六氟化硫氣體濕度測量

 　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)備的安全運行和工作人員的人身安全，按規(guī)定必須對SF6氣體中的雜質(zhì)含量進行相應(yīng)的檢測，而濕度（或稱微量水分）測量就是其中zui為重要的一項。由于濕度測量，特別是微量范圍內(nèi)的測量，受干擾因素較多，是*的難題，而SF6氣體的濕度測量更受到現(xiàn)場諸多條件的限制，常常難以得出準確的結(jié)果。根據(jù)多年從事六氟化硫濕度測量以及與國內(nèi)同行交流合作中所積累的經(jīng)驗寫成此文，以期對從事該項工作的監(jiān)督檢測人員提供參考。

1　測試儀器
　　六氟化硫氣體濕度測量中使用的儀器，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侖法測量氣體中微量水分，其定量基礎(chǔ)為法拉第電解定律。當被測氣體以一定流量流經(jīng)電解池時，氣體中的微量水分將全部被P2O5膜層吸收，并被全部電解。當吸收和電解過程達到平衡時，電解電流正比于氣體中的水分含量。從而可通過測量電解電流，得知氣樣中的含水量。
在結(jié)構(gòu)上，電解式濕度儀增加了“旁通”氣路，用好旁通對快速準確的測量是至關(guān)重要的。通常取樣口、接頭、管道內(nèi)壁都會吸附一定量水分，因此取樣時zui先流出的部分氣體的含水量較高，這些水分如果全部進入電解池，就會被吸濕性*的P2O5膜吸收，而電解的速度是有限的，則會導(dǎo)致吸收———電解平衡受到破壞，使電解池受潮，需要較長的時間重新建立平衡，從而降低測量工作的效率，也增加了被測氣體的消耗。旁通可使這部分氣體絕大部分不經(jīng)電解池而被排掉，從而保護了電解池。在測試開始時，應(yīng)只保留很小的測試流量，開大旁通流量，待估計氣體濕度已穩(wěn)定后，再逐步增加測試流量，同時密切注意儀器示值，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，直到測試流量達到規(guī)定的值，此時可減小甚至關(guān)閉旁通流量以減少被測氣體的消耗。通過這樣的方法可快速準確地得到測量結(jié)果，同時也節(jié)約了被測氣體。
1．2　露點儀
　　露點儀是zui準確的濕度測量儀器，但同時也是zui“嬌貴”的儀器。通常使用的自動露點儀操作雖然簡單，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　低濕測量
對于露點儀來說，越低的濕度越難以測量。一方面是因為測量低濕度氣體時需要較大的制冷功率和較長的制冷時間；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，這一過程需要足夠長的時間和足夠多的被測氣體。在這種情況下，儀器會指示已結(jié)露，其示值會以極慢的速度上升，有時會使測試人員誤以為已達穩(wěn)定狀態(tài)而讀數(shù)，因而造成較大的測試誤差。遇到這種情況時應(yīng)注意分辨。以常用的DP9、DP19露點儀為例，在這種狀態(tài)下，其出露指示器的指針雖已到達綠區(qū)，但未過中線，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，正常情況下露點儀的示值變化呈阻尼振蕩并zui終穩(wěn)定的形式，仔細觀察測量過程中儀器讀數(shù)的變化也可正確區(qū)分不同的狀態(tài)。
某些露點儀增加了低濕測量時的快速穩(wěn)定裝置，例如DP19的“ORIS”裝置。其基本原理是當鏡面溫度降到預(yù)先設(shè)定的值而尚未結(jié)露的話，則儀器自動向測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間。預(yù)設(shè)溫度可通過估計待測氣體的濕度來確定，對DP19通?？蛇x－40℃或－50℃。正確使用該裝置可有效縮短測量時間。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產(chǎn)生震蕩，使測量失敗。此時，必須使該裝置退出運行。
1．2．2　溫度的影響
由于露點儀是通過冷卻鏡面使水蒸氣凝露來測量氣體濕度的，環(huán)境溫度的高低必然影響到制冷的效果。對于大多數(shù)測量下限為－60℃的露點儀，如DP9、DP19，在炎熱的夏季環(huán)境溫度很高時測量濕度較低的氣體，有可能出現(xiàn)儀器的制冷量達不到要求的情況，即鏡面溫度已無法再下降，但卻始終沒有結(jié)露。這種情況下，根據(jù)理論分析和DP系列說明書的*，可采用提高測量室內(nèi)的氣體壓力，從而升高露點，zui后再進行換算的方法。但實踐證明，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。其原因可能是因為升高壓力后，SF6氣體液化溫度隨之上升，測量過程中SF6氣體在鏡面上液化從而干擾測定。
另外，實踐中還發(fā)現(xiàn)，DP9、DP19露點儀在高溫下可能會發(fā)生失控的現(xiàn)象。其表現(xiàn)是測量過程中，儀器示值突然迅速上升，zui終可能穩(wěn)定于一個明顯高于氣體真實露點的數(shù)值。若不了解這一點，則可能將該虛假讀數(shù)作為測量結(jié)果。例如，自貢*用DP19對一臺開關(guān)進行測試時發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為－20℃左右，與一周前的測試值約－40℃相差很大，經(jīng)現(xiàn)場察看儀器讀數(shù)變化情況，確認是儀器失控所至。于是將儀器放在空調(diào)汽車內(nèi)重新測量，得到了正確的讀數(shù)。在露點儀受高溫影響無法正常工作的情況下，目前的辦法是避開高溫天氣，如趁早晚較涼爽時進行測試，或換用其它類型的測試儀器。
1．2．3　SF6氣體凝華的影響
在測量低濕度SF6氣體，特別是SF6新氣時，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，如鏡面溫度低于該值，SF6氣體則會在鏡面上固化。該固化物和水蒸氣凝結(jié)成的霜可能會形成一種混合物，在溫度上升到高于其升華點以后并不消失，從而對測量結(jié)果造成較大的負誤差。在一次典型的測量中，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入露點儀的取樣管和測量室，如海邊地區(qū)空氣中的鹽分、操作人員的汗水等。因為每種鹽溶液都有其特定的蒸氣壓，若鹽類溶解于鏡面的露中，則會改變兩相的平衡狀態(tài)，造成測量誤差。
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)律變化的特性進行濕度測量的。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、測量范圍寬、相應(yīng)快，但其主要缺點是準確度較差。由于其傳感器電參量和氣體濕度之間的關(guān)系曲線會隨時間和儀器的使用而變化，因此此類儀器需要經(jīng)常標定才能保證測量準確。氧化鋁濕敏元件是非線性元件，需多點標定才能保證在其測量范圍內(nèi)的每一段都具有相應(yīng)的準確性。高分子薄膜濕敏元件可看作線性元件，理論上只需兩點標定。VAISALA的DMT242P儀器采用技術(shù)，在每次開機時通過加熱探頭改變相應(yīng)的飽和蒸氣壓的辦法來校正響應(yīng)曲線的截距，其穩(wěn)定性得到了很大的提高，但仍需定期用標準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)氣體濕度測試中的溫度修正問題，早在1990年國內(nèi)已經(jīng)提出并進行過討論和研究。對同一密封完好的氣室的測試表明，當環(huán)境溫度高時，所測得的氣體濕度相應(yīng)也較高；溫度低時，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，較多的水分吸附在固體材料表面，氣相中的水分相對較少；溫度升高時，更多的水分進入氣相，使氣體濕度增大。
為消除溫度的影響，有關(guān)標準規(guī)定的濕度指標均指20℃時的值。為了數(shù)據(jù)的可比性，要求濕度測試也應(yīng)盡可能在20℃的條件下進行。若測試環(huán)境溫度偏離20℃，就需要進行修正。但目前并沒有通用的修正公式或曲線。通常認為，溫度對氣體濕度的影響雖然其增減變化的趨勢是*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。國外設(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，即當環(huán)境溫度超過20℃時，按每℃加－0．5℃露點校正；