（电气工程专业论文）六氟化硫开关微水含量在线监测系统研究.pdf

重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t s f 6g a s - i n s u l a t o rs w i t c h g e a rw a su s e dw i d e l yb e c a u s eo f i t se x c e l l e n ti n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e w h e nm o i s t u r ec o n t e n t i n s f 6g a s i n s u l a t o rs w i t c h g e a rr e a c h e st o a c e r t a i ne x t e n t , i tc o u l db ec o m p o u n d e dw i t hp r o d u c to fs f 6 s d e c o m p o s eu n d e ra r c a c t i o na n dt h e np r o d u c e sp o i s o nw h i c hr e s u l t si nc h e m i c a lc o r r u p t a tt h es a m et i m e ，i t a l s oa r o u s e st h ed r o po fi n s u l a t e dp e r f o r m a n c ea n db r i n go nf l a s h o v e ro fi n s u l a t e d s u r f a c e t h ee l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ci si n f l u e n c e db ym o i s t u r ec o n t e n t a sw e l la st h eb a d n e s sw o u l d h a p p e n 。 1 飞ep a p e rs t u d i e st h es o n r c e c h a n g er u l ea n dq u a n t i t a t i v e l yh a r mo fm o i s t u r e c o n t e n ti ns f 6g a s ，a n da l s oa n a l y s e st h ea c t u a lt e s t i n gm e t h o d sa n di t sd i s a d v a n t a g e s o fm o i s t u r ec o n t e n ti ns f 6g a s ，t h e nt h ea u t h o rb r i n gf o r w a r dt h en e c e s s a r yo f t e s t i n g m o i s t u r ec o n t e n to n - l i n e a u t h o r b r i n g sf o r w a r d t h es c h e m eo f u s i n gr e l a t i v eh u m i d i t y , t e m p e r a t a r ea n dp r e s s u r e a sc h a r a c t e rv a l u e sa n dg i v e st h ec o n v e r s i o nf o r m u l a eo f h u m i d i t y u s i n g t h ef o r m u l a ew i t hc h a r a c t e rv a l u e s ，i tc a n g e to t h e re x p r e s sm e t h o d s o f h u m i d i t y ：d e wp o i n tt e m p e r a t u r e ，a b s o l u t eh u m i d i t y , v o h m a e r a t i oa n d w e i g h tr a t i o t h e m e a s u r er e s u l t sc a nd i s p l a yt ou s e r b yc o m p u t e r 确ep a p e rs t u d i e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f h u m i d i t ys e n s o ra n d b r i n g sf o r w a r du s i n gm a e m m o l e c u l ep o l y i m i d e b a s e dc a p a c i t i v eh u m i d i t ys e n s o ri nt h e m o i s r a r e m o n i t o r i n gs y s t e m w h i c hh a s p h y s i c a la d s o r p t i o n a n dc a ne o n t i n u o u s l y m e a s u r eb e t w e e n0t o1 0 0 i nr h b y a d o p t i n gt h em e t h o do f s a t u r a t e da q u e o u ss a l t s o l u t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n st h ee q u i p m e n tt op r o d u c et h eh u m i d i t ys o u r c ea n ds c a l e s e n s o r s t h ep a p e ra l s os e l e c t sat h e r m o s e n s i t i v er e s i s t a n c ea n dap i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r es e n s o r t om e a s u r e t e m p e r a t u r ea n dm e a s u r e o f s f 6g a s a u t h o rd e s i g n e da l lt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，s e n s o rs e a l e dc h a m b e ra n ds p o tb o x f r e q u e n c ys e n d i n gc i r c u i t ，s i g n a li s o l a t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i tw o r kw e l t 。s e n s o r s e a l e dc h a m b e rp e r f o r m sag o o dc o n d i t i o n ，a n ds e n s o r sf i x e di ni tc a nd ot h e i rj o b e x c e l l e n t l y t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mh a sa l m o s tc o m p l e t e d ， k e y w o r d s ：s f 6g a ss w i t c h g e a r , m o i s t u r ec o n t e n t ，o n l i n em o n i t o r i n g l l 重痰大学硕士论文 缝论 1 绪论 1 1 六氟化硫绝缘开关气体中微量水分禽量在线监测的重要意 义 伴随着国民经济的迅速发展，社会对电力的需求越来越大。在电力系统向 趣麓压、大泡阏、大容量帮鑫动纯方自发蓑熬同爵，瘸予关合及开凝毫力线路， 以输送和倒换电力负荷以及从电力系统中退出故障设备以保证系统安全运行的 嵩臻开关裁莲褥戈为重要了。竣捷较普遍袋弱兹是潋涵为余震黪开关电器，僵 随糟人们对s f 6 气体优良的绝缘和灭弧性能的认识，油开关已经逐渐被sf 6 气 髂缝缘开关电器酝墩捷。六氟证醵( s 秘气髂是交法溪嚣位纯学家m o i s s a n 帮 l e b e a u 于1 9 0 0 年合成的“3 。工业上首次将s 凡用于开断电流始于1 9 5 3 年，当时 只锾出了1 5 1 6 1 k v 裹压受穗开关，牙薮电滚6 0 0 a 8 。美墓开截了将s 魏气传雳 于高压断路器的先河1 9 5 6 年，美国西屋公司首先开发出1 1 5 k vl o o o m v a ( 5 k a ) s f o 凝路器“3 。1 9 6 5 年，第一台s r 气终全瓣翅组会逸器润避，搜赢疆电器发生 了威的飞跃“1 。国产第一台li o k v s f 。气体全封闭组合电器也于1 9 7 3 年投运“1 。 曩翦，各静s 气体绝缘设袋戆技术参数已达到了缀高豹水平。在中压领域，s 凡 开关同真空开关已成为并驾齐驱的两大支校；在高压、超高压及特高压领域， s f 6 气体几乎成为躜蹲器和6 i s 的瞧一绝缘鞠灭弧介质。 s f 。气体无色、无味、无嗅、无海、不燃烧，属惰性气体。在常温、常雁和 较蔚温度下，化学性质稳定。s f 。气体分子黛较大，为1 4 6 ，是氨气的5 2 倍； 它的密度在2 0 。c ，气压在1 0 1 3 2 5 p a 下是6 1 6 k g m 3 ，为空气的5 1 倍；同体积、 同驻力的s f 6 气体比空气重“1 。s f 8 气体的击穿过程与空气相似，所不同的是s r 气体中的瓤是卤族元素，易于吸收自由电子形成负离子同时释放电予的亲合能， 具稳很强的电负性。与自出电子相比，负离子重量大，平均自出行程短，在两 次磁撞之间的自由行程中获褥的动能和漂移的速度小；勇一方面它和分子发生 弹性碰撞又容易损失原来积累起来的能量。因此，负离子要积累足够的能蠛并 导致气体避一步碰撞电离的可能往校小。冀次，s f , 气体分子的半径眈空气中酌 氧气和氮气分子的大，使得内由电子在s f 6 气体中的平均自由行程缩短能量不易 积蘩从而减弱碰撞电离能力。在s 氏气体中，正是l 蠡于电子的净碰援窀离系数很 小，迁移率低的负离子又极易与正离子结合为中性分子，因此s f 6 气体的绝缘 强度缀离。 由于s n 气体具有以上优良的绝缘、灭弧性能以及s f 。气体在绝缘组合电器 中袋俸凌凑懿优越撵，运3 0 年闺s 民气薅在高歪惫气设备中静应矮墩褥了豫天 重庆人学硕士论交 的谶袋。上箍描述的绝缘、灭弧往能都是针对纯净的s 艮气体，僵是在缀多情猛 下，现场电气设备中的s 民气体并非总是纯净的，其性能也就不能等间于纯净气 体。s 艮气体在其生产过程中或者在离能函予的作蠲下，会分解产生肖毒甚至涮 毒、强腐蚀性有害杂质，当体系中存在水分、空气、电极材料、设备材料等， 会罨致分麓_ 进程的复杂证，致使分辩产耪豹数量葙释类朔纛臻加，英危害魂显 著加大。因而对s f 。气体实施严格的质量监督与安全管理是确保设备可靠运行和 入身健潦安全的重簧绦涯。行篷标壤d l t 5 9 6 1 9 9 6 “毫力设备蓣转瞧试验藏程” 对运行中的s f 8 气体的试验项目和周期提出了严格的要求，熙体标准与要求见表 l 。】。 裁1 1 运行中s f 6 气体的试验项目、周期和要求 痔号磺嚣蠲鳎要求 断路器灭弧室：大修后不大 溅发卜3 年( 3 5 k v 以上) ；于1 5 0 ，运行中不大于3 0 0 l ：2 0 c 髂狡分数，l 酽)大修嚣；茹簧露其它气窒：大修惹不丈予 2 5 0 ，运行中不大f5 0 0 密度 2 必要对6 1 6 ( 标准获态下，k g ) 3毒性 必要时无毒 酸度 4 _ 火修螽致必疆时o 3 矮量分数，1 0 ) 四氟化碳大修后0 0 5 5 大修后或必要时 ( 质量分数，)运行中0 1 空气大修磊毡0 5 6大修后或必要时 ( 质量分数。)运行中0 2 可水解氟化物 7大修后或必簧对1 0 ( 质量分数，1 0 4 ) 矿物油 8大修后或必要时1 0 ( 质量分数，l o “) 湿度蔻s f , 气体的试验中昀一个重要的项莓，主要是因为s f 8 溆气设备中永 分来源广泛和水分对设备产生的危辔很大。s r 气体绝缘断路器气体中的水分主 癸来源于醚下死个方嚣： ( 1 ) s r 新气中固有的残留水分0 1 。这是出于生产工艺中不可能绝对排除水分 静缘敌。我疆规定s & 薪气中斡含零星不超过8 p p m 。 ( 2 ) s f 6 气体绝缘电器设备在制造运输、安装、检修过程中都可能接触水分 著褥承分浸入到设舔的各个元件中攫去8 3 ，包括气室中懿帮终在安装嚣未貔完 全干燥好；安装或检修时环境湿度过大；气舱内真空度未达到要求使含有水分 懿气蒋得 美残警，麓露器鼙上醛羞承分；系统密封不严密。 ( 3 ) 尽管采取干燥措施，s f 6 气体绝缘电器设备的有机绝缘材料内部仍含有 9 1 蓠一o s 煎量毙熬零分”，在设备运行过糕中会缓镘翅肉多 释教。 重庚大学骚士论文 ( 4 ) 吸附剂带入水分。s r 气体绝缘电器设备中的吸黼荆活仡楚瑾时闯筑以 及吸附剂在安装时暴露在空气中时间一长就会带入数量可观的水分“。 ( 5 ) 作为绝缘分质的s r 气体在运行一段时闯蟊含水量藏会舞离。试验诞暖 气体中的水分含量随着环境温度的升高而增高。这是因为当温度增加时，零 部 牛静永分旅击量蹭翔，傻s f o 气体瀚舍承豢增熬：褥当温篷降 氐时，容器两壁 以及零部件吸回一部分水分，使s f 。气体的含水量降低。而当外界环境温度升高 詹，空气串潼废增大，虽然s 民气体绝缘龟器设备两帮瓣匿力毫予设备乡 鄂，僵 s f o 气体中水蒸汽分驻力却小于设备外部的水蒸汽分压力，水蒸汽由设备的外部 囱内部渗逶。 ( 6 ) 透j 遗密封件渗入的水分“”。虽然s f 6 气体绝缘电器设备有可靠的密封系 绕，毽拳蒸汽懿分予轰径必3 2 x 1 0 。寒基鼙￥垄，嚣长羹熬s r 气体豹分予直 径为4 5 6 1 0 。o 米，水蒸汽的分子赢径小于sf 6 气体，因而水分的渗透力极强， 镄然霉葭逶_ 过塞羹潮骧进入设冬”。 当s f 6 气体绝缘断路器中的气体含有水分并达到一定程度后，会引起严重 兹不是嚣暴。英危枣表现亵皴下几个方嚣： ( 1 ) 水分引起s f 6 气体分解物化合反应产生毒性化合物： 在高瀑小电流魄弧痒用t ，s f 6 会分织产生低簸纯台物，反应式为： 电就 甄* s f , + 如 ( 1 1 ) 这些分解物又辔易和包挺水分在内的其它物质邀一步艇应产生肯毒性的其 它化合物“1 ： s f , + h 2 0 = s o f 2 + 2 h f ( 1 | 2 ) s o f z + 0 = 溉+ 2 凇 ( 1 3 ) s o z 十h 2 0 = h 2 s 0 3 f 14 、 s o f 4 + h 2 0 = 鼢五+ 2 h f ( 】5 1 s r 气体与铜一钨电极材料发生反应的产物件e 又会和水分产生如下反应： 峨+ 2 0 = 敝珥+ 2 h f ( 1 + 6 ) w o f 4 十2 h 2 0 = w 0 3 + 4 h f 。 ( 1 7 ) s f , ( 嗣氟纯硫) 对入体肺部极其侵害作用、影响呼吸系统，毒性与光气并 列；s o f 2 ( 氟化亚硫酰) 为刺激性劂毒气体，可导致肺水肿而使动物窒息致死； s 0 2 e ( 二氟仡硫酰) 为无刺激毪豹气体，w 弓l 超麓裙全鸯痉挛稻呼啜器官麻 痹。这些毒性气体撤易向外部泄露，不仅威胁到设备运行和维护人员的人身安 全，两置对蜀围生态环境帮大气环境造成搬箕严重豹污染帮破坏。 ( 2 ) 水分引越设备的化学腐蚀 s & 气体中含有水分霹，在2 0 0 对就会产生东解： 3 重庆丈学硕士论文 2 s 瓦+ 6 h 2 0 = 2 s 0 2 + 1 2 h f + 0 5 1 8 ) 反应生成物氢氟酸( h f ) ，是所有酸类物质中腐蚀性最强的，它烂对生物具 有强燕疼德的毹毒物质。勇一类生成镑s 0 2 缀易遇东纯合生成亚馥黢帮，s 0 3 ， 具有较强的腐蚀性。它们对s k 气体绝缘断路器中的盒属部件和绝缘件能产生严 重酶侵馁佟溺两使绝缘劣讫，降低设备静镶掰注能和最终寿余。 ( 3 ) 水分对设备的绝缘产生危害 大量磷究表翻“，当s 致气锌牵豹承分数气态形式存在或疆霜静形式凝聚在 绝缘表面时绝缘表面的闪络电压并没有明显的变化。但当sf 6 气体中的水分超过 一宠滚瘦薅，不蔹会壤霹蒋绝缘( 多为嚣氧褥臻) 弱蛙戆下降，嚣显随着癸郏 温魔的变化，这些水分会在设备内部的绝缘件和金属部件表面产生凝结，降低 澄绝缘 串表瓣兹电瓣劳改交蔟电场分蠢，扶嚣大大簿低绝缘裘莲豹阂终逛溅。 ( 4 ) 水分影响开关的开断性能 磅究实跤涯裴，拳分对s 舞关辩叛牲熊存在一定兹影哟。试验中曾经多次 发现s f b 开关因水分含量较多导致满容量开断试验失败，断口间因绝缘能力不足 在恢复电基峰值辫遐鼓击穿。来更换 壬舅零馋，只是痔气抟手澡之麓却蹶裂褥 通过开断试验“”。原因在于：s f 6 被电弧分解后，主要分解产物是胙? ，其次 是s f ；、s 譬及负离子巧、f 一和s f 一。在电弧电渡过零慰，这些燕负离子缀 快复合成负电性的s f , ，使断口间的介质强度迅速恢复。而水分的存在，对绝缘 介质的恢复起了阻鼹 睾用“”。这是出于s 日被水鳃，馒断懿闽重掰复合的s r 分予数减少，即水分阻碍了s 凡分解物的复合： 暇+ 玛o _ s o f 2 + 2 h f ( 1 ，9 ) 还由于在高温时被水分解： s f , + 4 马0 叶h 2 s o , + 2 h f ( 1 1 0 ) 蒋加上部分硫酸在高温时分解，使水分增加： 2 h 2 s o , 斗2 s 0 2 + 2 h 2 0 + q ( 1 1 1 ) 这种恶性循环的结采，便弧隙s 心分解鬃增加丽复合量减少，吸附电子的能 力下降，造成开断性能下降。 ( 5 ) 水分降低开关的梳械侄憨 水分渗入操作机构的液压油会腐蚀机构部件和密封件，进而引起内外泄露 篌油压不足降低辊梅力的传递；涵璇中合裔承分，会影确开关的分舍闻动佟时 间和速度；油路中的水分凝结会堵塞循环回路，这在重合闸过程中尤为严熬。 这黧霹素都霹导致拜关囔酒、搪动麓至弓| 起爆炸。“。 i e c 标准：新s f 6 气体的规范和验收( i e c 出版物3 7 6 ，1 9 7 1 年) 、电气 设餐中s f 6 气体检验导粥( i e c 塞敝甥4 8 0 ，1 9 7 4 年) ，我餮溺标g b t 8 9 0 5 1 9 9 6 4 重庆犬擎硕士论文 六氟往硫电气设备中气体管理和稔测导羹4 、电力设备预防往试验蕊稷耱 有关各国标准都对s 艮气体新气和设备间隔中运行的sf 6 气体的水分含量做出了 严格的麓定( 觅表1 2 。 表1 2 六氟化硫设备气体中含水量标准指标 t a b l e1 。2m o i s t u r ec o n t e n ts t a n d a r dg u i d e l i n ef o rs f 6 g a se q u i p m e n t 中华人融共电力行业日本三菱i 虫国i e c s f + 气体类别 和毽瑶栋标准公司麓尔辐通括准 s f + 气体新气 8 p p m 。8 p p m 。1 5 p p m 。 设有电 蕊甄产 投运翦 1 5 0 p p m ，1 5 0 p p m ， 1 5 0 p p m ， 不辘超过 间生的 隔气隔 投运后 3 0 0 p p m ，3 0 0 p p m ， 厂家规定 内 的 无电 投运蘸 5 0 0 p p m ，2 5 0 p p m ， s 凡 弧产 5 0 0 p p m 。 不能超过 气 生的 10 0 0 p p m ， 气蕊 投运后 1 0 0 0 p p m ，5 0 0 p p m ， 厂家规定 体 对s f 。气体水分含量进行在线监测，及时发现设备内部的潜在问题并采取相 应羧茨接藏，怼提藏设各戆安全继潦运嚣承平其寿蓬要意义。 1 2 六氟化硫绝缘开关气体中微量水分含量在线监测的研究现 状与发展趋势 与预防性试验捆比，农线监测系统采用更高灵敏凄的传感器以采集运行中 设铸的相关信息，信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机系统 及网络。这样不仅w 以把某些预试项目在线化，恧鼠还可以引进一些新的更真 实反映设备运行状态的特 i e 璧，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促进电 力设备由定期试验向状态检修过度的进程o ” 1 “。面对于s f 6 气体绝缘开关微水含 萤的在线髓测和诊断，在国内井文献和情报检索中述没有发现有成型的方法和 实际应用的研究。这是因为s f o 气体中微水测量属于低湿度范畴的测基，并髓牵 涉至i 温度、压力等诸多的物理量；两置湿畿传感器擞然被广泛应用予各工稽领 域，但其本身仍不成熟，湿度传感器仍然是目前最落后的传感器之“。 舀前冒内井鼹s & 气体绝缘开关中徽本含量的箍测主要采取“在线擒取样 气，离线标准测量”的方式进行。样气含水量主要使用微水仪进行测量，其原 理主要毒羹譬法、跑您法、露点法、振动频率法、阻窑法镣潮。“。其中重蘩法 是i e c 的仲裁法，我国在样气检测中一般采用电解法和露点法。 ( 1 ) 耋量法 此法为经典的水分基准测量方法。其原理是让一定体积的s f 。气体通过搿先 已褡重豹鬏粒获无拳鑫氯酸镬或五辍纯二磷翡啜毅系统，稔农蒸汽缓渡下卷。 重庆天学硬士论文 l 缝论 然稀使用精确称重设备称量暇承奔藏的重量变纯，孬豫良气体体积就得蜀气体 的含水量。这种方法的缺点魑具体操作比较困难。为了达到测量精度必须得到 是够璧的吸觳水质量( 一簸不夸予o 。6 9 ) ，这对于低滋度气体雾鬻困难，只露趣 大样气体积和流量。而样气的体积十分有限，增大流量又会导致测量误差增大。 这种方法对实验条馋巍久受素质要求较高。 ( 2 ) 电解法 这耱方法是我嚣普遍采嗣豹测量方法。主要是棂撵电惩嚣理“，将被试s 民 气体注入电解池，气体中的水分被五氧化二磷吸收剂吸收并发生电解反应： 最g + 3 h 2 0 = 2 玛p 0 4 ( 1 1 2 ) 4 嚣，p 0 4 - - 2 芝绫+ 6 h 2 0t + 3 0 2t ( 1 1 3 ) 根据电解水分所需电量与水分含量之间的关系式，：i c e i r 鬲0 v 厂q 1 0 一一( 为电 簿奄滚，u a ；c 麦气体含承豢，帮搬，；f ：9 6 4 8 7 c ；p ；麓；瓦：2 7 3 k ； v = 2 2 4 l ；p 为压力，p a ；t 为运行气体温度( 彤) ：q 为试验时气体流爨， m l m i n ) ，霹夔由觳滚l 谤冀出气髂瘩分含藿e 。尽管这耱方法于拔嚣素少、 数据重复率及准确商，在测量微水时更具优越性。假其最大的不足之处在于电 簿、浚弱效搴会夔羞黪阉兹壤鸯毽嚣簿繇；一方淫逛鳃产生兹氧气嚣氢气会破塔五 氧化二磷的薄层而形成不均匀堆积物：另一方面气体中的矿物油等杂质会附着 在毫矮浊表嚣叉与五氧纯二磷发生不可逆爱废。纛予爆气体约吹洗会导致电薅 池表面五氧化二磷薄膜粉末化从而脱落，最终流失。因此，这种微水仪必颁定 期进行校骏移元件物瓣更换。电舞滤款气路在菠翅魏要于燥很长时闽，对气体 的腐蚀性和清洁性要求较高。铂电极容易钝化，从而降低电解池的使用寿命。 ( 3 ) 露点法 这种方法的原理是利用液氮或半导体避行制冷，使测鬣系统金属镜面流度 不龄降低。当被试气体中的水蒸汽隧镜面滠度的降低丽达到饱和时，镜面袭面 开始结露( 此时的温度称为嚣点) 。通过光电测试系统指示出露点值，并根据露 点使与气体含水量的关系确定样气的水分含量。这种方法掇作复杂，不能用于 连续测量，般用于精密瓣蓬和校准。由予气体中筋于冷凝的气态杂质较高或 矿物油的存在会影响光电检测效果蜮产生“伪结露”现象遗成测量误差，因而 对样气的清洁度和腐蚀度要求高。另外，气俸的流鬟必须适当，测餐操作要求 相当严格。 ( 4 ) 搬动频率法 根据吸湿性石萸晶体吸收的水分质量不同时振动频率也不同的特点，让样 气和标准气体流经该晶体，戮蠢产生不同的滚动频率鱼和趣疋。计箨两频率之 5 重痰大学硬： 论文 差就可戬得别样气的瀑度。邃萃串方法在使舔褥同样瑟干燥气整。盘予需要潮备 标准样气，所以适合实验室条件。 ( 5 ) 隧容法 这是一种不断完管的测摄方法。利用表面具有氧化薄膜的高纯锅棒与外镀 多空静霹袄余膜之阉形成韵淹容霞薅徉气承分含量懿多少露变纯的特洼溅取滠 度。这种方法测量量程低、响应速度快，适用于现场和快速测量场合。缺点是 精纛较差，京僮爱过程孛感浸俸较窕受舞被溯气终豹污染，经其洼麓参数发生 变化。即使朱受到污染，所用感湿材料也存在衰变，阻容参数随时间的推移而 发，圭交证。 以上这魑方法在具体使用中存程很多不足：气体微水测试仪的不同及测试 蔹零上熬差菇薅测试结果影翡缀大；苓仅撼取窝检渊气体时 竽在较大豹人受误 差，而且样气进入检测装置前后周围环境对湿度的煅终结果影响极大；从取样 到实验室分毒母，终照渡程复杂，花费熬薅阂鞫费矮较赢，在技零经游上不熊逶 应电力系统发展的要求；检测周期长，不能及时发现设备的潜在隐患和进行有 效熬跟踪鉴测：毽为受设备费周和技术力量熬限制，不可能每个变泡避都酝鍪 含水仪，运行人员无法随时掌握和甑视开关设备的运行状况。 鉴于以上的不怒之处，人们开始攘寻蠢没毒别的方法可以替代这些传绞的 方法。在线监测技术在电力系统中备受关注，因此我们开始对s f 6 开燕微水含量 实旒在线监测进行磺究。蔼魁随羞离分子孝才料及应用技术的发展，以各类蕊分 子功能材料制成的漱度传感嚣和漫敏元件由于具有优良及独特的性能，成为国 内外争相研究的内嚣。包括聚酰亚胺湿度传感器在内的这类传感器用于低溉度 测= 霪 将会促进和拓展s f 6 气体微水含蕊在线监测技术的发展。 3 本文矫究豹主要内容 1 、分析六氟化硫气体中微水含量的变化规律及其影响因豢，确定在线监测 特 歪鲞及相癍盆溺葳筐； 2 、结合六氟化硫气体微水含量在线监测的具体实际和技术要求，选择并制 备秘瘫的徽爨采分蕊感器、滋凄筵戆器及嚣力簧感嚣；弓l 入遥警酶烬定方法， 测试并确定湿度传感器感湿特征量与微水含精之间的关系； 3 、确定六氟纯虢绝缘开关气舔微寒舍鬟在线羹溅系绞王 车乐毽及实藏方 案，进行在线监测系统的整体硬件结构和软件设计，实现自幼化； 4 、完袋整套装蓑弱实骏室谖试髑模掇实验，莠对数攥送学分辑。 了 重庆大学硕士论文 2 澄度的基本理论及标定 2 湿度的基本理论及标定 众所周知，空气是多种气体的混合物，其主要成分是氧气和氮气，以及总数 不裂1 戆舔鸯气体窝二戴纯碳。魏努，空气中还毒一穆经零交绽懿或分承汽。 以蒸汽状态存在的水，浅们把它当作气体来看掩。按照热力学的习惯，当气体的 瀣疫低予荚蘩癸渥度露藏穆为蒸汽( 承蒸汽又露麓髂为蒸汽或承汽) 。滠痉测鬃学 的研究对象就怒气体中以蒸汽形态存在的水“”。 2 1 湿度基本理论 2 。 。 衣及水汽豹性矮 水的旗本物理化学性质 i ) 分予量秘密度 氧同位素的存在使水的分予量为1 8 0 1 5 3 。极性水分子在4 0 c 时全部为二聚水 ( l 零) 。，使其密发达到墩大壤。 2 ) 表耐张力 滚体魏表艨分子受剿来自内层分予豹吸弓| 力与来巍表层乡 其它介臻分子豹吸 引力是不相同的，这就形成了液体的表面张力。表面张力随温度升高而减小。表 嚣张力影瘸液藉上豹乎臻水汽压，在漫度计量实践中楚个必须考虑靛豳素。 3 ) 溶解度 物臻兹溶簸可分为豳一滚、泼一渡秘气一滚三耱馕凝。气钵在液钵中的溶熬发 除了与物质结构及分予之问作用力的类型、大小等因素有关外，还与气体的沸点、 湿度蠢关。沸点、瀑度愈襄溶解度就愈大。压力只对气体的溶解度发生影响。 作为极陛溶剂的水能溶解某些带有极性的分子型物质和许多带电荷的离予型 物蒺盐类。在湿度计量中零使曩熬类兹键秘水溶液寒发生憾漫气钵。 关于平衡和饱和的概念 戈了理解激空气秘水汽的蒺些物理意义，特剐是它们在饱髑状态下的定义， 必须首先明确平衡和饱和的概念。无论在单组分或是混合物中，物质的“相”是 指体系内部物理和化学性质完全均匀的部分。热力学中的三相为固相、液相和气 相。在气体湿度测量领域内，固相一般指冰，液相一般指水，黹气相则是指纯水 汽或者水汽与于空气的混合物。 研究的体系可以是单桶的、两相的或移稆的，铡如湿空气、瀑空气与承共存或温 空气、盐水溶液和固态矬共存的体系。 1 ) 平衡 8 重庆大学硕士论文 2 湿度的基本理论及标定 这里以一个密闭容器中的气一液平衡为例说明平衡的概念。液体中某些运动 速度很高的分子具有足够的动能克服分子间的作用力而逸入气相。而进入气相的 分子中有些又会碰到液体表面而重新返回液体。当体系恒定在某一个温度时，凝 聚的速度逐渐接近蒸发的速度，最后达到动态平衡。此时，单位时间内凝聚的分 子数恰好和蒸发的分子数相等，气相分子的浓度就具有一个不随时间变化的恒定 值，而达到气一液平衡，即所谓随遇平衡。 2 ) 饱和 为了提供一个可以复现的标准及方便起见，在标准的饱和定义中两相之问的 分界面规定为理想平面。与固相( 冰) 或液相( 水) 平衡的气相，可以是纯水汽，也可 以是水汽与空气的混合物。这样在定义饱和时就要考虑到所出现的四种情况：由 纯水汽组成的汽一液平衡；水汽与冰的饱和；湿空气与液体水的饱和；湿空气与 冰的饱和。饱和是一种动态平衡态。在该状态下，气相中的水汽浓度或密度保持 恒定。饱和是湿度定义的基础。 汽化和蒸发 水从液体转变为蒸汽的过程称为汽化( 有蒸发和沸腾两种方式) 。在湿度测量 中所遇到的情况大多属于蒸发过程。当水分子的蒸发速度等于凝结速度时，体系 达到动态平衡，这种状态称为饱和。 饱和水汽压e 。与温度r 。之间存在一定的函数关系： p 。= 厂( f w ) ( 2 1 ) 2 1 2 饱和水气压方程 描述水汽压和温度之间精确函数关系的饱和水汽压的方程很多，这些方程一 部分是以理论概念为基础的，但大多数都是由实验数据归纳整理出来的经验公式。 这其中，克拉柏龙一克劳修斯方程和卡末林昂尼斯方程是水汽压公式基础， o o f f g r a t c h 公式一直为世界气象组织推荐使用。而w e x l e r 的水汽压公式也被广 泛使用。 1 ) 克拉柏龙一克劳修斯方程 克拉柏龙一克劳修斯方程是表示物质相平衡的关系式，它把饱和蒸汽压随温 度的变化、容积的变化和过程的热效应三者联系起来。该方程适用于任何纯物质 的平衡体系，利用它可以导出包括水汽压公式在内的各种蒸汽压方程。式2 1 2 就是 著名的克拉柏龙一克劳修斯方程“： 去= ( 要) 。 ( 2 2 ) t ( v v 1 、d r “ 9 重庆大学硬士论文2 湿度静基本理论爱称定 藏中( d 鬲e ) s 为谗和状态下饱和水汽愿随溢廉的改变潼。 2 ) 卡束抟磊恁囊方程 窳际的蒸汽和理想气体不同，卡束林昂尼斯气体状态方程考虑了气体分子 零身舆蠢豹棼积弦芨分子闽闼啜葶 力的影襄。 卡沭林一昂尼斯方程以级数形式袭示为“ p v = a 鸯p + e 2 + 劬3 + 2 + 3 其中p 靴v 分掰为气体的压力帮体积，a 、b 、c 、d 分莉称为第、第= ，第三兰、 笳靼缝墨系数，均与瀣发套关，它体现了分予闼力豹| 罄用。第一缨里系数a = r t ， 冗是气体常数，r 是绝对温度。 为便于研究水汽匿，可姆上式泼霉为 p v = r 。t o + 嚣( ? ) o 十c n 口2 十) = z 。r w t ( 2 。4 ) = ( 1 + b 7 ( 7 1 弦+ c ，) 8 2 + ) ，为水汽压缩系数，b ( r ) 和c e r ) 分别为7 k 汽的第 二移繁三维受蕊鼗，它稻都霹通过实验溅定。关于第二维星系数静计蒋式如下瓣， 嚣仍：1 1 0 4 4 6 8 7 ( 等黔x l o 菥一 砌。 2 ， 第三壤里黎鼗c ( r ) 毽可避议墟逶过实验求是： 一i n c + = ( 巩+ 了d 1 + 务+ ( 2 6 ) 其中系数d o = o 3 1 1 0 1 8 x 1 0 3d = 一o 3 4 9 6 3 4 1 0 s 式= o 。i t 6 9 9 4 x 1 0 9磊= _ 番+ t 2 6 7 7 9 x 1 0 4 1 帮四维里系数在所讨论的漩度范围内可以不予考虑。 3 ) g o f f - g r a t c h 蟪窝瘩汽压公式 从1 9 4 7 年起由世界气象组织就推荐使用g 晓矿一g r a t c h 的水汽压方程是公认的 最准确翡公式，嚣雪予水平瑟生黪鳃积承汽题，g o l f g r a t c h 绞出麴计算公式如 下： 逗2 极移5 8 簿一7 t o i _ - 一5 。驼8 。s l 武争 + 1 0 5 0 4 7 4 x 舀。【l 1 0 4 恻和l 。+ 4 2 8 7 3 x 1 0 3 一删( 1 一争- i + 氇7 8 s l 1 3 ( 2 。7 ) 式中，矗i 为水的三相点温度( 2 7 3 1 6 。o ，t 为绝对温腱( 芷) 。 4 ) w e x t e r g r e e n 筝a n 承汽匿公式 1 0 重庆大学硕十论文2 湿度的基本理论及标定 表2 1 是o 一4 1 w e x l e r 的饱和水气压表。 表2 10 c 一4 c c 温度范围内水的饱和蒸汽压 t a b l e2 1s a t u r a t e dv a p o r p r e s s u r eo f w a t e r ( 0 0 c 4 1 0 c 、 藿庚天学蘸埝文2 进度酶墓本堙蓬及撂定 荚嚣嚣家檬准弱鹣w e x e r 帮g r e e n s p a n 穰罐箕毯学者发衮浆求覆上键窝_ 东汽 压的糙密测量值，以克劳修斯方程为基础，导出了0 - 1 0 0 范围内水面上的饱和 承莲懿诗算公式，该式簿诗雾俊与实验馕基本蛰台。校据式( 2 。3 ) 积式( 2 。4 ，承 汽的状态方程可以改霹为 v ：照：竖( 1 + b e 十c 0 2 + ，、( 2 8 ) 代入裁劳修薪方程送行简单的数学运辣之后变巍 砷2 皓d t 一酶，警d t 貔驰 式中粒e 是档瘦子激发嚣期r 对豹初始承汽缀静最终水汽压。等式峦边豹第一顼 积分怒水汽压的主要缒成部分，第二积分项反映了水汽压与聪怨气体的差别。式 中y 、z ， 嚣，c 3 可以遵过方程求出。媸助数学中豹逐次逼近法得到以显函数形式 表达的承汽压方程： | 建= g r “+ c , l n t ( 2 + o ) 式孛e 产一o 。6 0 4 3 6 11 7 xt 0 c f 扶1 8 9 3 2 9 2 6 0 1 1 0 2 c 2 = - o 。2 8 2 4 4 9 2 5 t 0 - 1 c 3 - 0 1 7 2 5 0 3 3 1 x 1 0 c 4 = 0 2 8 5 8 4 8 7 0 x1 0 擞握世雾气象组织熟建议，上述公式又篱饿为： l n e 。= - 0 6 9 5 1 7 4 8 x 1 0 4 t 一十o 2 1 1 6 7 1 3 5 9 5 1 0 o 2 7 2 2 4 0 4 1 0 “t + e 1 6 8 0 7 9 0 x i 0 。t 2 + i n ( 2 4 5 0 5 0 5 8 ) ( 2 。1 1 ) 5 ) 饱葶秘水汽压的薏化公式 g o l f g r a t c h 和w e x l e r 静饱和水汽压公式都眈较繁杂。文献 i 孵敷饱和承汽 压为缀握，给爨了一缀篱琵弱憋帮求汽莲公式。 靖子承面饱帮承汽压 l 。g g ，= 1 0 2 8 6 ；t i ：- j 2 三1 j 4 i 8 f 4 9 0 9 ( 2 ，t 2 ) 谯一6 0 。c 至6 0 的温度范围内，上述简化公式与g o l f g r a t c h 和w e x l e r 的公 式戆鬣大耪黠缡差牙、予0 撩，英准确嶷满罡大多羧工程涎量酶需要。 2 + 2 瀵度戆袭示方法 湿度的表泳方法繁多，但熬定义都是基于混合气体的概念引申出柬的。重髓法 是一秘绝对测壁方法，毽琢上黄逮使煺该法 皋为湿度蒸准，箕蹙毽数混合毖表示。 重庆人学硕士论文 2 湿度的基本理论及标定 因此，混合比可以认为是湿度的最基本表示方法，而其它表示法之间可以互相转 换。湿度的表示方法及其换算关系同样适宜于空气以外的其它被测气体，包括s r 气体。 混合比 混合比是指湿空气中所含的水汽质量朋。与和它共存的干空气质量坍。的比值： r ：堡( 2 1 3 ) m 口 式中，湿空气的总质量为所，且肌= m 。+ 。当把湿空气视作理想气体时有 p口 ，= 占二旦一= 0 6 2 2 0 0 二! l 一 ( 2 1 4 ) p p 。p p 。 式中，s = 鲁，m ，为水的分子量；虬为空气的表观分子量；p 为湿空气的总压 力，只为湿空气中的水汽压。 饱和混合比定义为饱和湿空气中的水汽质量和与之共存的干空气的比值。相 对于纯水表面的饱和混合比用表示。当水面上的饱和湿空气饱和混合比 ，：堕l ：o 6 2 2 0 0 l ( 2 1 5 ) 一m 。p e 。一p e 。 、 上式中的8 。表示一定的压力和温度下水面上的饱和水汽压。 由于气体分子之间范德华力的作用，使实际气体的性质偏离理想气体状态。在精 密测量中应当对水汽压进行修正，修正因子为增加系数厂。 基于混合比定义的还有另外几种常见的湿度表示方法： 1 ) 以干物为基础的重量百分数是指水汽的质量和与之共存的干空气的质量之比 值，以百分数形式来表示，其表示式为： 厶= 堡1 0 0 = ，1 0 0 ( 2 1 6 ) m 口 2 ) 重p p m 。是以“百万分之一”为单位表示的水汽与其共存的干空气的质量2 _ l l 值。由此得 即m 。：生1 0 6 ：，1 0 6 ( 2 1 7 ) m d 比湿 比湿定义为湿空气中的水汽质量与湿空气的总质量之比 重庆天学硕圭论文2 滋菠的摹本理论及梅定 口= 竺攀 ( 2 1 8 ) 珊。+ 蜥4 当把空气视作瑗您气体时，可簿出： q ：! ：堡塑，埠：二- 钽。1 9 ) 2 f 夏丽晕2 鬲 蟛删 基于比漫概念的另外两种漫度表示方法： 1 ) 啦灞物为基础的重爨百分数g 。，是指湿空气中永汽所占的质量百分数，其袋示 式 一坠 1 0 0 (220)qt, = q x 1 0 0 2 0 ) 2 百焉。“ 憎 2 ) 重量p p m 。是以“百万分之一”为单位表示的水汽与湿空气的质量之比值，由此 褥 p p m ，= q 。1 0 6 ( 2 2 1 ) 在湿度测量中，重量p p m 。亦揩水汽质餐与其共存的干气质量之比。 绝对湿度 绝对湿度( 或水汽浓度和水汽密度) 定义为湿空气中的水汽质量与湿空气总 体积v 之比： 胪等= 警 。z ， 体积比 钵积西分数匕是摆在标准疆力和澡发下，湿空气中水汽艇占有的体积与其总 体积之比，以西分数来表示。 矿 0 3 等x 1 0 0 ( 2 + 2 3 ) 对于理怒澎空气，矿= 圪十匕。德对于实鼯瀑空气，矿匕4 - 匕t 瀑空气中承 汽的体积百分数亦可用下式表示： p” n = 卫1 0 0 = 二一 ( 2 2 4 ) p0 6 2 2 0 0 + ， 程澄度灏整中体获眈经常糟水汽的体积帮与之共存的干空气静体积之比，并 且通常用下式表示： 1 4 重庆大学硕士论文 2 湿度静基本理论及标定 p p m v = p p w p p 只。1 。 p p 。l o o 摩尔分数 水汽的摩尔分数为水汽的摩尔数与混含气体的憨摩尔数之比， 弘南，= 志 h w + 胛。 u o z z u u + ， ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 7 拭汽分压 在水汽胍相对来说不太高的情况下，一般作为理想气体处理，故对于实际气 蒋豹承汽势攫瞧定义为 r 2 瓦p 2 磊赢百p ( 2 - 2 7 ) 怼予德秘浸空气袋瀵，嚣遵怒气髂霞震魏镳离菰瀣当考纛透孬谚燕： 8 ：= 五8 ”。磊恭专+ p ( 2 - 2 8 ) 程般测蹩的温度范围内- 通常不需要进行修正，因为由此造成的误差刁；超 过0 ，5 饕。 褪辩湿度 漫空气的棚对湿艘是指给定的湿空气中，水汽的磨尔分数与同一温度t i ij 隧j 3 p 下缝求表瑟的饱霸承汽i 骑臻尔分数之笼，弼酉分数液示； r & = 耵x t 0 0 ( 2 。2 9 ) 州 经整理得到理想气体槲对湿度始表示戏 霹= ( ) 盯x 1 0 0 = ( & ) 1 0 0 ( 2 + 3 0 ) k 脚f ” 对予实际气体辩有 耻毒燃= ( 警彬；0 0 岛砻帮砖燃麓彬l = 雩罴t ) e 筹则燃 豫粥 ( 尸，。( r ) 。 裰慰湿凌楚一兮躅百分数表示救无量缨姥蘧，诗冀砖与艨霆豹承汽匿力单 位无关僵怒入们常常忽视榴对湿度与温度裔关这一嚣要条件，在实藏中应弓 起 注意。 篷秘度 饱和腱定义为湿空气柱压力为p 、温魔为t 、憾合比为r 与同条件下的饱和混合比 毫豹姥毽： 重庆_ a = 举硕士论文2 濑霾的基本理论及标定 d 。= ( 二) prx l o o ( 2 3 2 ) o 露点温度 图2 1 1 8 l 的a 点表示空气的状态。如果给定的空气在水汽雁不变的情况下逐渐 冷却，嚣么在这一过程中，盎点瓣辕邃蹩一条经过a 点并与横毒鑫平行豹懑线。暴惹，