（电机与电器专业论文）六氟化硫气体密度及微水含量监测的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s f 6g a si sm a d em o s to fi ne l e c t r i ca p p a r a t u so fp o w e rs y s t e mb e c a u s eo fi t s s u p e r - e x c e l l e n tp e r f o r m a n c en o w a d a y s i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt h a tt h es t a t ee x a m i n a t i o n a n dr e p a i ra r eu s e df o re l e c t r i ca p p a r a t u s s ot h es t a t em o n i t o r i n gf o rs f 6g a si sm o r e i m p o r t a n tt h a nb e f o r e t h e r ea r et w os i d e sa b o u ts f 6g a s ss t a t em o n i t o r i n g ，l e a k i n e s sa n dc o n t e n to f m i c r o - w a t e r t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fm o n i t o r i n gl e a k i n e s si s n tg o o da tp r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t y i ti sv e r yc o m p l e xf o rm o n i t o r i n gt h ec o n t e n to fm i c r o w a t e r 祈t l lt h et r a d i t i o n a l m o a s l l r em e t h o d t h em e a s u r er e s u l tc a n tr e f l e c tt h ec o n t e n to f m i c r o - w a t e r s f 6g a ss t a t ee q u a t i o ni su s e di nt h i sp a p e r i n p u tt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo fg a s ， t h ed e n s i t yc a l lb cg o ta f t e rs o l v i n gt h ee q u a t i o n t h et h e o r ya b o u td i g i t a ls o l v i n ge q u a t i o ni s i n t r o d u c e d i ti se a s yt oc a l c u l a t et h ep m s s u r eo fg a sa t2 0 ( 2i fy o uk n o wt h ed e n s i t y t h e m e t h o dc o m p e n s a t e st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r et op r e s s u r e a ne x a c tj u d g e m e n tc a nb e d r a w nt h r o u g ht h ed e n s i t yo f g a s t h es t a t es t a n d a r da n dp o w e rs y s t e ms t a n d a r d w h i c hi n v o l v et h ec o n t e n to f m i c r o - w a t e ro fs f 6g a s ，a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e rb e f o r ei n t r o d u c i n gt h en e wm e t h o do f m o n i t o r i n gc o n t e n to fm i c r o - w a t e r t h i sp a p e rs h o w st h e i rf l a w sa n di n t r o d u c e st h en e w c o n t r o ls t a n d a r dt ob ed i s c u s s e db ye x p e r t s a sw ek n o w , t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e m u s ti n f l u e n c et h ep p mo f c o n t e n to f m i c r o - w a t e r i tc a ne l i m i n a t et h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e t op p mv a l u et h a tc a l c u l a t i n gt h ep p mv a l u ei n2 0 ct h r o u g ht h er e a lt e m p e r a t u r e ，r e a lp p m v a l u ea n dt h er e a lp r e s s u r e a b s o l u t ew a t e rp r e s s u r ei sr e a s o n a b l ei fy o uw a n tt ok n o wh o w m u c hw a t e ri ng a s as f 6g a sm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti sd e s i g n e di nt h i sp a p e ri no r d e rt ov a l i d a t et h e t h e o r ym e n t i o n e da b o v e t h ec h a n g e dt e m p e r a t u r ea n dl e a k i n e s sa l es i m u l a t e di n e x p e r i m e n t n ed a t eo fe x p e r i m e n ts h o w st h et h e o r ya n dm e t h o da f e a s i b l ea n d r e a s o n a b l e 华中科技大学硕士学位论文 i ti sn e c e s s a r yt h a tm a n u f a c t o r ys u p p l i e st h ea p p a r a t u s c u r v eb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e a n da b s o r p t i v i t yi no r d e rt op r e c i s e l ym o n i t o rt h ec o n t e n to f m i c r o - w a t e r k e yw o r d s ： s f 6g a s m o n i t o r g a sd e n s i t y c o n t e n to fm i c r o - w a t e r h i 华中科技大学硕士学位论文 引言 s f 6 气体出现于1 9 0 0 年，当时，m o i s s a n 和l e b e a u 报导了这种第一次合成的硫的 六卤化物衍生物。但直到大约1 9 4 0 年，当c o o p e r 和他的同事将六氟化硫成功地用作 电力设备中的绝缘气体时，它才引起工业界的一点点兴趣【1 i 。第二次世晃大战期间， 麻省理工学院的研究工作使六氟化硫用作于范德格拉夫静电电机的绝缘气体，这是六 氟化硫应用迅速发展的起点f 2 】，六氟化硫卓越的电气性能逐渐得到了世人的普遍认可。 1 9 5 5 年，美国西屋公司制造了世界上第一台高压断路器，随着s f 6 高压断路器结构的 改进，其优势越来越明显，已经基本垄断了超高压领域的所有断路器，并逐步向中低 压领域渗透。全封闭组合电器( g i s ) 的迅猛发展，为s f 6 气体提供了更加重要和广阔 的舞台，g i s 以体积小、运行安全可靠、环境依赖程度低等优点成为城市变电站的首 选。另外，s f 6 气体在变压器、电缆和其它高压配电装置中的应用也越来越多刚1 。总 之，s f 6 气体在电力工业现场显得越来越重要，使用的越来越普遍。 随着生产力的不断发展，电力工业中对电气设备的检修方式已经完成了从故障检 修向定时检修的转变。但从电力系统的经济运行和可靠性考虑，定时检修已经不能满 足目前电力系统检修的需要，因此从现有的定时检修向状态检修过渡已成为必然。状 态检修的依据是电气设备的状态监测数据，显然，s f 6 气体的密度与湿度是s f 6 气体最 重要的状态监测数据【5 】。所以，随着s f 6 电气设备使用的日益普遍和电力工业中对设 备的检修逐步向状态检修过渡，s f 6 气体的状态监测、特别是在线监测也变得越来越 重要。 传统对s f 6 气体的监测还停留在离线的基础上：关于s f 6 气体水分含量控制标准 也有亟待商榷的地方：所监测的气体泄漏状况和水分含量具有精度低、监测繁琐、监 测数据可比较性较差等特点【6 】。如果能推理验证一种理论与方法，可靠准确的对s f 6 气体实现在线状态监测，对气体的泄漏和水分超标状态作出准确的判断，则必将对s f 6 电气设备的状态检修产生深远的影响。 本论文正是从这一点出发，通过认真研究s f 6 气体特性，对现行气体微水含量控 华中科技大学硕士学位论文 制标准进行讨论，试图利用监测s f 6 气体的温度、气压和相对湿度三个参数来计算气 体密度和微水含量，达到客观准确判断气体泄漏状况和微水含量增加状况的目的。 文中利用s f 6 气体的状态参数曲线，输入温度和气压，数字求解密度值。再利用 求解的密度值，求解换算到2 0 ( 2 时的气压。这样就完全补偿了温度对压力的影响因素， 使气体的泄漏判断变得直观准确。 对水分含量的计算，提出了归一化的方法，提出用换算到2 0 c 微水含量p p m 值和 绝对水气压力综合判断水分含量的情况。 为了证明文中所阐述理论和方法的合理性，作者特开发s f 6 气体在线监测仪，模 拟现场温度变化和泄漏状况，对s f 6 气体进行监测，利用大量实验数据验证了该理论 与方法的合理性和可行性。 本课题的研究成功，将对s f 6 电气设备状态监测产生很大的影响，能大大减少设 备定期检修的工作量，提高变电站、电厂等工业现场的自动化程度，减少s f 6 气体排 放造成的环境污染【7 】 促进s f 6 安全合理的使用。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 s f 6 气体的监测意义 1 1s f 6 气体的绝缘性能和灭弧特性 s f 6 气体，以其高抗电性和优良的灭弧性能使其在2 0 世纪中后期获得飞速发展。 其绝缘能力约为相同状态空气的2 5 倍，灭弧能力则为空气的数1 0 倍，其在o 2 m p a 压力下绝缘性能和绝缘油( 变压器油) 相近。自1 9 4 0 年s f 6 作为绝缘介质以来，在 2 0 世纪末，世界上6 3 5 0 0 k v 电压等级断路器中，以s f 6 作为绝缘灭弧介质的已占主 要多数。同时，由于对s f 6 气体的研究应用更加深入，s f 6 气体绝缘的组合电器( g i s ) 也应运而生，且得到迅速发展8 ，9 1 们。 1 1 1s f 6 气体的绝缘性能 削弱或抑制电离过程可以提高气体介质的电气强度，采用强电负性气体是削弱或 抑制电离过程的一种重要方法。强电负性气体要在工程中获得实际应用，除电气强度 要离外，还必须具备液化温度不高；化学性能稳定，在该气体中发生放电时不容易分 解等特点。s f 6 即是符合以上要求的一种强电负性气体，它是一种无色、无味、不可 燃的惰性气体。纯净的s f 6 气体是无毒的，有很好的化学稳定性和耐热性。在1 5 0 。c 下 不与水、酸、碱、变压器油、金属及绝缘材料作用；气体本身在5 0 0 0 c 以下不分解， 超过6 0 0 。c 后将产生热分解。s f 6 气体在电弧的高温( 4 0 0 0 k 以上) 作用下将分解为 硫、氟原子或低氟化物，熄弧后可重新结合为s f 6 ，纯s f 6 气体对金属和绝缘材料均无 腐蚀作用。 s f 6 的绝缘特性主要是由卤族元素的强电负性，即原子对电子有很强的吸附能力 造成的。卤族元素中又以元素氟( f ) 的电负性最强，其化合物s f 6 仍有很强的电负性， 在温度不高的情况下( 1 0 4 k ) s f 6 与n 2 等 离子体的特性相似，但在弧柱边缘，处于分解温度的区域( 与弧柱的对流区) ，二者的 热化学特性，即对电弧的冷却作用却有很大的差异，s f 6 熄弧能力优于空气的原因之 一，正是其奇特的热化学性质。 在电弧的作用下，弧柱中的物理化学过程十分复杂，既有分解又有电解，还有分 解生成物对电子的吸附。这一动态过程使s f 6 、s 2 、s 、s f 2 、s f 4 、f + 、f 。、s + 等分子、 离子、以及原予、电子均同时存在。从这些过程中我们可能归纳出对熄弧甚为重要的 两点： 1 ) 约2 1 0 0 k 时，s f 6 气体有个热分解高峰，生成大量s 2 、s 、f 等： 2 ) 在3 0 0 0 4 0 0 0 k 时，带电粒子只有s + 、电子和电子被s f 6 分子及低氟化物俘 获后形成的负离子。 在2 1 0 0 k 附近，由于s f 6 热分解而出现了热导率高峰，而n 2 则在6 0 0 0 k 8 0 0 0 k 时才分解为单原子，出现热导率高峰的温度比s f 6 高得多。s f 6 的导电率高于4 0 0 0 k 才开始急剧上升，这一点虽然比n 2 来得早，但它的热导率高峰与电导率剧升温度是错 华中科技大学硕士学位论文 开的，后者正处于热导率的低谷。而n 2 导电率上升曲线正从其热导率的第一个高峰穿 过。这一差异，对二者的电弧时间常数起了关键性的作用。静止气体中小电流电弧的 时间常数，对s f 6 而言仅为空气的1 1 0 0 。 燃炽的电弧温度分布总是由内向外逐渐降低的。由于电极金属蒸气的介入，使实 际热电离的温度降至3 0 0 0 k 左右，即可以3 0 0 0 k 等温面为界，以内的导电区称之为弧 芯区，等温面以外，为低电导的电弧外围，称之弧焰区。对s f 6 电弧而言，3 0 0 0 k 正 好处于热导率高峰与电导率剧升温度之间，这使s f 6 电弧自我建立起这样一种结构： 3 0 0 0 k 等温面象一隔热墙，弧芯热量导不出，温度高、电导率高，电弧电压低，较小 的输入功率就可维持弧芯的导电性；而在3 0 0 0 k 以外的弧焰区，热导率很高，散热强 烈，形成很大的温度下降梯度。此外，弧焰区的外围还有一些s f 6 分解的f 和低氟化 物，有很强的电负性，使弧焰区外围已实际不导电。s f 6 中的这种电弧结构，当电流 减小时弧芯直径随电流下降而减小，可以维持很细的导电核心，几乎直至电流零点。 而大气电弧的热导率与电导率随温度变化的规律，根本形成不了这种理想的电弧结构， 因而电弧时间常数大，介质恢复能力差。研究表明，即使在强烈的单相纵吹条件下， s f 6 电弧过零时仍可持续到1 6 a 时才截断。电弧一旦截断，原细芯区很少的残余等离 子体立即被淹没在外围有很强的电负性f 和低氟化物之中，复合与介质恢复速度很快， 反映出极小的电弧时间常数。反之，大气电弧的残余弧道介质恢复能力很差。这是因 为，电弧电流过零之前的截流较高，可能超过2 0 a ，弧柱截面仍很大，残余等离子体 的复合缓慢，致使弧柱时间常数比起s f 6 电弧大得多。 现代s f 6 断路器的结构对电弧均有强烈的气吹作用，弧芯区四周会有增强致冷效 果的涡流( 湍流) ，使得其热化作用减小，而电负性和膨胀冷却作用增强。这都有利于 电弧的过零熄灭与介质的快速恢复。而在燃弧期间则需利用电弧自身的阻塞作用控制 电弧的发展。 高压s f 6 断路器的典型特征是具有一个吹弧喷口，依靠喷口两端的压差对电弧进 行纵向吹弧。传统压缩空气断路器的喷口设计需防止电弧的阻塞作用，而现代自膨胀 式s f 6 断路器的喷口却要利用喷口形状，在电流峰值时形成电弧阻塞，增加储气空间 的气压，以在电流过零时进行有效的吹弧 1 4 , 1 5 l 。 从以上分析何以看出，息弧过程中的s f 6 气体的热电离和等离子化制造了一种强 制冷效果，燃弧期间的阻塞作用可以控制电弧的发展。以上均需要s f 6 气体保持一定 的气压。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 微水对s f 6 气体电器设备的影响 1 2 1 s r 气体中水分的来源c 1 6 , 1 7 工 s f 6 气体中水分主要来自于以下四个方面。 1 、s f 6 新气中固有残留水分。这是由于生产工艺过程中不可能绝对排除水分的缘 故。i e c 标准规定新气中水分含量应小于1 2 2 x1 0 一( v v ) ，我国对新气的水分含量 标准定为小于6 5 1 0 一( v v ) 。 2 、设备零部件，特别是环氧树脂支撑件和拉杆中吸收的水分是最重要的水源，且 大部分是在组装时进入元件和容器内表面的，这些存在于硬件中的水分，在某些条件 下还是可以扩散到s f 6 气体中的。 3 、外部侵入的水分。由于水蒸气分子直径( 等于3 2 埃) 比s f 6 气体分子直径( 等 于4 5 6 埃) 小，另外s f 6 断路器s f 6 气体中水气分压力比环境空气中的水蒸气分压力 小得多，因此在密封不良时，接触部分就会形成微小的孔洞或裂纹，即便s f 6 气体不 泄漏也难以避免水分的侵入。因此对s f 6 开关设备严密性的要求，相比防止s f 6 气体 向外泄漏、防止水分侵入的要求更高。 4 、安装和充气过程中水分会进入设备：如充放气装置干燥处理不好，抽真空不彻 底，剩余空气湿度较大等。 1 2 2 微水对s f 6 开关设备的影响 气体中水分的存在可以造成高压电气设备绝缘能力的下斛1 8 】，通常s f 6 气体中微 量水分是以蒸汽形式存在的，当温度下降时，有可能把气态的水凝结成液态的水( 称 为结露或凝露) ，附着在零件( 如电极) 表面上。当这些水分以液态存在于绝缘件表面 ( 特别是表面存在易于导电的物质) 时，会降低绝缘件的电阻，并改变了绝缘件周围 的电场。试验表明，附着在绝缘件表面的水分可以使绝缘件的沿面放电电压降低到无 水时的6 0 一8 0 ，这样容易使绝缘件表面产生沿面放电而引起事故【1 9 】。 即使没有凝露现象发生，存在于s f 6 气体中水分子的多少( 即s f 6 气体湿度的大 小) 也对开关装置的绝缘有着显著的影响，相对湿度达到3 0 以上，沿面电压降低明 显【2 0 1 。 另外，电气设备在运行时，局部放电或者断路器的开断都会产生电弧，这些电弧 6 华中科技大学硕士学位论文 虽然是瞬间的，但是所产生的能量足以使s f 6 气体分解。当电弧熄灭后，这些离子大 多数又重新组合成s f 6 分子，正负电荷消失，呈现中性状态，但有一小部分离子却形 成了各种杂质，如s f , 、s o f 2 、s 2 f 2 、s f 2 等等。由于s f 6 气体中含有水分，这些杂质 又会与水分发生水解反应，形成一系列的水解反应中间体，共同组成非常复杂的体系。 这些水解反应是： s f 4 + 1 - 1 2 0 = s o f 2 + 2 i - i f ( 1 1 ) s o f 2 + 1 - 1 2 0 = s 0 2 + 2 h f ( 1 2 ) s 0 2 + 1 - 1 2 0 = 1 - 1 2 s 0 3 ( 1 3 ) s o f l + h 2 0 = s 0 2 f 2 + 2 h f ( 1 4 ) m f 6 + h 2 0 = m o f 4 + 2 i - i f ( 1 5 ) m o f 4 + 2 h 2 0 = m 0 3 + 4 i - i f ( 1 6 ) 所以，s f 6 气体在电弧的 作用下，水分可促使其分解并 与其分解物发生化学反应，产 生具有强腐蚀性的h f 和 h 2 s 0 3 等，如图1 2 ( 图中m 表示金属元素) 0 7 1 。这些生成 物均有很强的腐蚀性；尤其是 i - i f 活泼性很强，除了少数材 料如聚四氟乙烯可以防止腐 蚀外，其他大多数材料都可以 与之反应。当水分较多甚至结 s 0 2 + s f l 火花放电 t 哆 妍，磊 漉tel 9 d 是十2 h f r o 罗。h 譬 慨：t h 【嬲 h ! l s i r + 2 h - o 图1 - 2s f 6 分解物生成机理 露时，这些物质又迅速与水结合生成氢氟酸及亚硫酸，其腐蚀性就比它的气态形式强 得多，破坏能力也成倍增加。 若s f 6 气体中有0 2 的存在时，在复合过程中还会生成s 0 2 f 2 ，s o f 4 等。由此可见， s f 6 气体中的h 2 0 及0 2 等杂质，阻碍断路器开断过程结束后s f 6 分解物的复合，从而 增加了气体中有害杂质组分的含量，这些杂质大部分都是剧毒物质，给设备的检修， 7 华中科技大学硕士学位论文 维护带来不便，并且其中的酸性组分对开关设备有腐蚀作用。 本章小结 由于s f 6 有其独特的物理性质，它作为绝缘气体具有许多优点而被广泛的用于电 气设备中。它无毒、不易燃、具有快速冷却电弧的本领。其介电强度远远超过传统的 绝缘气体。它还具有优异的灭弧性能。用在电气设备中，可消除火灾、大大缩小尺寸， 并改善电力系统的可靠性。s f 6 气体的有关参数( 湿度、密度) 决定许多电气设备是 否能正常工作。气体的开断能力以及绝缘性能与气体的压力有很密切的关系，保证相 应的电气性能的前提是气压位于某一范围之内。s f 6 气体密度值的变化可以让我们知 道电气设备是否漏气；s f 6 中的水分不仅对电气设备绝缘性能、开断性能有影响而且 会对设备的零部件产生影响。因此，及时、准确的知道电气设备中s f 6 气体的密度与 湿度，并及时控制其参数的大小，对电力设备的正常可靠工作非常重要。 华中科技大学硕士学位论文 2s f 6 气体传统的监测方法 2 1 传统密度监测 承上所述，为了使s f 6 高压电气设备可靠工作，必须保证s f 6 气体一定的密度和 干燥度。新装断路器和刚刚大修过的断路器的密度很容易保证( 充s f 6 气体到额定要 求就行了) ，监测s f 6 高压电气设备气体密度的关键意义在于监测电气设备的泄漏。对 微水含量的监测一方面可以监测新气中微水含量，更重要的方面也是要监测水分向s f 。 气体中的渗漏 2 “。 2 1 1 压力表监测 用监测气体压力的方法来 监测气体是否泄漏显然是一种 很粗略的方法，只有在测量温 度变化不是很大，泄漏明显的 情况下起作用。因为s f 。气体压 力随温度变化是很明显的。例 如：如果一1 0 时气体压力为 0 6 5 m p a ，在没有泄漏的情况 下，在4 0 时，其压力变为 o 8 1 m p a ，如此大的压力变化范 围使我们很难通过气体压力的 变化来判断气体是否存在泄 图2 - 1 气体压力表结构示意图 漏。 压力表的工作原理如图2 1 所示【2 2 1 。当气体压力变大时，气压使波登管的曲率半 径变大，a 点向上运动，使b 点绕c 点向上运动，此时指针系统使指针顺时针方向偏 转。反之，当气体压力变小时，指针逆时针方向偏转。 有一种方法可以改进用压力表直接测量气体压力判断是否漏气的缺陷。那就是引 华中科技大学硕士学位论文 入s f 6 状态参数曲线。如鼹2 - 2 所示。拳用状态参数曲线， 给出现场测量的温度及所涮 压力，则能根据曲线查得所测 气体的密度。如果给出一条警 戒密度线，则很容易判断现在 密度是否越界。这样就很好地 补偿了温度对压力的影响。利 用传统压力表，根据状态参数 曲线测量气体密度是一种可 行的方法，目前有很大比例的 高压断路器是采用此种方法 对气体泄漏进行监铡的。 其局限性也是明显的，这 过程需要工作人员去读取 压力值和温度僵( 现场一般没 有温度计) ，然后对照设备上 气体豹实用状态参数魏线 圈2 之s r 气体状态参数曲线 的状态参数曲线( 设备上状态参数曲线很粗略) 去查密度值。显然，由子工作人员的 不同，读值和查表的误差很大。同时也没办法及时反应气体泄漏，因为对设备的巡视 是有一定时间阕隔的。 ：1 。2 指针式密度继电器监测 直接用压力表监测气体的泄漏有它明显的不足，密度继电器克服了压力表监测不 直接读数、不能实时报警的缺陷。 图2 3 z z ! 是目前用的最多的一种指针式s f 6 密度继电器的工作原理圈。根据以上所 的压力表的工作原理，波登管会随着s f 6 气体的压力变化而曲率半径发生变化，从 吏a 点发生位移，用双金属片的形变来孙偿温度对压力的影响，这就是密度继电器 作原理。 华中科技大学硕士学位论文 当气体密度不变时，如果温度升 高，压力变大，a 点上移，但由于双 金属片随温度升高而张开，a 、b 间距 离变大，则刚好使b 点保持不变，继 电器指针示数不变。当气体泄漏，密 度降低时，即使气体压力增加，但双 金属片的形变作用大于波登管的形变 作用，那么密度继电器指针示数仍然 降低。 既然密度继电器能反应气体的密 度，则在其指针系统上装上一个开关 量输出模块，当指针示数低于某一设 定值时，输出报警开关量。这样，较 图2 - 3 指针式密度继电器结构示意图 之压力表监测法，密度继电器就能实 现直观读数，实时报警的功能。 但是，密度继电器毕竟是一个机械装置，其使用也存在一定的局限性。首先，密 度继电器的精度般，并且耐振性能很差，容易出现指针卡死，因振动导致读数不准 等现象。其次，不能及时上传实时密度值，对于密度警戒值以上的泄漏不能及时发现， 这不能满足现代状态检修的要求。最后，也是最重要的，双金属片对密度继电器示值 变化的补偿并不是线形的，存在一个最优的温度补偿点，只能通过合理的选择双金属 片的形状，使它的实际补偿曲线在定温度变化范围内非常接近理想的补偿曲线。当 温度超出这一范围时，误差将会增大 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 】。 2 2 传统微水含量监测 s f s 气体微水含量测量的方法有很多，传统的、也是目前电力系统流行的测量方 法有以下三种：重量法，黾解法，露点法。 2 2 1 重量法 重量法被国际电工委员会i e c - - 3 7 6 号文件中列为仲裁法，因此，国内外在制定标 华中科技大学硕士学位论文 准时，都把它列为基准方法。为了准确的测定s f 。气体中的微量水分，各气体使用和 生产部门均应建立此方法。方法原理是：根据湿度值大小采集3 0 5 0 升s f 6 气体( 在 水分含量相当低的情况下，采气量可增加到5 0 一1 0 0 升) ，通过颗粒状无水高氯酸镁( 或 五氧化二磷) 吸收系统，定量的把水蒸气吸收下来，然后精确称其重量的变化。通过 计算得出结果。此方法准确，操作严密，但繁琐、耗气量大是其缺点。 具体的重量法测量s f 6 气体水分的装置如图2 4 所示【2 ”，图中氮气瓶是用来系统 干燥的，氮气通过干燥塔后，干燥的氮气能够对系统进行干燥。循环干燥几次，若连 续两次吸收管的重量之差小于o 2 m g ，则表示系统已经干燥。试验操作完成后，用吸 收管增加的重量和所通过的s f 。气体的多少很容易计算出气体中含水量的多少。 图2 - 4 重量法水分测定装置系统示意 l 二氮气瓶：2 ：s 乳气瓶；3 ：氧气减压裹：4 ：干惧塔、5 ：四通翘： 6 ：微量气体流量计：7 、8 、9 、1 0 ：吸收管：1 i ：干燥箱：1 2 ；湿式气体流量计 2 2 2电解法 电解法是国际电工委员会1 e c - - 3 7 6 号文件中列为日常分析方法而推荐的微水含 量测量方法【2 引。在我国很多单位都有此种原理的分折仪器，应用比较普遍。此方法的 原理是：s f 。气体通过一个电解池，把吸收下来的水分进行电解，电解电流经过仪表 或反应出含水量。电解池由两根平行自金丝作电极，装在玻璃或聚四氟乙烯管( 捧) 内( 外) 壁，在壁上涂以五氧f i 二二磷吸附剂( 用磷酸的水溶液涂敷电极，经脱水得到) ， 华中科技大学硕士学位论文 当气体通过时，把水分吸收下来，并进行电解。反应式如下： p 2 0 5 + h 2 0 2 i - i p 0 3吸收过程 4 h p 0 3 2 p 2 0 5 + 2 h 2 + 0 2电解过程 上两式之和：2 h 2 0 - - h 2 + o z 此电解电流严格遵守法拉第库仑定律，根据仪器测出电流和气体流量，很容器计 算出流过了多少电量，电解了多少水，也可以计算出气体的微水含量。为了计量方便， 便于仪表的制作，已把流量、温度和压力等等几个参数加以固定，所以当通以规定的 流量时，便可以知道含水量了。此方法在测定s f 6 气体时干扰因素少，数据重复，准 确度高、操作简单，尤其在测定低含水量时更显示它的优越性。 但此方法最大的缺点是电解效率。一般来说新装上的电解池电解效率可达到9 8 以上，随着使用时间延长，电解效率慢慢下降。有以下几个方面的原因： 1 、刚启动时，管路里含水量相当高，在电解过程中产生大量的h 2 和0 2 ，p 2 0 5 薄膜又很薄，会逐渐被破坏，形成不均匀的堆积物，使薄膜局部变厚。 2 、 s f 6 气体里含有微量的矿物油，当气体通过电解池时，矿物油也都被吸收 下来附着在电解池的表面。 3 、在使用过程中，长期的用极干燥气体吹洗，以致造成电解池越来越干，使 电解池内壁涂膜都由h p 0 3 转变为p 2 0 5 粉末，随着气流的吹洗而吹掉。 4 、 气体中含有与p 2 0 5 反应的其他杂质气体。 电解效率的降低势必会影响到测量的精度。一般情况下，当电解效率低于8 5 时， 就不能用了。 2 2 3 露点法 2 8 , 2 9 1 露点法是直接利用露点进行水蒸气气压测量的方法，也是一种日常控制水分的测 量方法。露点法在国际电工委员会i e c - - 3 7 6 号文件及补充文件之二中作了介绍，在 我国使用也是比较广泛的。目前国内使用的仪器主要有瑞士m b w 公司的d p 一9 ，德 国d i l o 公司的3 - - 0 3 0 r 0 0 1 仪器，其原理是用液氮或半导体帕尔贴电堆作为制冷源， 使测量系统金属镜面温度逐渐降低，当气体中的水蒸气随着镜面温度的逐渐降低而达 到饱和时，镜面上则开始结露，这时的镜面温度称为露点。通过光电测量系统的测试， 华中科技大学硕士学位论文 由仪表指示出露点值或含水量值。这种仪器对测试流量的变化不敏感，即测试流量在 一定范围内变化时，露点值不变。再根据露点值确定s f 6 气体的湿度。此方法下限可 达到- - 8 0 左右，精度为( 1 - - 3 ) 。 用露点法测量微水含量，需要消耗大量的冷源，测量过程需要排放一定体积的s f 6 气体到大气中，于设备运行和环境保护均不利。此外，当s f 6 气体中含油或四氟化物 等杂质较多时，往往会引起测量误差，从观察镜中看到结露时，有彩色或一层很厚的 白霜，说明s f 6 气体中含油量或其他杂质含量过多。 用普通露点仪测试露点时，需注意以下几个方面的问题： 1 、露点值是镜面压力的函数，即露点值是指对应压力下的露点，压力改变， 露点改变。因此，该方法测试时，要精确测试镜面压力。在实用中一般采 用大气压力法，即使镜面排气直通大气，镜面压力即为当地大气压，只要 精确测出当地大气压，即可知镜面压力。 2 、仪器制冷有过制冷现象，要等仪器露点值基本不波动时读数较为可靠。 3 、测试读数按国际规定以l l l 几表示。露点与的换算关系为： d c = l 1 0 6 昂 式中c ：露点值所对应的数 p 。：露点值下的饱和水蒸气压 p 0 ：测试露点值时的镜面压力 当然，测量s f 6 气体微水含量的方法还有一些，比如氧化铝敏感元件测湿法，石 英晶体振荡法，气相色谱法等。但目前常用的还是以上三种方法。经过归纳，以上测 量方法有以下凡个方面的缺点： l 、三种测量方法均不能实现在线监测。 2 、三种测量方法均对测量仪器及其规范使用有很高的要求。稍微的操作不慎可能 会导致很大的误差。对测量人员的要求很高。 3 、三种测量方法均需要耗费一定体积的被测气体，这无论是对于被测设备的使用 1 4 华中科技大学硕士学位论文 还是环境保护均不利。 4 、这三种测量方法很难考虑s f 6 气体压力，测量温度对测量结果的影响 3 0 , 3 1 】。所 测数据能否客观、直观反应s f 6 气体微水含量是否安全值得探讨( 本论文将在 后面章节详细论述) 。 本章小结 传统的密度测量方法有两种：气压表测量和密度继电器测量。气压表测量需要查 s f 6 状态参数曲线，密度继电器的抗震性比较差，他们均不能很准确的补偿温度对压 力的影响，不能及时反应密度在安全值以上的气体微量泄漏。关于微水含量的测量问 题，现在流行的方法均存在着测量方法繁琐，测量精度不高，测量结果可b b 较性差， 测量过程会造成气体浪费和环境污染等缺点。 华中科技大学硕士学位论文 3s f 6 气体密度监测研究 3 1 密度在线监测的基本原理 根据上一章所介绍的内容，因为温度的因素，压力不能直接反应s f 6 气体的密度 大小和泄漏状况。根据压力表压力、估测环境温度和s f 6 状态参数曲线来得到气体密 度显然是一种很粗略、不易操作的方法。目前使用的密度继电器能对压力进行温度补 偿，显示出补偿到某一温度下气体压力的大小( 实际上可以表示密度) 。但是在实际使 用过程中，密度继电器会出现指针卡死、抗震性能差、精度不够高等缺点，并且只有 等到密度继电器指针明显偏转时才能发现泄漏，短时间内很难知道泄漏率。 从压力表、温度计和状态参数曲线监测气体密度的方法出发，利用现代电子及传 感器技术，可以找到一种精确的实时在线监测气体密度的方法。将前人在对s f 6 气体 实验基础上得到的状态参数曲线加以数学处理( 高次方程拟合) ，就可以得到气体压力 p 、气体温度t 、气体密度p 之间的函数关系式。根据拟合方法和拟合精度的不同，可 以得到很多种不同方程次数、不同形式的关系式。目前最常见的s f s 气体状态参数方 程如下【3 2 】： p = o 5 7 1 0 。x ( 1 + b ) 一p 2 a ( 3 1 ) 式中：p 为压力( m p a ) ：t 为温度( k ) ：p 为密度( k g m 3 ) ；系数a 、b 分别为： a = 0 7 5 1 0 4 ( 1 0 7 2 7 1 0 。3 p ) ( 3 2 ) b = 2 5 1 x 1 0 3 p 0 0 8 4 6 x 1 0 4 p 1 ( 3 3 ) 本论文所述的s f 6 气体密度在线监测的方法就是，用一定精度的压力和温度传感 器直接测量出气体的压力p 和温度t ，在嵌入式系统中利用s f 6 气体状态参数方程直接 计算出气体密度p 。如果压力和温度传感器有适当的精度，可计算出非常准确的密度 值，就能分析出短时间的泄漏率。 现在行业内仍习惯于用2 0 ( 2 的压力来判断s f 6 高压电器设备是否压力越线。如果 根据p 和t ，计算出p ，则可以把p 和t = 2 9 3 2 ( 2 0 ) 代入3 1 式，很方便地计算出 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 0 时的压力p 2 0 。 用此种方法实现的密度仪能很方便的做到密度和2 0 压力的直接显示与远传：监 测数据自动记录、分析与备份；密度低限的报警等功能，实现真正意义上的自动化与 无人值守。 3 2 密度在线监测的数学基础 如何在嵌入式系统中根据所测量的气体压力p 和气体温度t ，利用s f 6 气体状态参 数曲线，实现s f 6 气体密度的计算和2 0 c 压力计算? 为阐明这个问题，必须先说明 工程数学在数字算法中的应用。 迭代法是计算方法中构造许多数学问题算法的一种基本方法，它便于程序实现， 对数字求解非线性方程及线性代数方程组十分有效。 3 2 1 简单迭代【3 3 i 方程f ( x ) = o 总可以化为一个等价的方程 工= 妒( 曲( 3 4 ) 若给定一个初值而，带入3 4 式右端，可算得一个新的近似值而= 伊) ，再将 代入3 4 式右端，3 l 可得x 2 = 伊( 工。) ，如此，继续下去，得一迭代公式 ， + 。= 9 ( ) ，k = o ，1 ，2 ，3 ( 3 5 ) 这时所得序列 ) 称为迭代序列，p ( 砷称为迭代函数。若存在x + 使 l i m x t = 工 ( 3 6 ) t 曲 则称迭代序列 以) 收敛于工，只要迭代序列收敛，一般总收敛于原方程3 4 的根。 这时可取x k + f 作为3 4 式根的近似值。这种求根法称为简单迭代法。 3 2 2 加速收敛迭代1 3 4 , 3 5 1 设而是工的某个预测值，用迭代公式校正一次得亏= 烈而) ，由微分中值定理得 夏- - x + = 9 ( 而) 一妒0 ) = 妒( f ) ( 一石) ， ( 3 7 ) 其中，f 介于工与x 0 2 _ 间。若p 0 ) 在有根区间内变化不大，近似地取某个固定的 华中科技大学硕士学位论文 值l ，则有 夏一x l ( x o x ) ( 3 ，8 ) 或工“葛+ 击( 五一) 作为工的一个新的近似值，夏比要好。依此类推，若记五和 屯为第k 步的校正值和改进值，则可得一个新的加速迭代的计算方案： 广校正：瓦+ l ；妒( ) ， ( 3 9 ) o 改进： + = 夏。+ 丁笔( 夏。一) ( 3 1 0 ) 此计算方案需要确定l 的值。如果按上述方法再进行一次，即设初值为，校正一次 得而= 伊( ) ，于是有一工z l ( x o 一工) ；再校正一次得x 2 = 妒( 而) ，则 工：一j c + * l ( x ，一x ) 。利用上面两式消掉l ，得 工：l 一照二苎! ：。( 3 1 1 ) 。 而一2 而+ 上2 故新的迭代算法为： 厂校正：茸+ 。= p ( x k ) ( 3 1 2 ) i j 再校正：x k + 。= 伊( 瓦+ 。) ( 3 1 3 ) 、 l 改进吒。一糕 ( 3 1 4 ) 3 3 算法推导分析 在前两节分析的基础上，本节主要针对3 1 、3 2 、3 3 式方程组，推导出计算密度 以及计算2 0 温度下压力的算法，并分析其收敛性。 3 3 1 算法推导 首先，根据3 1 、3 2 、3 - 3 式所构成的方程组，将p 和t 作为已知量，求解p 。 将3 2 式、3 2 式代入方程3 1 式： 华中科技大学硕士学位论文 p = 0 5 7 x 1 0 。4 ( 1 + 2 5 1 x 1 0 。3 p 一2 5 1 x 0 8 4 6 x 1 0 “p 2 ) p 2 ( o 7 5 x 1 0 一- 0 7 5 x 0 7 2 7 x 1 0 。p ) p = 0 5 7 x 1 0 。+ 2 5 1 x 0 5 7 x 1 0 7 护2 一o 7 5 x 1 0 4 p 2 + o 7 5 x 0 7 2 7 x 1 0 7 p 3 所以有： 一2 5 1 o 8 4 6 0 5 7 1 0 一。t p 3 ( 3 1 5 ) ( 0 5 4 5 2 5 x 1 0 一1 2 1 0 3 7 2 2 1 0 。o t ) p 3 + ( 1 4 3 0 7 x 1 0 。7 t - 0 7 5 x 1 0 。4 ) p 2 + ( o 5 7 x l o 一t ) p p = 0 将密度单位( k g m 3 ) 改变为k g t ? 。将上式变成： c p l 七b 分+ e p 七f = 0 式中： c = 5 4 5 2 5 - - 0 1 2 1 0 3 7 2 2 x t d = 0 1 4 3 0 7 t 一7 5 e = 0 0 5 7 x t f = 一p 3 3 2 迭代法1 在介绍用迭代法对以上方程 数字求解之前，介绍一下本论文 中采用的1 6 位单片机双字定点 开三次方的方法。 设开方方程为z ：瓶。 因为双字开三次方最大结果 为6 5 a ( h ) ，即前5 位为0 。计算 流程如图3 - 1 所示。 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 图3 - 1 三次开方算法流程图 1 9 华中科技大学硕士学位论文 用迭代法， 如果取迭代函数 则迭代格式为： ： 0 0 、= c 寸+ d 0 1 七e p + f = 0 俨浮 9 c 力：i d p 巫2 + e p + f p t + i2 代入c 、d 、e 、f 的值 为单片机定点计算，作如下置换： p = 志；p = 笋， 则：m “i = 0 1 2 1 0 3 7 2 2 t 一5 4 5 2 5 容易证明，在输入一定范围内的温度值和压力值，此迭代格式收敛。 ( 3 1 8 ) 赋迭代初值m 。= 8 0 0 ，将温度( k 氏度) 和p ( k p a ) 代入迭代函数。为满足1 6 位c p u 定点计算精度，将分子分母同时左移右移，满足所计算根号下的是一个在双字 表示范围的值，利用前述的开三次算法，可计算出m 。+ 。值。 最