王海軍

(河北大唐國際王灘發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 唐山 063611)

氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)[1](GIS)以SF6氣體良好的絕緣性能和滅弧性能被廣泛應(yīng)用于電廠、變電站中[2]。GIS濕度含量的高低對設(shè)備的安全可靠工作具有直接的影響,如果SF6氣體泄漏導(dǎo)致密度下降或氣體中濕度含量超標(biāo),GIS就會存在安全隱患,甚至發(fā)生事故,因此對GIS中SF6氣體濕度含量的監(jiān)測一直是高壓試驗(yàn)的重要組成部分。目前GIS內(nèi)SF6氣體濕度測量廣泛使用露點(diǎn)法對水分進(jìn)行監(jiān)測,為了使讀數(shù)準(zhǔn)確且穩(wěn)定,會浪費(fèi)大量的氣體,這不僅會降低設(shè)備工作氣壓,更重要的會造成環(huán)境的污染,影響GIS設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

1 濕度測量的影響因素

1.1 氣體管路結(jié)構(gòu)

在濕度測量時(shí),管材應(yīng)選用內(nèi)拋光的不銹鋼鋼管或厚壁聚四氟乙烯管,長度不可太長,系統(tǒng)密封性應(yīng)好,接頭數(shù)量盡可能少。測量時(shí)根據(jù)GIS電氣設(shè)備氣體管路結(jié)構(gòu)確定連接方式和能否帶電測量。

目前GIS電氣設(shè)備SF6氣體管路常見的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS電氣設(shè)備氣體管路結(jié)構(gòu)示意

對圖1(a)所示的氣體管路結(jié)構(gòu),測量時(shí)可直接與設(shè)備檢測口連接,無需操作常開閥,并可帶電檢測,安全可靠性較高;圖1(b)所示的氣體管路結(jié)構(gòu),測量時(shí)需要打開常閉閥進(jìn)行測量管路連接,可帶電測量,但如果測量次數(shù)增加,需要頻繁操作常閉閥,可能造成常閉閥密封效果降低,安全可靠性一般;對圖1(c)所示的氣體管路結(jié)構(gòu),由于閥門為自密封閥門,需要特制的接口連接到試驗(yàn)儀器,增加接口數(shù)量,泄漏SF6氣體的概率較高。為保證GIS安全可靠運(yùn)行,必須在停電的情況下才可以進(jìn)行測量。

因此,圖1(a)所示的氣體管路結(jié)構(gòu)既可以保證帶電測量又能保證GIS設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)還能夠避免在濕度測量過程中由于氣體管路的密封不好而造成對環(huán)境的污染。所以,建議在GIS生產(chǎn)和維護(hù)過程中將GIS的SF6氣體測試管路接口設(shè)計(jì)或改造成圖1(a)的氣體管路結(jié)構(gòu)。

1.2 壓力

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中用體積比分?jǐn)?shù)表示SF6氣體的濕度含量,忽略了壓力的影響因素。為了便于分析,不考慮上文所述設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件對水分的吸附作用,設(shè)20℃時(shí),2個容器的壓力分別是P1=0.5 MPa,P2=0.8 MPa,濕度均為 820 μ L/L。則2個容器換算到0℃的水氣壓力分別見式(1)、式(2),其中 T1為0℃時(shí)容器的絕對溫度,取273.2 K,T2為20℃時(shí)容器的絕對溫度,即為T1+20=293.2 K。

式中 ：P′1、P′2分別為換算到 0 ℃時(shí) 2個容器內(nèi)的水氣壓力。

0℃時(shí)水的飽和蒸氣壓力為611.2 MPa,顯然,容器1內(nèi)在 0℃時(shí)不會出現(xiàn)凝露,而容器2內(nèi)在0℃時(shí)會剛好出現(xiàn)凝露,即在氣壓不同時(shí),SF6氣體相同的濕度并不能代表相同的安全性和可靠度。

1.3 溫度

GIS中的水分來源有：新氣中固有的殘留水分;安裝充氣過程帶入的水分;密封不良導(dǎo)致的水分滲入;設(shè)備零部件,特別是環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯支撐件和拉桿中吸收的水分也會部分釋放到GIS中。

GIS內(nèi)部構(gòu)件與其中的SF6氣體構(gòu)成被盆式絕緣體分隔成的若干氣室,氣室內(nèi)水分為一定值(假定外部水分對設(shè)備內(nèi)無滲透),當(dāng)溫度變化時(shí),氣體中的水分會隨溫度變化而變化。當(dāng)溫度降低時(shí),固體吸附水分,氣相水分含量降低;當(dāng)溫度升高時(shí),固體釋放水分,氣相水分含量升高。這就是溫度直接影響濕度測量的原因。

在采用基于露點(diǎn)法的露點(diǎn)儀對SF6氣體濕度進(jìn)行測量時(shí),假定溫度為33℃時(shí),所測設(shè)備中氣體露點(diǎn)為3℃,這只能說明SF6氣體在溫度為33℃時(shí)的絕對水氣壓為3℃下水的飽和蒸汽氣壓758 Pa,并不能說明設(shè)備中的水分在3℃時(shí)就會冷凝,因?yàn)槿萜鞅诮禍氐奈阶饔?水分在3℃時(shí)肯定不會冷凝。所以用露點(diǎn)法測量SF6氣體濕度含量的測量值與測量時(shí)氣體的溫度有很大關(guān)系,所測露點(diǎn)與在SF6氣體通過整體降溫所達(dá)到的實(shí)際凝露點(diǎn)沒有直接關(guān)系。

2 濕度測量的修正方法

SF6氣體的濕度測量受壓力和溫度的影響,需要對測量值進(jìn)行計(jì)算和修正。

2.1 壓力影響的修正

利用氣體狀態(tài)參數(shù)方程,可以計(jì)算出氣體的密度值和修正到20℃的氣壓值。目前最常見的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)方程如式(3)所示：

式中：P為壓力,MPa;ρ為密度,kg/m3;T為溫度,K;根據(jù)參考文獻(xiàn)[3],系數(shù) A、B分別為：

DL/T 596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》[4]用20℃的氣壓來判斷SF6高壓電氣設(shè)備氣壓是否越限。根據(jù)P和T,用方程(4)、(5)計(jì)算出ρ,把ρ和T=293.2 K代入式(3),可以很方便地計(jì)算出20℃時(shí)的壓力P。

通過上述方法能夠很好的解決GIS內(nèi)SF6氣體密度和20℃的氣壓測量問題,繼而能夠?qū)Τ簻y量下的SF6氣體濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.2 溫度影響的修正

由于溫度對GIS內(nèi)SF6氣體的濕度測量具有很大的影響,為了能更準(zhǔn)確的判斷GIS內(nèi)濕度是否超標(biāo),根據(jù)各電廠目前主要開關(guān)和斷路器設(shè)備類型,參考廠家、電科院有關(guān)資料,結(jié)合其總體特性,并根據(jù)近幾年電廠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,得出以下基于露點(diǎn)的溫度分段修正方法。

測試溫度在20℃以上時(shí)：

測試溫度在20℃以下時(shí)：

式中：tDP為校正露點(diǎn)值,℃;tDP0為實(shí)測露點(diǎn)值,℃;Δ t為以20℃為基準(zhǔn)的溫度變化值,Δt=20-t,t為實(shí)測時(shí)的SF6氣體溫度,℃。

為了驗(yàn)證分段修正法,用式(12)的經(jīng)驗(yàn)公式[5]進(jìn)行歸一修正,也取得了很好的效果。

式中：H2為20℃時(shí)的濕度;H1為水分的實(shí)時(shí)測量值,μ L/L;P1為測量時(shí)SF6氣體的壓力MPa;P2為根據(jù)密度檢測原理換算到20℃時(shí)的SF6氣體壓力MPa;P1s為測量時(shí)測量溫度下的飽和水氣壓,P2s為20℃時(shí)的飽和水氣壓。

在GIS維護(hù)和預(yù)防性試驗(yàn)中,用溫度分段修正法將GIS內(nèi)SF6氣體濕度測量值修正到20℃情況下的數(shù)值,具有一定的工程實(shí)際意義。

3 結(jié)束語

GIS內(nèi)SF6氣體的濕度測量受壓力和溫度的影響,測量值的計(jì)算和修正往往需要使用測量工況下氣體的壓力和溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,利用傳感、電子及通信技術(shù),通過在設(shè)備本體上安裝壓力、溫度及濕度傳感器,不僅可以解決SF6氣體濕度含量的在線監(jiān)測,而且能夠精確計(jì)算出氣體的密度值,監(jiān)測氣體的微量泄漏,所以在線監(jiān)測將成為GIS內(nèi)SF6氣體監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

[1] 華東六省一市電機(jī)工程(電力)學(xué)會.電氣設(shè)備及其系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,1999.

[2] 曹云東,王爾智,姜 毅.高壓SF6斷路器總變差減小方法流場求解研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(11)：19-23.

[3] 張節(jié)容,錢家驪,徐國政,等.高壓電器原理和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1989.

[4] DL/T 596-1996,電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5] 李泰軍.六氟化硫氣體密度及微水含量監(jiān)測的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)電氣學(xué)院,2003.