摘要： 　　

文章简述了SF6气体绝缘设备水分的来源及危害；介绍了有关部门对SF6 气体水分含量的限定指标及常用的SF6 气体水分含量测量方法；阐述了以高分子薄膜电容式湿度传感器作为相对湿度（RH）的在线监测元件的工作原理；指出对SF6 气体绝缘开关微水含量进行在线监测，不仅能对运行中高压开关的绝缘气体实行有效控制，同时也能为状态检修提供有利依据。 关键词： SF₆ 气体；微水含量；相对湿度；在线监测

0 引言



     SF₆气体作为一种重要的绝缘介质，因其良好的绝缘性能和灭弧性能得到了人们的认可，并被广泛应用于高压开关气体绝缘。在SF₆高压电器设备中，当SF₆气体中的气相水含量达到一定程度时，在电弧或电晕作用下，SF₆气体分解物会经水解反应产生毒性，对设备产生化学腐蚀，继而严重影响设备的正常运行。因此，对SF₆气体中的微水含量实行在线监测，以实现水分的合理控制，对保证设备的安全稳定运行具有重要的作用。

    

1 SF₆气体中水分来源



     对运行中的SF₆气体绝缘设备（GIE），无论如何严格控制,也难以杜绝设备内气体中水蒸气的存在。试验表明，当环境温度达到20℃，SF₆气体相对湿度达到30%时，固定绝缘闪络电压开始下降，附着在绝缘表面的水分将使沿面放电电压降至无水时的60%～80%^_［1］。为了查明水分是如何侵入高压电器SF₆气体中的，人们进行了大量的探索，得出如下结论:①SF₆自身含有微量水分，含有量一般不大于8×8.1
μL/L即（64.8 μL/L）。②设备固体（包括外壳内表面、导体、绝缘体及传感器等）吸收和吸附于表面的水分（分装时不可能全部彻底干燥）。③充气时由充放气装置带入的水分。④运行中的产品，从密封圈及微孔向设备内部渗入的水分。

    

2 SF₆气体水分含量的规定及测量



     针对SF₆气体中所含的水分对设备的危害，国际电工委员会标准(IEC)、国标（GB
8905）、部标（DL）及生产厂家对SF₆新气和运行中的SF₆气体水分含量都做出了严格规定，见表1。

表1 各标准对SF₆气体中的水分含量（20℃）的规定

气体状态 水分含量/μL·L^-1 IEC GB及 DL 新气   ＜122
＜65 设备间隔中   交接验收值
不大于厂家（标准） ＜150/300^* 　   允许运行值
　 ＜500/1000^*

　　* /的左、右分别为设备投运前、后的标准要求。

     所有的这些规定是以限定气体中水蒸气所占比例来表示的，即以气体中水蒸气的体积与气体的总体积的百万分比（μL/L）来表示。目前，控制SF₆气体微水含量的方法有质量法、电解法、露点法等，这些方法均属于离线预防性检测方法。其中，由电解法和露点法原理制成的微水测量仪器在我国电力行业中使用较多。由于电解法所使用的电解元件的电解效率会随时间的增加而下降，因而并没有得到广泛使用；露点法测量仪器的使用率超过50%。
  
3 SF₆气体含水量的在线监测原理及意义
     SF₆气体微水含量的测量数据除了和测量的压力、温度息息相关外，不同离线的设备和不同的操作者对同一气体的测量也存在很大的差异。表2是不同类型的微水含量测试仪对同一新SF₆气体含水量的测试结果比较^［2］。

     依据GB 12022要求，SF₆新气的含水量应大于64.8
μL/L (20℃时)。由表2可知：除英国MODEL2000测量仪器的测试结果达70 μL/L外，其他检测仪器的检测结果都小于64.8
μL/L。这表明这些仪器是在可信范围内，其检测数据都属有效测试结果。但表中最高值是最低值的23倍，而且同一厂家生产的同系列仪器所测的数值也有数倍之差。导致这一结果出现的因素很多，如取气管的除湿程度、气流速度、仪器测量精度、数据读取技巧、环境温度、气流波动、流体数量、操作者个人因素等。所以，同一SF₆气体采用不同的合格测试仪所测试的结果不同是不足为怪的。

表2 不同类型微水测试仪对同一SF₆ 新气体测试结果比较

  仪器型号
SHAW
MODEL700
MODEL2000
WMY270
WTY180
制造地
英国
英国
英国
德国
法国
实测值

     /μL·L^-1
3.0
37.0
70.0
40.5
22.1
仪器型号
M - 340
US1 - 1
US1 - 1A
DWS - Ⅱ
SH - 81
制造地 
美国杜邦
成都
成都
上海
上海
  实测值 
     /μL·L^-1

39.5
20.2
9.6
42.8
47.0

     在实验过程中还发现，同一设备对同一SF₆气体的前后2次测量（条件相同）结果也是不一致的。这也说明国际、国内、行业、企业的相关标准是不尽相同的。同时，各相关标准对测试方法和测试过程所做出的详细而具体的要求也不尽相同。因此，采用新型的在线监测进行实时比较来进行SF₆气体中水分的控制是最为理想的^［3］。

     随着传感器技术和在线监测技术的迅猛发展，高分子薄膜低湿度传感器类（感湿体主要是由聚酰亚胺、聚苯乙烯代醋酸纤维等高分子聚合物构成）的电容式低湿测量传感器得到了广泛的开发与应用。其性能也完全满足SF₆气体绝缘设备中的湿度测量要求，但因SF₆气体分子质量大，不能以理想气体测量方法来解决，因此需要采用Beattie
Brigeman公式和最高二次拟合方法进行气体状态参数分析、计算。

     采用HM1520电容式低湿传感器，其特性敏感为物理吸附特性，介电常数ε_r为2～7,感湿材料随周围环境相对湿度（RH）的大小成比例地吸附。水分被吸附后，材料介电常数会大大提高，能在1%～100%RH范围内进行全程测量，具有长期稳定性好、反映速度快、测量精度高、可靠性强等特点。

     该传感器为电压输出型，具有能长期处于低湿环境下工作、功耗低、年漂移少等特点，在低湿环境下具有很高的测量精度，如图1所示。

图1 HM1520测量精度示意图

　　由图1可见，在相对湿度低于17%时，其测量误差可控制在±2%；当相对湿度为40%时，其测量误差也只有±4%。这表明其线性度和可行性达到了使用测量的要求。

     23 ℃时，变送器相对湿度与输出电压的关系见图2。

图2 变送器相对湿度与输出电压的关系

　　图2中所示等式可以用于超过30%RH，在1%～30%RH测量时，温度对输出没有影响（0～50℃），不需要温度补偿。计算公式RH=0.195Uout/US-38.5是由HM1520说明书提供，本文其他测量计算公式也依据此说明书公式完成。
4 采用HM1520传感器为核心的湿度计算算法
　　由于SF₆气体中水分含量较低，不同于通常的湿度测量。我们经过了大量的试验，采用1K铂电阻压力传感器和PT100温度传感器，同时考虑了压力和温度对湿度的影响，成功地测量了相关压力、温度及湿度的值，并实现了将测量的湿度实时值换算成20℃时的湿度值。有关湿度的计算方法如下：

     （1） 相对湿度计算。

     RH=0.195U_out/U_S-38.5

　　式中，U_out为传感器输出电压,mV;U_S为系统电压，取5V，则

    

RH=0.039U_out-38.5

     （2） 实时湿度计算。实时湿度的测量和计算在相对湿度基础上，结合了23℃时的对应关系，以及大气压对湿度的影响。其测量值与实时温度下的饱和水气压、23℃时的SF₆气体饱和水气压、大气压和测量时的SF₆实时压力值有关，计算公式（按HM1520说明书提供）如下：
   
K_S=K₂₃P_大P_S/P₂P₃

     式中，P_S为实时湿度饱和水气压，P_S=RH·P₂，Pa；P₂为23℃时SF₆气体饱和水压力，取P₂=2810.06Pa；P_大为大气压；P₃为SF₆气体实时测量压力；K₂₃为23℃时水分体积比，；K_S为实时湿度。

     由此可以换算出23℃时大气水分体积比

K₂₃=10.75U_out-10615

    

　　将此式代入K_S表达式中得

    

K_S=（10.75U_out-10615)P_SP_大/P₂P₃

     （3） 修正为20℃时的湿度计算。由于温度变化对SF₆气体温度影响较大，所以通常采用同一温度下测量或修正成20℃状态下的数值作为分析SF₆气体湿度变化的依据。修正为20℃状态下SF₆气体湿度体积比的常用公式称为归一修正计算方法^［4］，该计算方法得到了长期试验的验证，修正公式为

    

K₂₀=H₁P₃P_2S/P₄P_S

　　式中，K₂₀为20℃时的微水体积比，μL/L;H1为水分的实际测量值（即实时湿度计算值KS）；P₃为测量时SF₆气体的压力值；P₄为换算到20℃时的SF₆气体压力值；P_S为测量时测量温度下的饱和水气压；P_2S为20℃时的饱和水气压。

     把水分的实际测量值K_S等同于H₁代入方程可得

　　　　　　　　　　　　　　　　K₂₀=（10.75U_out-10615)P_S×P_大P₃P_2S/P₂P₃P₄P_S

　　上式可简化为

    

K₂₀=（10.75U_out-10615）P_大P_2S/P₂P₄

     SF₆气体在20、23℃饱和水气压对应的数值分别为2338.54、2810.06Pa，即P_2S=2338.54Pa;P₂=2810.06Pa。代入上式中有

     P₄的数值可以在单片机测量中通过压力传感器测量得到。

     上式表明，SF₆气体在经过本方法的测试后，可以得到实时的湿度值，并可经过本公式换算出在20℃状态下的湿度值K₂₀。

    

5 结论



     高分子薄膜电容式湿度传感器能对SF₆气体实现实时温度、实时压力、实时相对湿度的在线监测。通过测量数可计算出气体的密度值、20℃压力值，相对湿度值（RH）、实时水分体积比和20℃时的水分体积比。通过气体密度值和20℃时的压力值可以直接判断气体泄露状态；通过气体相对湿度值（RH）可以直观地知道气体的凝露裕度；通过气体20℃时的水分体积比可以在不同温度和压力变化下简单地比较气体水分含量的增加。本装置根据采集单元的数据可以在上位机绘制成曲线，了解SF₆气体的真实状况。该装置工作可靠，获取数据准确，在对SF₆气体的微水含量检测中能发挥重要作用，值得推广和应用。

    

6 参考文献



[1] Satoru Itahashi.The strate and behavior of the
water in insulating liquids,gases and finds.12th International
Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liqudis,Rome,Italy,July,1996:87~90.

[2] GB/T 8905—1996《六氟化硫电气设备中气体管理和控制导则》.

[3] 朱德恒，严璋.高电压绝缘.北京：清华大学出版社,1992.

[4] 李国兴，环境温度对SF₆气体湿度的影响.黑龙江电力，2000（2）.