六氟化硫氣體濕度測(cè)量

 　作為優(yōu)良的絕緣和滅弧介質(zhì)，六氟化硫（SF6）氣體在高壓電氣設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行和工作人員的人身安全，按規(guī)定必須對(duì)SF6氣體中的雜質(zhì)含量進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，而濕度（或稱微量水分）測(cè)量就是其中zui為重要的一項(xiàng)。由于濕度測(cè)量，特別是微量范圍內(nèi)的測(cè)量，受干擾因素較多，是*的難題，而SF6氣體的濕度測(cè)量更受到現(xiàn)場(chǎng)諸多條件的限制，常常難以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)多年從事六氟化硫濕度測(cè)量以及與國(guó)內(nèi)同行交流合作中所積累的經(jīng)驗(yàn)寫成此文，以期對(duì)從事該項(xiàng)工作的監(jiān)督檢測(cè)人員提供參考。

1　測(cè)試儀器
　　六氟化硫氣體濕度測(cè)量中使用的儀器，依據(jù)其工作原理的不同，通常有三種類型：電解式濕度儀、露點(diǎn)儀和阻容式濕度儀。
1．1　電解式濕度儀
　　電解式濕度儀采用庫(kù)侖法測(cè)量氣體中微量水分，其定量基礎(chǔ)為法拉第電解定律。當(dāng)被測(cè)氣體以一定流量流經(jīng)電解池時(shí)，氣體中的微量水分將全部被P2O5膜層吸收，并被全部電解。當(dāng)吸收和電解過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，電解電流正比于氣體中的水分含量。從而可通過(guò)測(cè)量電解電流，得知?dú)鈽又械暮俊?br />在結(jié)構(gòu)上，電解式濕度儀增加了“旁通”氣路，用好旁通對(duì)快速準(zhǔn)確的測(cè)量是至關(guān)重要的。通常取樣口、接頭、管道內(nèi)壁都會(huì)吸附一定量水分，因此取樣時(shí)zui先流出的部分氣體的含水量較高，這些水分如果全部進(jìn)入電解池，就會(huì)被吸濕性*的P2O5膜吸收，而電解的速度是有限的，則會(huì)導(dǎo)致吸收———電解平衡受到破壞，使電解池受潮，需要較長(zhǎng)的時(shí)間重新建立平衡，從而降低測(cè)量工作的效率，也增加了被測(cè)氣體的消耗。旁通可使這部分氣體絕大部分不經(jīng)電解池而被排掉，從而保護(hù)了電解池。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，應(yīng)只保留很小的測(cè)試流量，開(kāi)大旁通流量，待估計(jì)氣體濕度已穩(wěn)定后，再逐步增加測(cè)試流量，同時(shí)密切注意儀器示值，不使示值發(fā)生較大的突變。這樣操作可使儀器始終保持近似的吸收———電解平衡，直到測(cè)試流量達(dá)到規(guī)定的值，此時(shí)可減小甚至關(guān)閉旁通流量以減少被測(cè)氣體的消耗。通過(guò)這樣的方法可快速準(zhǔn)確地得到測(cè)量結(jié)果，同時(shí)也節(jié)約了被測(cè)氣體。
1．2　露點(diǎn)儀
　　露點(diǎn)儀是zui準(zhǔn)確的濕度測(cè)量?jī)x器，但同時(shí)也是zui“嬌貴”的儀器。通常使用的自動(dòng)露點(diǎn)儀操作雖然簡(jiǎn)單，但極易受到各種干擾因素的影響，而不能得到正確的結(jié)果。
1．2．1　低濕測(cè)量
對(duì)于露點(diǎn)儀來(lái)說(shuō)，越低的濕度越難以測(cè)量。一方面是因?yàn)闇y(cè)量低濕度氣體時(shí)需要較大的制冷功率和較長(zhǎng)的制冷時(shí)間；另一方面，由于低濕度氣體中水蒸氣含量很少，而儀器的冷鏡面上需要收集到足夠多的水分子才能建立和氣相平衡的穩(wěn)定霜層，這一過(guò)程需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間和足夠多的被測(cè)氣體。在這種情況下，儀器會(huì)指示已結(jié)露，其示值會(huì)以極慢的速度上升，有時(shí)會(huì)使測(cè)試人員誤以為已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)而讀數(shù)，因而造成較大的測(cè)試誤差。遇到這種情況時(shí)應(yīng)注意分辨。以常用的DP9、DP19露點(diǎn)儀為例，在這種狀態(tài)下，其出露指示器的指針雖已到達(dá)綠區(qū)，但未過(guò)中線，和正常狀態(tài)下指針偏向左側(cè)的情況是有所不同的。另外，正常情況下露點(diǎn)儀的示值變化呈阻尼振蕩并zui終穩(wěn)定的形式，仔細(xì)觀察測(cè)量過(guò)程中儀器讀數(shù)的變化也可正確區(qū)分不同的狀態(tài)。
某些露點(diǎn)儀增加了低濕測(cè)量時(shí)的快速穩(wěn)定裝置，例如DP19的“ORIS”裝置。其基本原理是當(dāng)鏡面溫度降到預(yù)先設(shè)定的值而尚未結(jié)露的話，則儀器自動(dòng)向測(cè)量室注入一小股濕氣，使鏡面快速結(jié)露，從而縮短建立平衡的時(shí)間。預(yù)設(shè)溫度可通過(guò)估計(jì)待測(cè)氣體的濕度來(lái)確定，對(duì)DP19通?？蛇x－40℃或－50℃。正確使用該裝置可有效縮短測(cè)量時(shí)間。但該裝置的使用也受到諸多因素的制約，在某些情況下反而會(huì)產(chǎn)生震蕩，使測(cè)量失敗。此時(shí)，必須使該裝置退出運(yùn)行。
1．2．2　溫度的影響
由于露點(diǎn)儀是通過(guò)冷卻鏡面使水蒸氣凝露來(lái)測(cè)量氣體濕度的，環(huán)境溫度的高低必然影響到制冷的效果。對(duì)于大多數(shù)測(cè)量下限為－60℃的露點(diǎn)儀，如DP9、DP19，在炎熱的夏季環(huán)境溫度很高時(shí)測(cè)量濕度較低的氣體，有可能出現(xiàn)儀器的制冷量達(dá)不到要求的情況，即鏡面溫度已無(wú)法再下降，但卻始終沒(méi)有結(jié)露。這種情況下，根據(jù)理論分析和DP系列說(shuō)明書的*，可采用提高測(cè)量室內(nèi)的氣體壓力，從而升高露點(diǎn)，zui后再進(jìn)行換算的方法。但實(shí)踐證明，該法并不總是可行，大多數(shù)情況下儀器示值反復(fù)振蕩，不能得到穩(wěn)定值。其原因可能是因?yàn)樯邏毫?，SF6氣體液化溫度隨之上升，測(cè)量過(guò)程中SF6氣體在鏡面上液化從而干擾測(cè)定。
另外，實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，DP9、DP19露點(diǎn)儀在高溫下可能會(huì)發(fā)生失控的現(xiàn)象。其表現(xiàn)是測(cè)量過(guò)程中，儀器示值突然迅速上升，zui終可能穩(wěn)定于一個(gè)明顯高于氣體真實(shí)露點(diǎn)的數(shù)值。若不了解這一點(diǎn)，則可能將該虛假讀數(shù)作為測(cè)量結(jié)果。例如，自貢*用DP19對(duì)一臺(tái)開(kāi)關(guān)進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為－20℃左右，與一周前的測(cè)試值約－40℃相差很大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)察看儀器讀數(shù)變化情況，確認(rèn)是儀器失控所至。于是將儀器放在空調(diào)汽車內(nèi)重新測(cè)量，得到了正確的讀數(shù)。在露點(diǎn)儀受高溫影響無(wú)法正常工作的情況下，目前的辦法是避開(kāi)高溫天氣，如趁早晚較涼爽時(shí)進(jìn)行測(cè)試，或換用其它類型的測(cè)試儀器。
1．2．3　SF6氣體凝華的影響
在測(cè)量低濕度SF6氣體，特別是SF6新氣時(shí)，應(yīng)注意控制降溫范圍，不使鏡面溫度低于－63．8℃。因該溫度是SF6氣體的升華點(diǎn)，如鏡面溫度低于該值，SF6氣體則會(huì)在鏡面上固化。該固化物和水蒸氣凝結(jié)成的霜可能會(huì)形成一種混合物，在溫度上升到高于其升華點(diǎn)以后并不消失，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的負(fù)誤差。在一次典型的測(cè)量中，讀數(shù)偏低5℃左右。
1．2．4　鹽類的影響
必須小心不使鹽類進(jìn)入露點(diǎn)儀的取樣管和測(cè)量室，如海邊地區(qū)空氣中的鹽分、操作人員的汗水等。因?yàn)槊糠N鹽溶液都有其特定的蒸氣壓，若鹽類溶解于鏡面的露中，則會(huì)改變兩相的平衡狀態(tài)，造成測(cè)量誤差。
1．3　阻容式濕度儀
　　阻容式濕度儀是利用濕敏元件的電阻值或電容值隨氣體濕度的變化而按一定規(guī)律變化的特性進(jìn)行濕度測(cè)量的。常用的濕敏元件有氧化鋁元件和高分子薄膜元件兩種，前者以PANAMETRICS為代表，后者以VAISALA為代表。這類儀器使用方便、測(cè)量范圍寬、相應(yīng)快，但其主要缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度較差。由于其傳感器電參量和氣體濕度之間的關(guān)系曲線會(huì)隨時(shí)間和儀器的使用而變化，因此此類儀器需要經(jīng)常標(biāo)定才能保證測(cè)量準(zhǔn)確。氧化鋁濕敏元件是非線性元件，需多點(diǎn)標(biāo)定才能保證在其測(cè)量范圍內(nèi)的每一段都具有相應(yīng)的準(zhǔn)確性。高分子薄膜濕敏元件可看作線性元件，理論上只需兩點(diǎn)標(biāo)定。VAISALA的DMT242P儀器采用技術(shù)，在每次開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)加熱探頭改變相應(yīng)的飽和蒸氣壓的辦法來(lái)校正響應(yīng)曲線的截距，其穩(wěn)定性得到了很大的提高，但仍需定期用標(biāo)準(zhǔn)源校正其完整的響應(yīng)曲線。
2　環(huán)境條件
2．1　環(huán)境溫度
　　有關(guān)氣體濕度測(cè)試中的溫度修正問(wèn)題，早在1990年國(guó)內(nèi)已經(jīng)提出并進(jìn)行過(guò)討論和研究。對(duì)同一密封完好的氣室的測(cè)試表明，當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，所測(cè)得的氣體濕度相應(yīng)也較高；溫度低時(shí)，氣體濕度相應(yīng)也較低。造成這種現(xiàn)象的原因，主要是氣體中的水分和吸附在固體材料（金屬、絕緣材料、吸附劑等）表面的水分之間的吸附和蒸發(fā)平衡。溫度低時(shí)，較多的水分吸附在固體材料表面，氣相中的水分相對(duì)較少；溫度升高時(shí)，更多的水分進(jìn)入氣相，使氣體濕度增大。
為消除溫度的影響，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濕度指標(biāo)均指20℃時(shí)的值。為了數(shù)據(jù)的可比性，要求濕度測(cè)試也應(yīng)盡可能在20℃的條件下進(jìn)行。若測(cè)試環(huán)境溫度偏離20℃，就需要進(jìn)行修正。但目前并沒(méi)有通用的修正公式或曲線。通常認(rèn)為，溫度對(duì)氣體濕度的影響雖然其增減變化的趨勢(shì)是*的，但具體數(shù)值因設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同而有所不同，是否能找到通用的修正方法很難說(shuō)。國(guó)外設(shè)備制造廠家通常提供了各自的修正方法。如ABB公司采用直線修正公式，即當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)20℃時(shí)，按每℃加－0．5℃露點(diǎn)校正；