垫片和密封剂2, 3等，与气体接触的固体物质的表面积越大，表示水分迁移效果的露点值也越大
图三是2010 年秋季在线安装的露点测量结果，它显示了水分迁移的情况。由于露点传感器安装在一个小的采样腔室中(图二所示)，而且与气室连接的管路较长、接头较多，因此传感器周围的气体并不能完全代表气室中真实的露点状况。

图二：露点传感器室外安装图。传感器与气室间是用管路连接，右图是摘掉防雨罩后的图片

还不清楚水分迁移是由气室引起的还是由于安装传感器的管路引起的，因为气室上没有额外的测量点，所以不可能有其它参考性方法直接测量出气室中的露点。

图三：2010 年秋季在芬兰的一个SF6 绝缘开关上测量出的露点值和温度值

除了安装位置是一个重要因素之外，温度也要被考虑。如果一个传感器被安装在远离气室的地方，则传感器周围的温度很可能完全不同于气室温度，气室内由于水分迁移表现出来的气体湿度水平将显著不同于测量管路中的气体。因为静止气体中的水分扩散是一个非常缓慢的过程，因此测量出来的露点值可能不能代表气室中的真实值，这种情况更可能发生在温度连续变化的过程中，这时连续动态水气迁移，即平衡还没有达到。
这种现象对于压力或密度测量并不是一个问题，但露点测量则由于安装位置而得到非正确结果。虽然管路中的这种水分迁移量非常小，但对于在线测量的传感器测量点周围的小体积静止气体而言则有着显著影响。