【引用】六氟化硫气体的基本特性

【引用】六氟化硫气体的基本特性 和大家分享这篇日志，我的看法是: 原文地址:六氟化硫气体的基本特性 原文作者:tonghuadd 六氟化硫气体的基本特性 第一节 六氟化硫气体的物理化学特性 金属和非金属的六氟化物是含氟化合物中的一个庞大的和引人注目的群体。尽管大多数的六氟化物在本世纪初即已发现，但对这些物质的认真研究却仅始于40年代。目前已知的18种六氟化物，按照它们的化学性质可分为二组，即非金属化合物和金属化合物。第一组以其稳定性著称，第二组在氟化或水解能力上则有很高的活力。六氟化硫属非金属氟化物，经对其物理化学性质的研究，发现六氟化硫具有与氮气和其他隋性气体相比拟的极稳定的化学性质。 一、基本特性 六氟化硫由卤族元素中最活泼的氟原子与硫原子结合而成。分子结构是六个氟原子处于顶点位置而硫原子处于中心位置的正八面体(见图1-1)，S与F原子以共价键联结，键距是1.58×10-10m。 六氟化硫在常温常压下具有高稳定性，在通常状态下六氟化硫是一种无色、无味、无毒、不燃的气体。其分子等值直径是4.58×10-10m。 ，空气相对分子质量是28.8。六氟六氟化硫气体的相对分子质量是146.07 化硫气体的密度是6.16g/L(20?，101325Pa时)，约为空气密度(1.29g/L)的五倍。由于六氟化硫气体密度比空气密度大很多，因此，空气中的六氟化硫易于自然下沉，致使下部空间的六氟化硫气体浓度升高，且不易扩散稀释。 图1-1 六氟化硫分子结构示意图 二、物理化学性质 在标准状态下六氟化硫是一种无色气体，其密度接近理论值。当冷却到-63?时变成无色的固体物质，加压时可熔化，其三相点参数为:t,-50.8?,p,0.23MPa。 1.溶解度 六氟化硫在极性和非极性溶剂中的溶解度如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1-1。最早测得六氟化硫在水中的溶解度比氦(He)、氖(Ne)、氙(Xe)、氩(Ar)等隋性气体在水中的溶解度低得多，见表1-2。 2.热稳定性 六氟化硫气体的化学性质极为稳定，在常温和较高的温度下一般不会发生分解反应，其热分解温度为500?。六氟化硫在室温度条件下与大多数化学物质不发生作用。在温度低于800?时，六氟化硫为隋性气体，不燃烧。在赤热的温度下，它与氧气、氢气、铝以及其他许多物质不发生作用。但在高温下则与许多金属发生反应，而且与碱金属在200?左右即可反应。使用条件在150~200?时，要慎重选用与六氟化硫接触的材料。 表1-1 六氟化硫在极性和非极性溶剂中的溶解度 (摩尔分数) 溶溶溶剂 溶溶溶溶剂 溶剂 解度 解度 剂 解度 解度 H0n-10C7H2(C4F72O .05×C7H16 0.55×16 24.49)3N 31× t,25?,p,0.1MPa 10-4 10-4 ×10-10-4 Hi-CClN2H34 表1-2 六氟化硫与氦、氖、氙、氩在水中溶解度 (体积分数) F C8H18 4 CH3 1152 .3×3.5×.11×6物质 溶剂 溶解度 CC6H5C2CN2O4 10-4 10-4 5.5410-4 六氟化硫 H2O 5.5×10-3 6H6 CH3 l3F3 ×10-CH3N2339氦 H2O 9×10-3 3.热传导性 4 CC6H1CS2 O2 6.4×.95×3.486H12 1CH3 氖 H2O 16×10-3 表1-3表示六氟化硫气体与空气传热性能的比较 10-4 10-4 2×10- 78.64 氙 H2O 118×10-3 570×10- 3.91.15×14 氩 H2O 34×10-3 ×10-10-4 0.0× 4 910-4 .245 表1-3 六氟化硫气体与空气传热性能的比较 性能 单位 SF6 空气 比值 导热W/(m?K) 0.0141 0.0241 0.66 系数 摩尔J/(mol?97.1 28.7 3.4 压热容 K) 表面W/(m2?K15 6 2.5 传热系数 ) 由于任何物质的传热过程包括热传导、热对流、热辐射，所以评价传热性能的优劣应综合分析。对于气体介质而言，它的传热效应往往不是单纯的传导作用，还要考虑自然的对流传热、分子扩散运动携带的能量，能及气体与热固体表面接触膨胀扩散传热等。因此综合考虑六氟化硫气体的导热系数、摩尔定压热容和表面传热系数，可以看到六氟化硫气体的热传导性能虽较差，导热系数只有空气的2/3，但它的摩尔质量定压热容是空气的3.4倍。其对流散热能力比空气大。此外六氟化硫气体的表面传热系数比空气和氢气大。表面传热系数大，表示热物体在单位表面积、单位温差下的散热效果好，因此六氟化硫气体的实际散热能力比空气好。 4.临界常数 在一定温度下，实际气体压力与体积的关系曲线称为实际气体的等温线。实际气体的等 温线平直部分正好缩成一点时的温度称为临界温度。临界温度表示气体可以被液化的最高温度。在临界温度时使气体液化所需的最小压力称为临界压力。六氟化硫的临界压力和临界温度都很高，临界压力3.9MPa，临界温度为45.6?。在临界压力和临界温度下六氟化硫气体的密度是7.3g/L。 一般的气体其临界温度越低越好，如氮气，临界温度-146.8?,表明氮气只有在低于-146.8?时才可以液化。六氟化硫则不然，只有在温度高于45.6?才能恒定地保持气态，通常条件下很容易液化，所以六氟化硫气体不适于在低温、高压下使用。 六氟化硫气体的升华点为-63.8?，在此温度下，0.1MPa的压力可使六氟化硫气体直接转变为固体。六氟化硫气体的熔点为-50.8?，在此温度下，六氟 化硫液态转变为固态，在0.23MPa压力下，六氟化硫气体也可以直接转变成固体。 5.负电性 六氟化硫是负电性气体。负电性是指分子(原子)吸收自由电子形成负离子的特性。 六氟化硫气体的这一性质主要是由氟元素确定的。氟元素在周期表上是第七族卤族元素，它的最外层有七个电子，很容易吸收一个电子形成稳定的电子层(八个电子)。元素的负电性可由电子亲和能来评价。当分子或原子与电子结合时会释放出能量，该能量称为电子亲和能。卤族元素均具有负电性，氟具首位。 若干元素的电子亲和能值见表1-4。当氟与硫结合后，仍将保留此特性。六氟化硫的电子亲和能是3.4eV。 表1-4 若干元素的电子亲和能值 元F CBI O S N S素 l r F6 电43333203子亲.10 .78 .43 .20 .80 .06 .04 .4 周VVVVVVV 和能期族 II II II II I I 六氟化硫气体的基本性质与其他气体的比较见表1-5 /eV 表1-5 六氟化硫气体的基本性质与其他气体的比较 性质 单位 SF6 空H2 N2 备 气 注 密度g/L 6.7 1.20.1.25 (0) 9 089 相对l 146 28.2.28 分子质量 9 0 汽化? ---- 温度 63.8 194.0 252.8 195.8 导热W/(m?0.00.0 系数 K) 141 214 摩尔J/(mo97.28. 定压热容 l?K) 1 7 表面W/(m215 6 传热系数 ?K) 音速m/s 13833.12330 (30?) .5 0 00 介电1 1.01.0 常数 02 005 临界? 45.-- 温度 6 239.7 146.8 临界MPa 3.71.3.35 压力 2 28 熔点 ? --210 50.8 原子eV 3.40.04 的电子亲(F为(N) 第二节 六氟化硫气体的电气性能 和能 4.10) 一、绝缘性能 1.氟原子的高负电性与六氟化硫的优异的电气性能 电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质。气体在正常状态下是良好的绝缘介质。但当电极间电压超过一定临界值时，气体介质会突然失去绝缘能力而发生放电现象。此现象称为击穿，可以表现为火花放电、电弧放电、间隙击穿、电晕、沿面放电等。气体间隙之所以会击穿而产生火花放电通道，是由于在强电场下产生了强烈的游离，并发展到自持放电的结果。气体放电的过程实际上是游离复合的过程。 六氟化硫气体是一种高电气强度的气体介质。在均匀电场下它的电气强度为同一气压下空气的2.5~3倍。在0.3MPa气压下六氟化硫气体的电气强度与绝缘油相同。图1-2所示为六氟化硫气体和空气、变压器油在工频电压下击穿电压的比较。 图1-2 六氟化硫气体和空气、变 压 油在工频电压下击穿电压的比较 1—空气 2—六氟化硫 3—变压器油 六氟化硫气体的这一特性主要是由六氟化硫的负电性所决定的。由于气体击穿遵循碰撞游离 的规律。六氟化硫气体在强电场下电离，生成六氟化硫正离子和自由电子。由于六氟化硫分子结构以硫原子为中心、氟原子位于正八面体的顶端，氟原子是负电性极强的元素，六氟化硫有6个氟原子，电子捕获截面大，六氟化硫电 ，所以六氟化硫气体可能捕捉自由电子形成负离子。这子亲和能达到了3.4eV 样，一方面使游离能力很强的电子数目大为减少，削弱了游离因素;另一方面，离子的自由行程比电子短，两次碰撞间获得的动能小，同时在发生弹性碰撞时又容易失去动能，因此离子本身产生碰撞游离的可能性小，所以在气体放电时，负离子起到阴碍放电形成与发展的作用。 此外，六氟化硫分子直径在，使得电子在六氟化硫气体中的平均自由行程相对缩短，不容易在电场中积累能量，从而减少了电子的碰撞游离能力。 同时六氟化硫相对分子质量是空气相对分子质量的5倍。六氟化硫离子在电场中运动速度比空气(氧、氮)更小，正、负离子更容易复合使气体中带电质点减少。 游离-复合过程可用反应式表示如下:(e代表电子) SF6 电离 SF6++e (吸收能量) SF6++e SF6- (放出能量) SF6-+ SF6+ 复合 2SF6 (放出能量) 2.六氟化硫气体绝缘的特点 六氟化硫气体绝缘的特点是:电场均匀性对击穿电压的影响，在0.1MPa气压下远比空气的为大，而在高气压下和空气的击穿特性相近。六氟化硫气体与空气相比，他们中的电子等带电质点随电场强度加大而增长的速度，以前者的为大，而电晕的自屏蔽效应以前者的为弱，故六氟化硫在极不均匀电场中的击穿电压比均匀电场中的要低得更多，即电场的均匀程度对六氟化硫击穿电压的影响要比对空气的击穿电压的影响大。 极性对六氟化硫气体击穿电压的影响和空气相似，也和电场均匀程度有关。由于充六氟化硫气体的绝缘结构其电场都是销不均匀电场，因此它的负极性击 穿电压比正极性击穿电压低，六氟化硫气体绝缘的电气设备的绝缘水平决定于负极性。 充六氟化硫气体的电气设备的冲击击穿特性是:放电时延长，冲击系数大，击穿电压随冲击波波头时间的增加而减少，负极性击穿电压比正极性低。若与常规的电气设备变压器相比，其伏秒特性比较平缓，冲击系数又低得多，因而一般认为充六氟化硫的电气设备的绝缘水平主要决定于雷电冲击水平，且是负极性下的雷电冲击。 在均匀、稍不均匀电场中，在0.1MPa压力下，空气的击穿电压和电极的表 击穿电压与电极表面状态有很大关系。面状态及材料的关系不大。而在高气压下, 六氟化硫气体绝缘同样具有高气压下空气绝缘的特性。电极表面的粗糙度对六氟化硫气体绝缘的击穿电压的影响，和气压、电压波形、极性等因素有关。在六氟化硫气体中导电粒子的存在也会显著地降低击穿电压，成为充六氟化硫气体绝缘的电气设备的一个故障因素。 表1-6 六氟化硫气体绝缘与空气绝缘比较 类别 空气绝缘 六氟化硫气体绝 缘 1.电场结构 长间隙不均匀电短间隙销不均匀 场 电场 2.极性效应 二、灭弧特性 正极性击穿电压负极性击穿电压 3.冲击特性 1.电弧现象概述 低 低 ?冲击系数 电弧是一种气体导电现象，其特点是:温度很高，中心温度达104K，电流约1.0~1.1 约1.1~1.3 密度很大，平均电流密度为103A/cm2。 ?放电时延 操作冲击波下，同样电场结构 在正常状态下气体的分子是不导电的。所以常温下气体是良好的绝缘介质，随着波头时间的改下，放电时延比空气?波 形 变，击穿电压有极小长 但当温度升高到几千度时，气体的分子(原子)大量产生游离，而离解成为正 值 4.气体压力 离子和自由电子，这些带电粒子在电极间(触头间)电场的作用下产生定向运 击穿电压随波头动因而造成气体导电现象。 时间增加而减小 击穿电压随气压5.电极表面状况 增大而增加，但有饱与导电粒子 气体导电具有负的伏安特性和负的电阻温度特性。即当电流增加时其电压 同空气 和的趋势 降下隆，当弧柱的温度增大时其电阻减小。 有影响 无影响 电弧电压降由三部分组成，靠近两个电极的近极区压降和中间等离子区的压降。等离子区的压降在电弧电压降中占主要部分，电弧的特性也由等离子体的特性所决定。 等离子体特性中与电弧的燃烧、熄灭直接有关的就是其导电特性(电导率)，它是由温度所决定的。断路器灭弧的基本过程，即是对电弧通道采用足够强的冷却手段，使交流电流过零前后电弧通道温度迅速下降，随之等离子体电导率迅速下降，使其带电粒子重新结合成中性分子，过渡到绝缘状态。 2.六氟化硫气体是一种优良的灭弧介质 作为良好的灭弧介质，首先要在对灭弧具有决定作用的温度范围内，具有良好的导热性，能快速冷却电弧。在电流过零时，能迅速地去游离，使弧隙的介质强度能迅速恢复。六氟化硫气体能很好地满足这些要求。在六氟化硫气体中，对交流电弧的熄灭起决定作用的是六氟化硫气体的负电性，以及六氟化硫气体独特的热特性和电特性。 (1)六氟化硫气体独特的热特性和电特性在熄弧中的作用 六氟化硫气体随温度的增加，分解作用逐渐显著。在温度低于1000K时，六氟化硫气 体几乎不发生分解。随温度上升，气体开始分解且速度加快。在2000K附近达到高峰阶段。此时六氟化硫分子分解成四氟化硫、二氟化硫等低氟化物和硫、氟原子。在温度继续上升时，低氟化物又被分解成硫、氟原子。而电离开始的温度是4000K左右，一旦温度超过5000K，电离速度加快，电导率明显增加，空间形成自由电子和硫、氟离子，形成显著的导电特性。由于实际触头燃弧时，不可避免地有金属蒸汽存在，六氟化硫分解气体电离的下限温度为3000K，实际弧柱中温度在3000K以上就形成导电的弧芯部分，电弧中心温度约为15000~20000K。 由于气体的分解和离解都要消耗能量，分解和离解加剧时，气体就要大量吸收热量。 所以高温下六氟化硫气体的分解和离解反应对导热过程影响很大，致使六氟化硫气体在2000K附近有一热传导高峰。这对六氟化硫电弧柱截而形状有重要影响。通常称3000K以上的区域，即主要的通过电流的区域为“弧芯区”，外面温度较低的区域为“弧焰区”。由于六氟化硫气体在2000K附近的热传导高峰，使六氟化硫电弧在弧芯区边界上有很高的热传导能力，传导散热很强烈，温度降低得很快，因此形成陡峭的温度下降的边界，造成高温导电区域内具有高导电率和低热导率。因此六氟化硫电弧电流几乎全部流经电弧高温的中心部分，可见六氟化硫气体中的电弧是由细而辉度高的弧芯部分和低温的外焰部分组成。而且六氟化硫气体中的电弧直至小电流都有维护细直径、高辉度的特性。六氟化硫电弧弧芯的高温结构可以维持到电流很接近零点。 六氟化硫气体这种独特的热特性和电特性形成六氟化硫电弧弧芯的导电率高，因而电 弧电压低，电弧功率小，有利于电弧熄灭。同时由于六氟化硫弧柱在电流很小时还维持弧芯导电机构，弧芯的热体积小，在电流零点时的残余柱体积小，造成六氟化硫弧柱介质恢复特性好。由于弧芯结构可以维持到电流零点附近，这使六氟化硫电弧不会造成电流截断，在开断感性小电流时不会出现高的截流过电压，而且弧芯的高温可以通过很陡峭的温度特性效应进行散发，可快速冷却电弧。 (2)六氟化硫气体的负电性在熄弧中的作用 电弧在六氟化硫气体中燃烧时，在电弧的高温作用下，电弧空间的六氟化硫气体几乎全部分解为单原子态的氟和硫。在电弧电流过零的瞬间，由于氟和硫都具有很强的负电性，大量地吸附和捕捉自由电子，形成负离子，使F?在电流过零时急剧增多，这些负离子的重量都很大，是电子的几千倍。在电流过零后极性相反时，这些负离子移动缓慢，导致与正离子结合的概率大为增加，使负离子大量复合，所以弧隙的介质强度恢复大为加快。 (3)六氟化硫气体的电弧时间常数 反映灭弧介质最重要的特性之一的参数就是流过电弧的电流在自然过零时弧柱电导变化的时间常数。其值越小越好。通常，把电弧电流突然消失后，电 弧电阻增大到e(2.718)倍时所需时间作为电弧时间常数。电弧时间常数代表电弧电导随输入功率变化的快慢，因此电弧时间常数是介质灭弧性能的重要标志量。六氟化硫气体电弧时间常数小，六氟化硫气体优良的灭弧性能与其电弧时间常数小是分不开的。小电流试验中，六氟化硫电弧时间常数仅为空气的电弧时间常数的1/100，即六氟化硫的灭弧能力是空气的100倍。大电流电弧试验表明，六氟化硫的开断能力约为空气的开断能力的2~3倍。 表1-7 六氟化硫气体介质与空气介质比较 六氟化硫 空气 弧芯平均温度/K 12000~14000 10000~11000 电弧时间常数/10-2 1 μ, 第三节 六氟化硫气体的状态参数 六氟化硫气体和许多气体一样，在不同温度和压力下存在三态。若六氟化硫气体在一定容器内不流动时，可用三个状态参数来代表它所处的状态，即压力(p)、密度(ρ)、温度(T)。因气体的大量分子是处于无规则的热运动之中，气体的状态参数是大量分子运动状态的平均参数。 一、理想气体状态方程 一定量的气体(质量m，相对分子质量Mr)一般可以用下列三个量来表征:气体所占的体积(V)，气体的体积是气体分子所能达到的空间，与气体分子本身体积的总和完全不同;压强(p)，指气体作用在容器器壁单位面积上的正交压力;温度t或T。这三个表征气体状态的量，称为气体的状态参数。 实验表明，表征平衡状态的三个参数，p、V、T之间存在着一定的关系，我们把气体的，p、V、T之间的关系式称为气体状态方程。 一般气体，在压强不太大(与大气压相比)，温度不太低(与室温相比)的条件下它遵守玻义耳-马略特定律、盖吕萨克定律和查理定律。也就是温度不变时，压力和体积成反比。体积不变时，压力和温度成正比。压力一定时，温度和体积成正比。遵守这些定律的气体称为理想气体。理想气体的，p、V、T关系方程称为理想气体状态方程。 许多气体在通常情况下，可视为理想气体，它们的状态参数之间存在简单的关系，即理想气体状态方程式: pV= 式中:m——气体质量，g P——气体压强，MPa T——温度，K V——气体体积，L M——气体摩尔质量，g/mol R——摩尔气体常数(=0.0082MPa?L/(K?mol)) 上述的理想气体状态方程也可以表示为: 式中:——气体密度， R′——气体常数，R′= 根据气体状态方程可以推断气体状态变化时各参数之间的关系。例如气体在等温压缩(或等温膨胀)时，压力与密度成正比。 二、六氟化硫气体状态参数曲线 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用的范围之内，空气或一般气体都可以当作理想气体来开待，在通常工程所涉及的范围之内，与理想气体的特性差异很小，按理想气体分析计算不会有显著误差。六氟化硫气体则不然，由于六氟化硫气体分子质量大，分子之间相互作用显著，使得它表现得与理想气体的特性相偏离。图1-3给出在温度不变(20?)的条件下， 六氟化硫气体压力随着体积压缩而变化的情况。 图1-3 理想气体与六氟化硫气体的 当压力高于0.3~0.5 MPa时，由于六氟化硫分子间 压力与密度变化关系(t=20?) 吸引力随密度增大即分子间距离的减小而愈益显著。 1—按理想气体变化 实际的气体压力变化特性，与按理想气体变化定律 2—六氟化硫气体压力变化 推导出来的各种关系式用来计算六氟化硫参数会产 生较大误差。 在实际使用中，为较准确地计算六氟化硫的状态参数常采用经验公式，下面的公式是比较 实用的。 =〔0.58×10-3(1+B),A〕×10 A=0.764×10-3(1,0.727×10-3) B=2.51×10-3(1-0.846×10-3) 式中:——六氟化硫气体的压力，MPa ——六氟化硫气体的密度，kg/m3 T——六氟化硫气体的温度，K 在工程实用中使用这个公式计算太复杂，所以把他们的关系绘成一组状态参数曲线图。 六氟化硫的状态曲线图见图1-4。 图1-4 六氟化硫的状态参数曲线 M—熔点， tM=,50.8?， =0.23MPa， B—沸点， tB=,63.8?， =0.1MPa 图中的曲线AMB是六氟化硫气体由气态转化为液态和固态的临界线，也称六氟化硫的饱和蒸汽压力曲线。它代表在给定温度下气相与液相，气相与固相 ′为液态处于平衡状态时的压力(饱和压力)值，曲线之右侧是气态区域，AMM区域，M′MB为固态区域。M点为六氟化硫的熔点，其参数为TM=,50.8?，PM=0.23 MPa，这点是气、液、固三相共存状态。B点为六氟化硫沸点，TB=,63.8?，饱和蒸汽压等于0.1 MPa。图中的气态区域中的斜直线簇所表示的就是经验公式中所表示的,,t的关系。 三、六氟化硫气体状态参数曲线的应用 应用状态参数曲线图可以较方便地计算六氟化硫的状态参数，以及求取液化或固化的温度。 1.计算断路器内六氟化硫气体的充气体积 例如，某六氟化硫断路器，在20?时工作压力为0.45 MPa，(表压)，六氟化硫气体充装量为31kg，求断路器内部充气体积。 在20?时工作压力0.45 MPa，则绝对压力为0.55 MPa，由20?，0.55 MPa压力，查得图1-4歇直线簇中工作点S，估算这条经过S点的平行于斜直线簇的斜线的密度是35kg/ m3 则六氟化硫断路器的充气体积为:31/35=0.886 m3。 2.求六氟化硫断路器内部充气压力随外界温度变化而变化的允许范围 例如，在20?时，上述充气工作压力为0.45 MPa，绝对压力为0.55 MPa的六氟化硫断路器。在环境温度升至30?，若保持密度=35 kg/ m3不变，沿此斜线在图1-4的S点右侧查得30?时，绝对压力为0.58 MPa，工作压力则为0.458MPa。而在温度降至,10?时，沿密度=35 kg/ m3斜线可以在S点左侧查出-10?时，绝对压力为0.49 Mpa，工作压力为0.39MPa。结果表明，外界温度在,10?到30?之间变化时，六氟化硫断路器的工作压力可以在0.39 MPa到0.48 MPa之间变化。(20?时充气压力0.45 MPa)。 3.了解不同工作 压力下六氟化硫气体液化时的温度 上例中的六氟化硫断路器，20?时工作压力0.45 MPa，密度 kg/ m3，工作点S，过S点的斜线交与AMB曲线于T点，此点温度t=,=35 33?，相应的工作压力为0.35 MPa。即此断路器中六氟化硫气体，在,33?时开始液化。T点表示温度下降而出现凝结的液化点。 六氟化硫气体一旦开始液化，随温度继续下降，六氟化硫气体不断凝结成液体，气体的密度不再保持常数而是不断减小，而且气体的压力下降得更快。温度降到液化点并不表示全部气体立刻被凝结成液体，只是凝结的开始。但当温度继续降低，气体的压力、密度下降更快时，六氟化硫气体的绝缘、灭弧性能都迅速下降，所以六氟化硫断路器不允许工作温度低于液化点。 从曲线AMB可以看出，六氟化硫断路器工作呀路越高，液化温度越高。液化温度与断路器的工作压力有关。若按液化温度不高与,20?计算，相应的在20?时的绝对压力不应高与0.82 MPa，工作压力(表压)不应高于0.72 MPa。 断路器工作压力很低时，温度下降时可能不出现液化而直接凝成固体。其 ,T直线与AMB曲线的交点在M点以下。 第四节 六氟化硫气体在电弧作用下的分解 六氟化硫气体化学性质极为稳定。纯六氟化硫气体是绝对无毒的，但其分解产物全是有毒的。在大电流开断时由于强烈的放电条件，六氟化硫会解离生成离子和原子团(基)，而在放电过程终了时，其中大部分又会重新复合成六 氟化硫。但其中一部分会生成有害的低氟化物。这些物质的反应能力极强，当有水分和氧气存在时，这些分解产物又会与电极材料、水分等进一步反应生成组分十分复杂的多种化合物。这不仅会造成设备内部有机绝缘材料的性能劣化或金属的腐蚀，致使设备绝缘性能下降，而且会对电气设备和人身带来严重不良后果。因此，有必要对六氟化硫气体在电弧作用下的分解过程以及分解产物的物理化学性质作一扼要介绍。 一、六氟化硫气体的电弧分解反应 六氟化硫气体在电弧作用下分解的主要成分是SF4和电极或容器的金属氧化物。在有水分、氧存在时，则会有SOF2 、SO2F2 、HF等化合物生成。 六氟化硫气体分解的主要反应为: 六氟化硫气体的自身分解反应，如下: SF6 =SF4 +F2 断路器因电弧产生的金属电极材料的蒸汽与六氟化硫进行的氧化还原反应，以铜电极为例反应如下: 2SF6+Cu,CuF2+S2F10 SF6+Cu,CuF2+SF4 SF6+2Cu,2CuF2+SF2 2SF6+5Cu,5CuF2+S2F2 SF6+3Cu,3CuF2+S 在金属铜被氧化生成CuF2的同时，硫则被还原成多种价态离子。这些离子除以游离形式存在外，还会形成多种低氟化合物。对于其它金属电极来说也大体是这样。无论是何种氟化物，其形成均与金属的还原能力、相对于六氟化硫的金属蒸发量、氟化物的热稳定性等因素有关。电弧集中于电极的附近，相 对SF6而言，金属蒸汽量一般是过剩的。此时，易生成硫原子数较少的低氟化物。 生成的低氟化物主要是SF4、S2F2、SF2，很少有发现S2F10。而且所生成的氟化物中S2F10、SF2、S2F2在受热时均会发生如下的非均化反应: S2F10,SF4+SF6 2SF2,SF4+S 2S2F2,SF4+3S 在放电时因其温度升高过程不同，分解产物的组成比率按照上述反应可有很大的变化。 另外，在气体中如果有水分存在时，则很容易发生水解反应生成H2SO3和HF。这是构成设备内部绝缘性能劣化和腐蚀的原因。因此，应严格控制断路器内的水分含量。 水分含量低时会引起下述的部分水解反应: SF4+H2O,SOF2+2HF SOF2+H2O,SO2+2HF 2SF2+H2O,SOF2+2HF+S 2S2F2+H2O,SOF2+2HF+3S 当水分含量高时则会发生完全的水解反应: SF4+3H2O,H2SO3+4HF 2SF2+3H2O,H2SO3+4HF+S 2S2F2+3H2O,H2SO3+4HF+3S SOF2+2H2O,H2SO3+2HF 上述之分解产物都具有很强的反应能力，而且具有不同程度的毒性。从事有关六氟化硫气体工作的人员，应认真执行“六氟化硫电气设备制造运行及试验检修人员安全防护细则”，以避免工作人员中毒事故的发生，确保人身安全。 二、六氟化硫在电弧作用下主要分解产物的性质 主要分解产物有: ?四氟化硫(SF4)，在常温下为无色气体，有类似SO2的刺激嗅味。在空气中能与水 汽形成烟雾。SF4与水猛烈反应生成SOF2和HF，与碱液反应生成氟化物和亚硫酸盐，遇浓硫酸会发生分解并放热。SF4易溶于苯，可用碱液或活性氧化铝吸收。SF4对肺有侵害作用，影响呼吸系统，其毒性与光气并列。西德和美国规定空气中允许浓度为0.1×10-6。 ?氟化硫(S2F2)，在常温下为无色、有类似SCl2嗅味之气体;遇水蒸气能在30,40秒内完全水解形成S、SO2和HF;90?开始分解，200,250?反应加快;常温下不与Fe、Al、Si、Zn反应，与水和碱激烈反应，与氨作用生成NH4F。S2F2易被活性氧化铝吸收。S2F2为有毒的刺激性气体，对呼吸系统有类似光气的破坏作用。 ?二氟化硫(SF2)，极不稳定，受热后更加活泼，易水解生成S、SO2、HF。可用碱液或活性氧化铝吸收。毒性与HF近似，美国毒性基准规定为5×10-6。 ?十氟化硫(S2F10)，为五氟化硫的二聚物，在常温常压下为易挥发性液体，无色、无嗅、无味，化学上极稳定;在水和浓碱液中分解极慢，且不溶于其中;在200,300?时即完全分解生成SF4和SF6。S2F10是一种剧毒物质，其毒性超过光气，主要破坏呼吸系统，空气中含1×10-6能使白鼠8小时死亡。美国和西德规定S2F10在空气中之允许浓度为0.025×10-6。 ?氟化亚硫酰(SOF2)，为无色气体，有窒息性嗅味。化学上很稳定，在红热温度下仍不活泼，例如在125?时不与Fe、Ni、Co、Hg、Si、Ba、Mg、Al、Zn以及氯、溴、一氧化氮等物质反应。SOF2可发生水解反应，并能在碱的酒精溶液中分解。它与水的反应在摄氏零度时进行缓慢，然而它与溶于HF中的水可瞬时反应。SOF2为剧毒气体，可造成严重肺水肿，刺激粘膜，当空气中含有1×10-6,5×10-6时即可觉察出刺激嗅味，并会引起呕吐。 ?氟化硫酰(SO2F2)，无色无嗅气体，化学上极稳定，加热至150?亦不与水和金属反应。SO2F2被KOH、NH4OH缓慢吸收，但不易被活性氧化铝吸收，苏打石灰(CaO+NaOH)可吸收SO2F2。SO2F2是一种导致痉挛的有毒气体，可引起全身痉挛并麻痹呼吸器官、肌肉使其失去正常功能而造成窒息。它与SOF2不同，它的危险性尤其在于无刺激嗅味，且不引起眼、鼻、粘膜的刺激作用，故初始不易察觉，往往发现中毒之后迅速造成死亡。我国规定空气中最高允许浓度为5×10-6。 ?四氟化硫酰(SOF4)，与水反应生成SO2F2并放出大量热;能被碱液吸收;对肺部有侵害作用。 ?氟化氢(HF)，对皮肤、粘膜有强刺激作用并可引起肺水肿、肺炎等;对设备材质有腐蚀作用。 ?二氧化硫(SO2)，强刺激性气体，损害粘膜及呼吸系统，还可引起胃肠障碍，疲劳等症状。 空气中SF6气体及其毒性分解产物的容许含量见表1-8 名称 容许含量 名称 容许含量 SF6 1000×10-SiF4 2.5mg/m3 6 SF4 HF 3×10-6 表1-8 空气中SF6气体及其毒性分解产物的容许含量 0.1×10-6 SOF4 CF4 2.5×10-6 注:单位为“10-6”者为体积分数。 2.5mg/m3 SO2 CS2 10×10-6 六氟化硫气体绝缘电气设备现场检测技术 2×10-6 SO2F2 AlF3 2.5mg/m3 第一节 六氟化硫气体绝缘高压电器 5×10-6 S2F10 CuF3 2.5mg/m3 0.025× SOF10 Si(CH3)2F1mg/m3 10-6 2 0.5×10-6 由于六氟化硫气体具有优的绝缘和灭弧性能，近年来，六氟化硫气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的发展。六氟化硫气体绝缘设备已成为高压电气设备发展的方向。目前，在我国63~500kV电力系统中，六氟化硫气体绝缘断路器和六氟化硫气体绝缘变电站(GIS)的应用已相当广泛。 一、六氟化硫气体绝缘断路器 1.六氟化硫气体绝缘断路器的主要特点 六氟化硫气体绝缘断路器与其他类型的断路器相比较，具有许多独特的优点。 (1)开断和绝缘性能优良 超高压断路器一般要求断口电压高、开断容量大、操作过电压低、结构简单、维修方便。六氟化硫断路器电压可以做得较高，在电压等级相同，开断电流相当和其他性能接近的情况下，六氟化硫断路器的串联断口数较少。 由于近区开断时，恢复电压上升速率很高，超高压大容量断路器开断近区故障相当困难。一般的空气和少油断路器，介质强度恢复速度比六氟化硫断路器要低。六氟化硫断路器不但有很高的介质强度恢复速度，而且对恢复电压不敏感，所以具有很好的开断近区故障的能力，可以开断比空气断路器大许多倍的电流，而无需采取附加并联电阻，因而六氟化硫断路器的串联断口数可以比较少。 在开断小电流时，空气和少油断路器容易引起高的操作过电压。而六氟化硫断路器在开断小电流时无重燃，在开断小电感电流时，无截流现象发生，因而开断小电电流进过电压低。 六氟化硫断路器在这方面显示的优点，使得六氟化硫断路器更有利于超高压断路器方向发展。 (2)构简单紧凑，维修方便 六氟化硫断路器，由于断口电压较高，所以断口数较少，特别是单压式灭弧室结构的采用，使得六氟化硫断路器的结构比空气和少油断路器都要简单得多。 在六氟化硫断路器中，即使开断大电流时，电弧电压也不高，纸为空气断路器电弧电压的1/10左右，所以电弧功率小。同时六氟化硫气体的散热能力比空气大得多，特别是温度在2000K左右时，导热系数最大。能交电弧能量大量悻散，因而对触头烧毁轻微，大大延长了触头的寿命。由于六氟化硫断路器的触头寿命长，在六氟化硫气体中的金属和绝缘伯很少发生劣化现象，所以六氟化硫气体绝缘断路器检修周期长，一般情况下，三年以内不必检修。 图2-1 瓷瓶支柱式六氟化硫断路器 2.六氟化硫断路器的总体结构 1—上部箱体 2—开联电容 3—端子 按照断路器的总体布置的不同，超高压断路器 4—灭弧室瓷套 5—支持瓷套 6—合闸 可分为瓷瓶支柱式和落地箱式两种。 电阻 7—灭弧室 8—绝缘拉杆 9—操 (1)瓷瓶支柱式 作机构箱 瓷瓶支柱式六氟化硫断路器(图2-1)又称为 敞开式六氟化硫断路器。断路器的外形同压缩空气断路器或少油断路器极为相似。带电部分与接地部分的绝缘由支持瓷套承担。灭弧室安装在支持瓷套的上部，安装在瓷套内。一般每个瓷套安装一个断口。随着额定电压的提高，支持瓷套的高度以及串联灭弧室的个数也增加。支持瓷套的下端与操动机构相连，通过支持瓷套内的绝缘拉杆带动触头完成断路器的分合闸操作。 这种灭弧装置置于支柱瓷套顶部带高电位的储气罐内，由绝缘杆进行操作的机构，是目前广泛采用的 一种型式。其优点是系列性好，选用不同标准的灭弧 单元与支柱瓷套，即可组装成不同电压等级的产品。 这种结构，六氟化硫气体用量较少，绝缘问题容易解 决。均压电容器也可采用普通油纸电容器，便于配套。 但操作杆较长，需要较大功率的操作机构，且电流互感器未装成套，组合性差。 (2)落地箱式 落地箱式六氟化硫气体断路器又称为罐式六氟化硫气体断路器(图2-2)。沿用了箱式多油断路器的总体结构。灭弧室和触点均安放在金属箱体内，箱体是接地的，带电部分与箱体之间的绝缘由六氟化硫气体承担。随着断路器的额定电压提高，灭弧室的断口也随之增多。为了均压，每个灭弧室并接了均压电容器。电流经套管引入，每个箱体上装设了两个引线套管，一般都装设了套管式电流互感器，引线套管内腔亦充六氟化硫气体。这种结构的六氟化硫断路器便于互感器配套，组合性好，且结构稳定，机构稳定性较高，抗震能力强。但六氟化硫气体用量较多，系列性较差。 二、六氟化硫气体绝缘变电站 1.六氟化硫气体绝缘变电站的组成 六氟化硫气体绝缘变电站又称六氟化硫全封闭组合电器，是一种将发、变电站用的各咱电气 图2-2 落地箱式六氟化硫断路器 元件组在一起，封闭在接地金属壳内，以六氟化 1—套管 2—支持绝缘子 3—电流互感器 硫气体为绝缘介质的电器。它的组成元件一般包 4—静触头 5—动触头 6—喷口工作缸 7— 括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、 检修窗 8—绝缘操作杆 9—油级冲器 10— 母线、避雷器、电缆终端(或引线套管)等。各 合闸弹簧 11—操作杆 元件间按电站主接线的要求连接并组装成一个整 体。六氟化硫气体压力一般为0.3~0.4MPa。图2-3为一台110kV单母线六氟化硫全封闭组合电器的示意图。 图2-3 单母线六氟化硫全封闭组合电器 1—隔离开关 2—电流互感器 3—吸附剂 4—断路器灭弧室 5—操动机构 6—控制柜 7—伸缩节 8—三相母线简 9—绝缘子 10—导电杆 11—电缆头 12— 13—接地开关 电缆 2.六氟化硫气体绝缘变电站的优点 由于城市 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 部门的配电系统要求提供比常规的空气绝缘设备面积和容积小得多的紧凑设备，从1965年开始，气体绝缘变电站得到了迅速发展，其优点如下: (1)占用面积与空间体积小 由于六氟化硫气体有很好的绝缘性能，因此绝缘距离大为缩小。通常电器设备的占地面积大约与绝缘距离缩小的倍数成平方倍数地缩减。空间体积则立方比例缩减。随着电压等级的提高，缩小的倍数越来越大。 据国外统计，不同电压等级采用六氟化硫全封闭组合电器与常规的敞开式电器的占地面积与空间体积的比较见表2-1。 表2-1 占地面积与空间体积的比较 电占地面积/m2 空间体积/m3 压/kV 六常缩小六常规缩小 氟化规敞开 (A/B) 氟化硫 敞开 率(C/D) 66 2123 17×131360 10× 硫 1 10-2 6 10-2 电组电器15435 8075 体积的缩小为大城市、稠密地区的变电所建设以及城市电网的改造提供了 组器B 合电器D 4 37.7×334.1×有利条件，也为建设地下变电站创造了条件。 1202880合电C 7 10-2 1 10-2 270 0 (2)安装方便、运行可靠、便于维修 器A 5 63.8×411.4× 3701476由于六氟化硫全封闭组合电器的全部电器设备封闭于接地外壳内，组装成6 10-2 4 10-2 6 96 50为一个整体，减少了自然环境对设备的影响，因为还适宜用在严重污染地区、0 92.4×900.6×盐雾地区、高海拔地区以及水电站。其安装一般是以整体形式或者把它分成若 0 10-2 0 10-2 干部分运往现场，因此可大大缩减现场安装的工作量，工程建设周期。由于其外壳是接地的，可以将其直接安装在地面上，节省了钢材和水泥等建筑材料。 六氟化硫气体性能稳定、又无氧化问题，辊上六氟化硫断路器开断性能好、触头烧伤轻微，因此六氟化硫气体绝缘变电站运行安全可靠、维修方便、检修周期也大为延长。其般可达5,8年，长者可达20年。如:法国MG公司生产的六氟化硫断中器允许累计开断电流达2000kA.日本富士公司的HF60系列六氟化硫断路器额定开断电流为50 kA，可以接受70次开断的才能，累计开断电流为3500 kA.西安高压开关厂生产的110kV六氟化硫断路器，形式试验中累计电流值达到1700kV,相当于在额定开断电流31.5 kA下开断50次。 三、其他六氟化硫气体绝缘设备 1.六氟化硫气体变压器 随着电力传输线路长度的增长，传输容量增大，输电电压等级不断提高，电力变换容量也不断增加，对电力变压器的要求愈来愈高，歪风邪气的油浸变压器已不能满足需要。近年来，国内外在六氟化硫气体绝缘变压器的研制上取得很大进展，美国和日本已有实用化的产品，在我国，六氟化硫气体绝缘变压器也已研制成功并投入生产。 与常规的油浸变压器相比，采用压缩六氟化硫气体和聚脂薄膜作为绝缘介质的六氟化硫气体变压器在安全运行的可靠性、防火、防爆、噪声控制、节能、缩小占地面积、减轻重、防止油污染等方面显示出它的优良性能。 在六氟化硫气体变压器中，六氟化硫气体的压力一般为0.2Mpa.如果使用六氟化硫气体压力提高，变压器壳休的强度就要增加，导致壳休重量和成本的增加。另外由于六氟化硫气体在导热性能方面不如变压器油好，大容量的变压器中需加氟碳化合物作冷却剂，形成单独的冷却系统。 2.六氟化硫气体绝缘电力电缆 将单相导体或三相导体封装在充有六氟化硫气体的金属圆筒中，带电部分与接地的金属圆筒间的绝缘由六氟化硫气体来承担。这就是六氟化硫气体绝缘电缆。普通的电力电缆是采用油纸绝缘的，由于绝缘油和纸的介电常数大，充电电流较大，且随长度的增长成正比例上升，较长距离的电缆必须加并联电抗器补偿。六氟化硫气体电缆在输送容量和输送距离方面均比传统电缆要高。与油纸电力电缆相比，六氟化硫气体绝缘电力电缆具有多方面的。 六氟化硫气体的介电系数为ε为1,而油纸电缆的ε为3.6, 六氟化硫气体绝缘的电容值大致为油电缆的53%，电容电流小。六氟化硫气体绝缘电缆的介质损耗可忽略不计。考虑六氟化硫气体的对流效果后，其散热性能也比油纸绝缘电缆好，因此六氟化硫气体绝缘电缆的额定电流可提高，具有更大的传输容量，适宜于远距离输送。 六氟化硫气体绝缘电缆的波阻抗约为60Ω,大于油纸绝缘电缆的波阻抗，因此与架空线连接时对行波的反射大为减少。加之允许工作温度高、无着火的危险，安装时不受落差的限制，使六氟化硫气体绝缘电缆特别适宜用于超高压大容量的传输，适宜用于六氟化硫全封闭组合电器与架空线的连接，用于大城市中大容量的供电。 第二节 气体湿度测量的基础 一、湿度的表示方法 湿度是指气体中的水汽含量，而固体或液体中的含水称为水分。湿度的表示方法繁多，其定义都是基于混和气体的概念引出的。 表示气体中水汽含量的基本量可以是水蒸气压力，它表示湿气(体积为V，温度为T)中的水蒸气于相同V、T条件下单独存在时的压力，亦称水蒸气分压力。 饱和水蒸气压的概念也是湿度测量中一个极为重要的概念。众所周知，水从液体转化成蒸汽的过程称为汽化。汽化的某种方式可以是蒸发，以液体的自由表面作为气—液的分界面的汽化过程称为蒸发。以容器中水的蒸为为例，显然蒸发过程与水的温度和液面上的压力有关。温度升高，水分子的平均动能增大，逸出液面的分子数相应增加，随着空间水分子数目增加，碰撞的机会就增回，折回水面的分子数也增加，当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，此空间中的水蒸气称为饱和水蒸气，其压力称为饱和水蒸气压。饱和水蒸气压与温度之间存在一定的函数关系，它是指气相中仅存在纯水汽时，与水或冰组成的体系的平衡水汽压，它们是温度的单值函数。 由于饱和水蒸气压是温度的单值函数，温度越高，饱和水蒸气压数值越大，因此对于一个在测试温度条件下，其水蒸气分压没有达到饱和的气体，随着人为地降低体系温度，其水蒸气分压就可以在低温状态下达到饱和。此时如果温度继续下降，气体中的水分就会以露的形式析出来。水蒸气压力达到饱和时的相应温度称为露点温度。露点温度也是湿度的一种表示方 法。 图2-4是饱和水蒸气压—温度曲线。A点状 态的气体，随温度下降到B点状态，其水蒸气 图2-4 饱和水蒸气压与温度的关系 分压即为此时的饱和水蒸气压，B点相应的温 度Td称为露点温度。在这个温度下气体的水蒸气含量恰等于该气体达到饱和时的水蒸气含量。因此露点和饱和水蒸气压一样可以用来表示气体的湿度。 重量法是湿度测量中一种绝对的测量方法。在当今所有湿度测量方法中它的准确度最高。人们普遍以这种方法作为湿度计量的基准。其量值是以混和比来表示的。湿气中的混合比是湿气中所含水汽质量与和它共存的干气质量的比值。因此，可以认为，混合比是湿度的最基本表示方法。 基于混合比定义概念的还有几种常见的湿度表示方法。其中质量分数(×10-6)是以“百万分之一”为单位表示的水汽与其共存的干气的质量之比值。体积分数(×10-6)是以“百万分之一”的单位表示的水汽与其共存的干气的体积之比值。绝对湿度亦称为水汽浓度和水汽密度，定义是湿气中的水汽质量与湿气总体积之比。相对湿度也是常用的湿度表示方法。压力为p、温度为T的湿气的相对湿度，是指给定的湿气中，水汽的摩尔分数与同一温度T和压力p下纯水表面的饱和水汽的摩尔分数之比。 综上所述，露点温度、饱和水蒸气压、水蒸气分压力、混合比、质量分数、体积分数、绝对湿度、相对湿度都可用以表示气体湿度。根据它们的物理意义，相互之间可以互相转换。 二、常用湿度计量的名词术语 按中华人民共和国国家计量技术规范对“常用湿度计量名称术语”定义如下: 水分—―液体或固体中水的含量。 湿度—―气体中水蒸气的含量。 干气—―不含水蒸气的气体。 湿气—―干气和水蒸气组成的混合物。 水蒸气—―亦称水汽。水的气态，由水汽化或冰升华而成。 水蒸气压力—―湿气(体积为V、温度为T)中的水蒸气于相同V、T条件下单独存在时的压力，亦称水蒸气分压力。水蒸气压力用e表示。 饱和水蒸气压—―水蒸气与水(或冰)面共处于相平衡时的水蒸气压。饱和水蒸气压用es表示。 露点温度—―压力为p、温度为T、混合比为γ的湿气、其热力学露点温度Td是指在此给定压力下，该湿气为水面所饱和时的温度。 质量混合比—―湿气中水蒸气的质量与干气的质量之比，亦称混合比。 质量分数—―质量混合比乘以106。 体积分数—―湿气中水蒸气的分体积与干气的分体积之比值的106倍。 绝对湿度—―单位体积湿气中水蒸气的质量。 相对湿度—―湿气中水蒸气的摩尔分数与相同温度和压力条件下饱和水蒸气的摩尔分数之百分比。 三、湿度计量单位换算 前面已讲到湿度计量有多种表示方法，饱和蒸气压、露点、质量分数、体积分数、相对湿度、绝对湿度(即质量浓度)都可以用来表示气体中水汽的含量。下面介绍这几种量的计算。 1.气体湿度的体积分数计算 由道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可知气体的压力是由大量分子的平均热运动形成的，是大量分子对器壁不断碰撞的结果，所以它的量值决定于单位体积的分子数和分子的平均动能。又由于气体的绝对温度是分子平均动能的量度，在相同的温度下，气体的分子平均动能是相同的，所以在同一温度下，不同气体的分压力之比就是分子数目之比，也就是不同气体的体积之比，因此有: 气体湿度的体积分数为: 106=×106 式中: —―测试气体湿度的体积分数,10-6 VW—―水汽的分体积，L VT —―测试气体的体积，L PW—―气体中水汽的压力，Pa PT —―测试系统的压力，Pa 2.气体湿度的质量分数计算 由质量分数浓度定义知道，质量分数表示湿气中水蒸气的质量与干气质量 之比的百万分之一(干气质量可用测试湿气质量近似代替)，也就是: =106(×10-6) 式中:mW—―水蒸气的质量，g mT—―测试湿气的质量，g 由于理想气体状态方程有下式: pTVT= 式中:pT—―气体压力，Pa T—―温度，K VT—―气体体积，L MT—―气体的摩尔质量，g/mol mT—―气体质量，g R—―摩尔气体常数 将理想气体状态方程代入上式，经整理可得到: 106= 式中:—―气体湿度的质量分数，10-6 MW—―湿气中水的摩尔质量，g/mol MT—―测试气体的摩尔质量，g/mol 3.气体含水量的相对值计算 根据相对湿度的定义气体湿度的相对值RH表示水蒸气在测试露点下的分压 与系统温度下的饱和水蒸气压之比，以百分数表示。 RH=100% 式中:pW—―测试露点下水蒸气的分压力，Pa pS—―测试系统温度下的饱和水蒸气压力，Pa 4.气体含水量的绝对值计算 根据绝对湿度的定义，气体湿度的绝值AH表示的是单位体积湿气中水蒸气 的质量。也 就是水蒸气的密度，它可以由理想气体状态方程推出:由于pV=RT 水蒸气密度== (g/L) 即 AH= 式中:MW—―表示水的摩尔质量(18.01g/mol) R—―摩尔气体常数，R=0.0082，MPa?L/(K?mol)。 PW—―水蒸气的分压力，Pa TK—―系统温度，K 将常数代入整理后得到: AH= 2.195 (g/m3) 5.大气压力下测量时露点的计算 IEC480“电气设备中六氟化硫气体检验导则”给出非大气压力下露点的计 算，指出非大气压力下测量的水落蒸气分压与大气压力下测量的水蒸气分压与 其测试压力成正比，即有下式: = 式中:—―非大气压力下测量露点相应的饱和水蒸气压，Pa —―大气压力下测量露点相应的饱和水蒸气压，Pa —―非大气压力(绝对压力)，Pa —―大气压力，Pa 综上所述，气体湿度测量主要使用的计算公式包括: 体积分数:=×106 (×10-6) 质量分数:= (×10-6) 相对湿度:RH= (%) 绝对湿度:AH=2.195 (g/m3) 非大气压力下气体水汽分压:= 式中:—―气体中的水汽分压(测试露点下饱和水蒸气压)，Pa —―测试系统的压力，Pa —―水的摩尔质量，g/mol —―被测气体的摩尔质量，g/mol —―被测气体的温度，K —―测试系统温度下的饱和水蒸气压，Pa —―大气压力下气体水汽分压，Pa —―非大气压力下气体水汽分压，Pa —―非大气压力，Pa —―大气压力，Pa 第三节 气体湿度的常用检测方法 在湿度测量中有多种方法可以应用，目前电力系统常用的六氟化硫气体湿度检测方法主要有电解法、阻容法、露点法。 一、电解法 电解法是目前广泛应用的微量水分测量方法之一。人们对此法之所以感兴趣，其原因在于这种方法不仅能达到很低的量限,更重要的是因为它是一种绝对测量方法。 1.测量原理 电解法湿度计的敏感元件是电解池，它的测量原理是基于法拉第电解定律。众所周知，法拉第定律由下面两个定律组成: ? 在电流作用下，被分解物质的量与通过电解质溶液的电量成正比; ? 由相同电量析出的不同物质的量与其化学当量成正比。 根据法拉第第二定律，析出任何一摩尔物质所需的电量为96485C。所以可以由消耗的 电量来计算电解的物质量。在六氟化硫气体湿度测量中，被电解的物质是水。测量特点是当被测气体连续通过电解池时，其中的水汽被涂敷在电解池上的五氧化二磷膜层全部吸收并电解。在一定的水分浓度和流速范围内，可以认为水分吸收的速度和电解的速度是相同的。也就是说，水分被连续地吸收同时连续地被电解。瞬时的电解电流可以看成是气体含水量瞬时值的尺度。这种湿度测量方法要求通过电解池的气体的水分必须全部被吸收。测量值是与气体流速相关的。因此测量时应有额定的流速并保持流速恒定。由测量气体的流速和电解电流便可测知气体湿度。 2.定量基准 由于法拉第电解定律指出电解一摩尔物质所消耗的电量是一个常数，依据法拉第定律和气体方程可求出电解电流与气体含水量之间的关系式: ,104 () I 式中:F—―法拉第常数(96485C/mol) q—―气体流速，ml/min —―气体含水量的体积分数，×10-6 I—―电解电流， —―标准状况下的气体压力(101325Pa) —―标准状况下的气体温度(273.15K) —―标准状况下的气体体积(22.4L/mol) p—―被测气体压力，Pa T—―被测气体温度，K 上式即为电解式水分仪依据的公式。从式中可以看出，在温度、压力、流量不变的前提下，电解电流的大小正比于气体含水量。当被测气体压力p,1×10-6(体积分数)，电解电流I,13.2。根据电解电流的大小，仪器可直接显示气体含水量。 二、阻容法 阻容法水分仪属于一种电湿度计。它是利用吸湿物质的电学参数随湿度变化的原理借以进行湿度测量的仪器。属于这一类的湿度计主要有氧化铝湿度计、碳和陶瓷湿度传感器，以及利用高聚物膜和各种无机化合物晶体等制作的电阻式湿度传感器等。我们主要应用的是氧化铝湿度计 1.测量原理 氧化铝湿度计的测量元件是氧化铝探头，它是通过电化学的方法在金属铝基体表面形成一层氧化铝膜，进而在膜上淀积一薄层金属膜，这样便构成一个电容器。氧化铝吸附水汽后引起电抗的改变，湿度计的原理就是建立在这一电特性基础之上的。 2.传感器结构 氧化铝传感器的核心部分是吸水的氧化铝膜层，它的结构模型如图2—5a。 氧化铝膜层布满了平行且垂直于其平面的管状微孔，并从表面一直深入到氧化层的内 图2-5 氧化铝传感器的结构模型和等效电路 部，多孔的氧化铝具有很大的比表面，对水汽 a)结构模型 b)等效电路 有很强的吸附能力。 1—金属铝基体 2—管状微孔 传感器的工作电路如图2—5b，在湿度变 3—氧化铝膜 4—淀积金属膜 化时R1和C2的变化是明显的，具有决定性影 C0—―厚度为d的氧化铝膜隔 响的两个参量。 开的两电极之间的电容; 三(露点法 R0—―氧化铝膜的漏电电阻; 露点法是一个古老的测量方法。露点仪建 R1—―微孔内表面的电阻; 立在可靠的理论基础之上，具有准确度高，测 C2、R2—―微孔底与铝基体之间 量范围宽的特点，在现代湿度测量技术中占有 的电容和漏电电阻 相当重要的位置。 1.测量原理 露点仪的测量系统是一个金属镜面，气体以一定的流速通过这个金属镜面，此金属镜面用人工的方法使之冷却。当气体中的水汽随镜面的冷却达到饱和时，将有露在镜面上形成， 镜面上浮着的水膜个气体中的水分处于动态平衡。此时镜面温度称为露点温度。由此可以测 定气体湿度。也就是说，当一定体积的湿气在恒定的总压力下被均匀降温时，在冷却的过程 中，气体和水汽两者的分压力保持不变，直到气体中的水汽达到饱和状态，该状态称为露点， 由测定露点温度可以测知气体湿度。 2.露点仪结构 由露点法的测试原理可知，一般的露点仪的测试系统主要分为金属镜面，制冷系统、测温系统、光电系统几部分。 (1)制冷技术 手动露点仪通常采用干冰(液态CO2)、液氮制冷。这种仪器一般用于实验室。它的最大特点是可以进行低霜点测量。干冰可以达到—78?，液氮可以达到—100?。使用干冰时常常用乙醇作为冷介质传递冷量，这种制冷方法的缺点是降温速度不易控制。 自动热电制冷也就是半导体制冷，其原理是利用帕尔粘效应，也就是电偶对的温差现象。目前广泛应用的电偶对是由铋碲合金与铋硒合金组成的N型元件，以及由铋碲合金组成的P型元件。冷堆由适当数目的致冷元件(N—P电偶对)按串、并的方式联接，利用多级迭加可以获得不同程度的低温。如二级迭加可以达到,40,,45?，三级迭加可以达到,70,,80?，一般不宜超过三级迭加。 (2)露点镜温度的测量 现代的露点仪镜面温度的测量一般都采用热电偶、热敏电阻、铂电阻。测量露点温度有两个最基本的要求，一是露点温度测量与结露时间的一致性，测量值与真实露点温度的偏差要小:二是测温元件安放点的温度应与镜面温度一致，两处的温度梯度要小。 (3)简单的凝露状态监控 在简单的露点仪中通过手动调节制冷量来控制镜面降温速度，用目测法确定露的生成。这种露点仪在很大程度上依靠经验来进行测量。 (4)光电的凝露状态监控 自动的现代露点仪大部分采用光电系统来确定露的生成。 光电检测系统主要包括一个稳定的光源和反射光的接收系统(包括光敏元件和电桥)。来自光源的平行光照到镜面上被镜面反射，反射光可以用光电管式光敏元件接收。在镜面结露之前，只要 图2-6 手动制冷露点仪结构图 光源足够稳定，入射光和反射光的光通量基本是稳 1—测量室 2—冷却槽不 3—露点 定的。 4—观测镜 5—热敏探头 6—冷传导体 当镜面上出现露时，入射光就发生散射，光接 7—光通路 8—玻璃 9—观察者 收系统接受的光量就减小，光的散射量大致和露层 10—光源镜 的厚度成正比。利用光敏元件作为惠斯顿电桥的一 臂，可以检出光的变化。也就是说，利用电桥状态的变化来判断露点。 在露点出现前，电桥处于不平衡状态，电桥信号输出控制半导体制冷器的制冷电流。当露出现时，电桥达到平衡，半导体制冷器停止制冷或反向加热，使镜面温度自动保持在露点附近，即自动跟踪露点。 图2-6，表示一台简单的手动制冷的露点仪的结构图。冷却剂干冰由冷却槽2放入，镜面温度由热偶探头5测量，被测气体通过测量室1，在露点镜3上结露，操作人员在位置9处，通过观测镜4来观测镜面露的形成。 图2-7，表示自动露点仪的测量方框图。镜面由半导体元件7制冷，光源1照在镜面2上，镜面状态由光电管4监测。信号反馈给半导体制冷控制元件，镜面温度由测温元件3(PT—100)通过温度放大器，到数字显示仪表。 图2-7 自动露点仪测量方框图 1—灯 2—镜 3—PT-100 4—光电管 5—制冷控制 6—输出 7—帕尔粘制冷8—冷却器 9—温度放大器 10—数字显示 11—灯稳定器 12—电源提供转换器 13—?15V DC 稳定器 14—风扇 第四节 六氟化硫气体湿度现场检测 在本章第一节我们介绍了六氟化硫气体绝缘高压电器。其中六氟化硫气体绝缘断路器喝六氟化硫气体绝缘变电站(GIS)在电网的应用已经很普遍。六氟化硫气体湿度现场检测注意是六氟化硫断路器喝GIS的气体湿度检测喝六氟化硫气体泄漏检测。本节主要介绍电气设备中六氟化硫气体湿度的现场检测。 一)高原电气设备中气体水分的主要来源 1.六氟化硫新气中含有的水分 无论是六氟化硫新气或六氟化硫电气设备中的运行气体都会不可避免地含有微量的水分。六氟化硫新气中的水分主要是生产过程中混入的。由于六氟化硫在合成后，要经过热解、水洗、碱洗、干燥吸附等工艺，生产的环节多，难免遗留有少量水分。在向高压电器设备充气或补齐时，这些水分会直接进入设备内部。另外六氟化硫气瓶在存放过程中，如果存放时间过长，气瓶密封不严，大气中水分会向瓶内渗透，使六氟化硫气体含水量升高。因此按规定要求，在充入六氟化硫新气时，对存放半年以上的气瓶，应复测其中的气体湿度。 2.六氟化硫高压电器设备生产装配中混入的水分 高压电器设备在生产装配过程中，可能将空气中所含水分带到设备内部。虽然设备组装完毕后要进行充高纯氮气)抽真空干燥处理，但附着在设备腔中内壁上的水分不可能完全排除干净。 另外六氟化硫电气设备中的固体绝缘材料，主要是环氧树脂浇注品。这些环氧树脂的含水量一般在0.1,,0.5,之间。固体绝缘材料中的这些水分随时间延长可以逐步地释放出来。 3.大气中的水汽通过六氟化硫电气设备密封薄弱环节渗透到设备内部 一般六氟化硫高压电器由于人为的控制设备内部气体湿度，所以设备内部气体含水量较低。内部水蒸气分压很低，而大气中水蒸气分压很高。在高温高湿的条件下，水分子会自动地从高压区向低压区渗透。外界气温越高、相对湿度越大。内外水蒸气压差就越大，大气中的水分通过设备密封薄弱环节，进入设备的可能性就越大。由于六氟化硫分子直径为4.56×10-10m，水分子直径是3.2×10-10m，六氟化硫分子是球状，而水分子为细长棒状，在内外水分压差大时，水分子是容易进入设备内部的。 六氟化硫高压电气设备中气体含有的微量水分可与六氟化硫分解产物发生水解反应产生有害物质，可能影响设备性能并危及运行人员的安全，因此国内外对于六氟化硫气体中微量水分的分析)监测和控制都十分重视。 二、六氟化硫气体中的水分对设备的危害 1.水解反应生成氢氟酸)亚硫酸 六氟化硫气体是非常稳定的，当温度低于500?时一般不会自行分解，但当水分含量较高时，温度高于200?时就可能产生水解反应，生产SO2和HF。SO2可进一步与H2O反应生成亚硫酸。 氢氟酸和亚硫酸都具有腐蚀性，可严重腐蚀电气设备。 2.加剧低氟化物水解 六氟化硫气体中的水分，会加剧低氟化物的水解。六氟化硫在电弧作用下可分解。电弧高温可达5000-10000?以上，在这样的高温下，六氟化硫可分解成原子态S和F。电弧熄灭后，S)F原子重新又结合成六氟化硫，但其中仍有一部分结合不完全而生产低氟化物。由于水分的存在，低氟化物可进一步水解生成氟化亚硫酰，其反应式如下: SF6 S+6F SF4+F2， SF4+H2O SOF2+HF 六氟化硫气体中水分含量增加，会加速上述反应。 3.金属氟化物水解 在六氟化硫被电弧分解成原子态S)F的同时，触头蒸发出大量的金属铜和钨蒸汽，该蒸汽与六氟化硫在高温下会发生反应，生产金属氟化物和低氟化物。 4SF6+W+Cu 4SF4+WF6+CuF2 2SF6+W+Cu 2SF2+WF6+CuF2 4SF6+3W+Cu 2S2F2+3WF6+CuF2 气态的WF6与H2O会继续反应: WF6+3H2O WO3+6HF 生成的WO3和CuF2呈粉末状况沉积在灭弧室内。SF2与S2F2在电弧作用下还会再次反应成为SF4，SF4会进一步水解呈氟化亚硫酰 2SF2 SF4+S 2S2F2 SF4+3S 氟化亚硫酰是剧毒的，对人体有很大的危害。HF也是毒性气体，它不仅具有腐蚀性而且可严重烧伤肌体。HF还可以与含SiO2的零件、瓷件、充石英粉的环氧树脂浇铸件反应，这不仅腐蚀了固体零件的表面，且生成了水分。 4HF+SiO2 SiF4+2H2O SiF4+2HF H2SiF6 4.在设备内部结露 由于气体中的水分以水蒸气的形式存在，在温度降低时，可能在设备内部结露，附着在零件表面，如电极)绝缘子表面等，容易产生沿面放电(闪络)而引起事故。 三)六氟化硫电气设备气体湿度现场检测方法 六氟化硫高压电器设备气体湿度现场检测的关键问题是解决设备本件与检测仪器的连接问题。检测时，设备本体中的气体必须经气路引出，以一定流速通过检测仪器的检测器(如电解式水分仪的电解池)阻容式水分仪的探头等)。由于六氟化硫气体中水分含量是微量的，气体湿度的测量又是一项严密的工作，因此对气路连接的要求就比较严格。 1.设备本体与检测仪器之间的连接要求 以六氟化硫高压断路器为例，断路器的一般气路系统包括压力表)密度继电器、阀门、充放气口(或气体检查口)等，如图2-8。 设备中六氟化硫气体的压力是用压力表和气体密度继电器来监视的，在气体密度降低时，六氟化硫气体密度监测器自动报警或发出闭锁信号。截止阀2在设备运行中是处于常 开状态，截止阀3、7在运行中是处于常闭状态。六氟化 图2-8 六氟化硫断路器的气路系统 硫充)放气口4在设备安装)补气时给设备充气或放气 1—断路器本体 用。气体检查口8可用日常监督中对设备中气体进行检 2—截止阀(常开) 测。 3—截止阀(常闭) 六氟化硫气体湿度检测一般是从检查口8取气。将 4—六氟化硫充放气口 检测用仪器由检查口8经专用接口连接到设备本体上。 5—六氟化硫密度继电器 连接之前，先将截止阀7关闭，打开检查口8处的密封 6—六氟化硫压力表 盖口，用专用接头将测试仪仪器经管路连入，再打开截 7—截止阀(常开) 止阀7，调节适宜的气体流量，而后即可开始进行气体 8—气体检查口 湿度测量。 六氟化硫断路器气体湿度检测使用的专用接口，根据不同的断路器型号采用不同的型式，一般可以根据气体检查口8的密封方式来加工专用接口。目前这类接口大致可分为三种形式。 平板结构的专用接口(见附录五图c)d)。主要用于日本日立公司)日本三菱公司生产的瓷瓶支柱式或落地箱式六氟化硫断路器。此型断路器检查口的密封采用平板(加密封垫)的形式，接口可仿制平板结构，在平板中部加工直径3mm的圆孔，经管路将设备本体与一起连接起来。 螺母式结构的专用接口(见附录五图a)b)e)。主要用于北京开关厂)上海华通开关厂等厂家生产的六氟化硫断路器或GIS中。断路器检查口的密封采用螺母式堵头，中间加密封垫，接口可采用同制式的螺纹和断路器检查口连接，设备本体中气体经堵头的3中心孔和连接管路通至检测仪器。 配合逆止阀结构使用的专用接口。常用于平顶山开关厂、ASEA生产的六氟化硫断路器。这类型断路器检查口的密封方式比较特殊。一般情况下气路比较简单，没有压力表，以气体密度断电器作为检查口8的密封，取消截止阀7。检测时取下密度继电器，逆止阀自动封闭气路，把检测用专用接口接上，要求专用接口可以顶开逆止阀的弹簧将气路连通，设备中气体经管路通至检测仪器。检测完毕，把专用接品卸下，逆止阀再次自动封闭气路。将密度继电器重新装上，逆止阀自动连通气路，设备恢复正常。一般情况下，六氟化硫气体湿度检 测可以在设备带电情况下进行，但考虑到带逆止阀结构的断路器取消了截止阀7，为保证安全供电，此类型六氟化硫断路器不宜在带电情况下进行气体湿度检测。 采用专用接口连接气路的目的就在于保证气路系统的密封性，以防止外界环境水分干扰测试结果，因此测试的气路系统一定要尽量短，接口和管路的材质也应选用憎水性强的物质，从材质上看，不锈钢材料优于厚壁聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管优于钢管，钢管优于聚乙烯管，推荐使用不锈钢管和厚壁聚四氟乙烯管，不能使用乳胶管和橡胶管作取样管。 附录五所示是几种常用的断路器取样接口。 2.检测仪器的操作要求 本章第三节简要介绍了气体湿度测量的电解法、阻容法、露点法。在六氟化硫电气设备现场湿度测量中，主要也是应用这三种测量原理的仪器。本节简要介绍这三种类型仪器在测试中的操作要求。 (1)电解式水分仪 根据电解式水分仪的测量原理及定量基准，电解式水分仪的定量和气体流速有关，因此要求测试气体应有额定的流速并在测试过程中保持流速恒定。在测量时，流量准确与否，将直接影响测量结果。电解式水分仪在测试前要求对流量计进行校准。在检测对象是六氟化硫气体时，可用皂膜流量计准确标定六氟化硫气体的流量，绘制流量计浮子高度与气体流量的关系曲线，供测试时调节六氟化硫气体流速用。 电解式水分仪的定量校准一般在标准状态下进行，被测气体压力为0.1MPa，环境温度为293K。 考虑到仪器在使用环境温度和压力偏离仪器设计温度和标准大气压时(如高海拔地区使用)，会引入测量误差，可以用调节气体流量的方法来补偿环境温度和大气压力偏离设计值带来的测量误差。具体方法可以采用下面两公式进行流量修正。 A公式: , 式中:—―校正后气体的流量，ml/mim —―标准状态压力，0.1MPa —―标准状态温度，273.15K —―环境压力，Pa —―环境温度，K —―流量计测量的流量 B公式: ,0.03228 式中:—―环境压力，Pa —―环境温度，K —―选定的皂膜流量计的容量管体积，ml —―皂膜推移体积所需的时间，s 电解式水分仪在测量前，如果电解池非常潮湿，就不能进行测量，必须对电解池进行干燥处理。可以用较小的流量，如20ml/min，通干燥的高纯氮气干燥电解池。要求达到仪器表头指示在5×10-6(体积分数)以下，方可进行测量。由于电解式水分仪不可避免地存在本底值，测试前还要测量仪器的本底。方法是:控制阀仍处于“干燥”档，将气源置换为六氟化硫气体，继续干燥电解池到表头显示稳定在5×10-6(体积分数)，此时将“测试”流量调到仪器要求的值(如100ml/min)，有旁通气路的话，旁通流量调到1L/min左右，测量稳定值作为仪器本底值。 电解池干燥后且仪器本底值(电流)测试完毕，即可开始测量。将控制阀由“干燥”切换至“测量”，准确调节“测试”流量和“旁通”流量至仪器要求值，读取仪器稳定值作为测量结果。 图2-9是成都仪器厂生产的USI—IA型电解式水分仪的气路系统图，测试时干燥气体由进气口导入，当控制阀门处于“干燥”时，气体通过干燥器进入电解池，使电解池逐渐被吹洗干燥。此时由进气口将被测气体导入，继续干燥电解池，并测得电解池的本 图2-9 USI—IA 型微量水分测量仪气路系统 底电流。将控制阀门置于“测量” 1—旁路流量计 2—连通管 3—电解池 时，被测气体脱离干燥器经连接 4—测量流量计 5—干燥器 6—控制阀 管直接进入电解池，根据电解电 流的大小，仪器显示被测气体的含水量。旁通气路的采用，是为了加速取样管道的冲洗和缩短测量的时间，同时通过增大取样总量达到降低取样污染的比例，使测定尽可能迅速准确。测量结束，控制阀处于“关闭”，电解池、干燥器、取样管路被封闭。 2)露点式水分仪 ( 在露点式水分仪测量中，当固体颗粒、污着物、油污进入仪器时，镜面会受到污染，在低露点测量时，会引起测量的露点偏离。若仪器没有镜面污染误差补偿功能，或没有自动污染误差消除程序，或镜面污染严重时，均需采用适当的溶剂对镜面作人工清洗，可以用涤绸沾无水乙醇轻擦镜面。 测量时，样品气流量要适当。流量太小，响应时间长;太大，则易引起制冷元件功率不足而使冷镜面温度发生振荡，又易在测量管线上产生压力损失，使测量压力发生变化。对于冷凝式露点仪，取样管线和测量室的温度至少应高于待测气体的露点温度2?，最好高5,10?。 露点式水分仪一般可以在常压下测量，也可以在高于常压的情况下测量(这点不同于电解式水分仪。电解式水分仪只能在常压下测量)。在高于常压的情况下进行测量时，为了不影响对检测结果的换算，应当使检测室的压力达 —19露点仪为例，这点到预期的压力。以瑞士生产的DP 可 图2-10 DP—19露点仪气路系统图 以通过精确地调节仪器相应的 1—露点镜 2—阀门 3 —阀门 阀门来达到。如图2-10，若阀 4—流量计 5—气体入口连接件 门3全部打开，用阀门2来调 节适宜的测试流量，检测室出口直通大气，检测室是处于常压下测量。反之，若将阀门2全部打开，用阀门3来调节流量计处于适宜的测试流量，此时，检测室与被测设备直通，检测室的压力等同于高压电气设备内气体压力，检测是在高于常压下进行测量。 在简单的露点仪中，用目测法来确定露的生成。这种仪器在测量中应注意控制降温速率，采用制冷剂时，制冷的速率应相对稳定，以免产生过冷现象。尤其在接近测试露点时，冷却速度应尽量放慢。一般冷却的间隔速度每次不得超过2?，接近终点露点5?时，应以 5?/min降温速度冷却。直至看到镜面有雾状沉积物为止，此时不再加入冷却剂。记下看到白色沉积物时的温度t1，记下温度继续下降达到的最低温度t2，它应低于t1约0.5,1?，在温度回升时记下白色沉积物完全消失时的温度t3，它应高于最低温度t2约6,8?，测量露点应是达到的最低温度t2和沉积物完全消失时的温度t3的平均值。测量时应作三次平行测试，直到连续三次测试的露点差不大于?1.5?为止。 (3)阻容式露点仪 以氧化铝敏感元件为例，这类仪器具有操作简单、使用方便、抗干扰、响应快、测量范围宽等优点。可检测气体中,110?—+60?(露点)的含水量。 但是由于传感器本身的自行衰变，以及在使用过程中，由于矿物油的污染、氧化物及硫化物的腐蚀，传感器的工作性能会逐渐发生变化，仪器一般半年到一年要校正一次。 湿敏元件表面污损和变形，会使水分仪的性能降低，因此不能触摸此元件，不能让灰尘和液滴等落在元件上。可拆卸的传感器，在不用时应带着保护罩放在装有干燥剂(分子筛)的密封干燥筒中保存。拆卸保护罩时，应绝对避免直接用手指或其他东西触摸。此外使用传感器时应避免剧烈振动和冲击。 任何一种对铝或铝的氧化物有腐蚀作用的气体都会侵蚀元件，应避免使用。在检测六氟化硫气体湿度时，检测完毕，应通高纯氮气清洁传感器。不要在相对湿度接近100,RH的气体中长时间使用这类仪器。 3.测试结果的计算 本章第二节“气体湿度测量的基础”中已讲到湿度计量中各量值之间的计算。实际测量中，各种仪器测量的结果可用不同的量值来表示，如电解式水分仪测量结果以体积分数表示，阻容式和露点式水分仪测量结果直接以露点表示。我国国家标准规定六氟化硫高压断路器气体湿度以体积分数表示。所以实际工作中测量结果的换算是不可避免的。下面举例说明测试结果的计算。 例 某六氟化硫高压电器设备，六氟化硫气体充装压力为0.43MPa(表压)，在环境温度20?时，用露点仪测得六氟化硫气体露点为–36?，测试系统压力0.1MPa(绝对压力)，计算六氟化硫气体含水量。 解:由测得露点–36?，查相应露点下的饱和水蒸气压(本书附录四)， ,20.0494Pa，已知,0.1MPa，水的摩尔质量,18，六氟化硫的摩尔质量,146 体积分数浓度:,106,106,200.49 (×10-6) 质量分数浓度:,,,24.72 (×10-6) 绝对湿度: AH,2.195,,0.15 (g/m3) 例 上例中某电器设备，若假设测试时测量压力等同于设备压力，试推算测得露点应当是多少,六氟化硫高压电器设备内部水分的饱和蒸汽压是多少,计算六氟化硫气体含水量的体积分数浓度(设备内六氟化硫气体绝对压力为(0.43+0.1)MPa)。 解:由公式:, 计算:,20.0494,0.106kPa 查露点与饱和水蒸气压表(附录五)，得到相应露点为,19.7 ?，体积分数浓度: ,,,106,200.49(×10-6) 可以看出，此例中六氟化硫电气设备在常压下测量时露点为,36 ?，在设备压力下测量时露点为,19.7 ?，设备内部六氟化硫气体中水分的饱和蒸气压为0.106kPa，六氟化硫气体含水量的体积分数浓度是200.49(×10-6)。说明设备内部六氟化硫气体中水分的饱和蒸气压(设备压力下)与将气体释压引出设备时气体中水分的饱和蒸气压(常压下)是不同的，它们与压力成正比。因此在常压下测量和在设备压力下测量得到的气体露点值是不同的。而无论在何种情况下测量，气体含水量的体积分数浓度是不变的。由于体积分数浓度的概念是相对的概念，这种测量与计算结果是合理的。 例 在环境温度为20?时，若使用露点仪测得环境大气的露点为7?，计算环境相对湿度是多少, 解:20?时，查表,2.3382kPa 7?时，查表,1.0019kPa RH,,1.0019/2.3385×100,42.8(,) 大气环境的相对湿度为42.8,。 4.六氟化硫电气设备气体湿度测量问题讨论 气体绝缘设备中的水分不仅是存在于六氟化硫气体中，绝缘件及导体表面也吸附部分水分。气体绝缘设备中的水分在二者间的分配取决于温度的变化。据挪威工业技术大学瑞恩的研究表明，一年之中设备中气体水分 图2-11 一个GIS中六氟化硫气体含水量与 含量随气温升高而升高。图2-11，表 季节变化的关系 示GIS气室中六氟 化硫气体含水量 与季节变化的关系。表2-2是石景山发电厂安装的沈阳开关厂和日本日立公司生产的罐式六氟化硫断路器气体湿度的检测结果。从表中数据可以看出，环境温度是造成六氟化硫断路器气体水分测试结果有较大分散性的一个原因。 表2-2 六氟化硫断路器气体湿度检测结果 开关号 2222222222 203 215 214 245 202 213 212 200 211 201 一环2222222222 项测九境温度5.5 7.5 7.5 5.5 5.5 5.5 9.5 9.5 9.5 9.5 环9999999999目 数试九/? 境湿度1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 测A1111711111据 时一/试相 31.4 31.4 09.6 42.2 5.6 17.3 14.7 14.7 12.1 14.7 B1111111111间 年(,) 含相 62.6 31.4 42.2 27.0 01.1 24.2 12.1 17.3 17.3 27.0 C1111911111八水相 12.1 45.4 08.3 08.3 3.2 07.1 43.8 10.8 17.3 05.9 一环3332233332月量 测九境温度0 2 2 8.8 8.8 1 1 2 2 8 十环7777777777试九/? 七/境湿度5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 测A9918581878时三日 ×/试相 1.1 2.2 10.8 1.1 8.9 6.0 02.0 2.0 7.4 1.1 B1118589678间 年10-(,) 含相 48.7 22.8 10.8 1.1 2.8 8.0 0.0 4.0 7.4 8.0 C1196581767八6 水相 14.7 03.4 9.9 9.6 5.4 9.0 08.3 2.1 9.6 2.1 月环8 111111111测一量 二境温度0 1 7 9 9 3 7.5 7.5 7.5 试九环4444444444 日 /? 时/九境湿度7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 A1321118111测间 ×五/相 8.9 7.4 5.4 2.5 6.6 7.0 .7 4.0 4.7 4.7 B343111111110-(,) 相 7.0 8.5 4.8 9.6 3.4 5.5 2.4 7.7 6.6 4.0 6 年试C3421111111 十含相 3.9 1.9 8.1 9.1 5.3 3.8 4.3 3.4 6.6 3.6 温度对六氟化硫气体含水量测量产生影响的原因，可归纳以下几条: 一水 月量 (1)断路器材料的影响 三 /日 六氟化硫断路器内部固体绝缘材料及外壳，在温度高的时候，释放渗透在× 材料内部的水分，使气体中的水分随温度升高而增大。在温度降低时，气体中10- 的水分又较多地凝聚在外壳及绝缘材料表面，而使气体中的水分含量减少。 6 一般认为六氟化硫电气设备中含有一定数量的水汽分子，在外界环境温度降低时，水汽分子的平均动能减弱，器壁效应增强，这时会有相当数量的水汽分子被瓷套内壁或绝缘表面所吸附，使六氟化硫气体中的水汽分子数减小，故此时测得的气体含水量相应减小。而当温度升高时，水汽分子平均动能增大，使原先附着在器壁和绝缘件表面的水汽分子重新释放，回到六氟化硫气体中，使六氟化硫气体中的水汽分子数目增加，故此时测得的气体含水量相应增大。 (2)六氟化硫断路器中的吸附剂的影响 如果六氟化硫断路器密封良好可以认为断路器气室中气体水分含量是不变的。在环境温度升高时，气室内相对湿度会减小，而当温度降低时，气室内相对湿度相应增大。 六氟化硫断路器气室中的水汽分子大部分是被吸附剂吸附的，六氟化硫气体中残余的水汽分子是处于吸附与释放的平衡状态，这种平衡状态与温度有关。因此，当温度升高，气室中相对湿度降低时，吸附剂吸附水汽的能力降低，吸附剂会释放出已吸附的水汽来平衡因温度升高而使相对湿度降低的变化。而在温度降低时，气室中相对湿度升高，吸附剂吸附水汽分子的能力增强，吸附剂又会吸收六氟化硫气体中水汽分子。所以吸附剂吸附水汽分子的作用，使得在不同环境温度时测量六氟化硫气体中水分值有所变化，环境温度高时，测得数值较大，反之则相反。 (3)温度对气体分子运动速度的影响 由麦克斯韦方程可知气体相对分子的平均热运动速度受温度和相对分子质量的影响，温度越高，气体分子运动越大。而相对分子质量越大，气体分子运动速度越小。 由气体湿度测量理论可知气体含水量的体积百分浓度即分子数目之比，也是气体的分压力之比，由于水和六氟化硫的相对分子质量差得很多，在温度变化时，气体中的水分所获得的动能与六氟化硫气体所获得的动能增量不同。这样就使整个系统六氟化硫气体与水蒸气的分压力发生变化，所以温度的改变导致了测量含水量数值的变化。 (4)环境温度对外部水分通过设备材质渗透进入气室的影响 我们一般人为六氟化硫断路器密封是良好的，因此电气设备内部固相和气的含水量保持不变，但实际上断路器的密封不可能保持绝对良好，且断路器内部六氟化硫气体虽有一定的压力，但断路器内外部水汽分压相差悬殊，所以外部的水汽分子有可能透设备密封不严格的部分进入设备内部。而这种外部水分通过设备物质渗透进入设备内部的作用受到环境温度的影响，环境温度高时，外部相对湿度大，外部水汽侵入设备内部量大，反之环境温度低时，进入量少。 鉴于不同温度下电气设备中六氟化硫气体中含水量测量值不同，为了更好地监测六氟化硫电气设备中气体含水量，人们试图对不同温度下测得的含水量值作温度修正，图2-12是法国阿尔斯通公司提供的水封—温度控制曲线。以20?时含水量为150×10-6为基础，曲线反映出25?，30?，35?，40?时含水量随温度上升的变化，图2-13表示的是MG公司提供的水分和温度的关系曲线，九条曲线分别代表在20?时含水量分别为40×10-6)50×10-6)60×10-6)70×10-6)80×10-6)90×10-6)100×10-6)110×10-6)120×10-6的电气设备，其含水量随温度上升或下降的趋势。 图2-12 水分—温度控制曲线(阿尔斯通公司) 图2-13 水分—温度关系曲线(MG公司) 在以曲线反映各型六氟化硫断路器气体含水量随温度变化的同时，人们也试图以公式或经验修正值来反映这种关系。如下式为山东电为试验研究所提出的在运行环境温度作用下六氟化硫气体中水分含量遵循的变化公式，根据下式，可依据某运行环境温度下气体含水量的测试值，计算出设备在不同温度下的气体水分含量。 , 式中:—―测试温度下的水分测量值，×10-6 —―换算至20?时的水分测量值，×10-6 —―测试温度下的饱和水蒸气压，Pa —―20?时的饱和水蒸气压，Pa —―测试温度，K —―20?，293K 湖北超高压局对平顶山开关厂生产的FA4—550六氟化硫断路器在不同温度下测试的气体含水量按经验修正值换算到20?时的含水量。换算原则如表2-3。 表2-3 不同温度下的含水量换算到20?时的换算原则 测试温度(?) 气体含水量范围换算原则 (体积分数) 20?以下 ?160×10-6 温度每降低 1?，湿度测量相应20?以下 160×10-6,400温度每降低 露点加0.1? ×10-6 1?，湿度测量相应20?以下 400×10-6,720温度每降低 露点加0.2? ×10-6 1?，湿度测量相应20?以下 720×10-6,温度每降低 露点加0.3? 1000×10-6 1?，湿度测量相应20?以上 — 温度每升高 露点加0.4? 1?，湿度测量相应 由于温度对测试气体含水量值变化确有影响，我国国家标准规定的六氟化露点加0.5? 硫电气设备 中气体水分含量的标准，已指明是20?时的数值。据各地的经验， 按经验修正值对测试数据换算到20?时的数值后，数据的可信性增强，同时便于与标准值比较，更有利于对设备气体含水量的监督。但是我们也看到厂家提供的几条修正曲线或各地的经验修正方法，对测试数据的修正水平是不一致的。反映了各个生产厂生产的各种型号的六氟化硫断路器对气体含水量温度校正的依据不同。因此实际工作中，对温度的修正要依据断路器型号，采用不同的修正方法，最好是依据厂家提供的曲线)图表来修正。如图2-14是湖南电力试验所 图2-14 含水量的温度修正曲线 提供的LW7-220型六氟化硫断路器修正曲线。 (LW7-220型断路器) 附录四、饱和水蒸气压 附录五、六氟化硫断路器检测接口 (北京开关厂) a) (上海华通开关厂) b) (日立220kV、500kV罐式) c) (三菱220kV柱式) d) (西门子500kV柱式) e) 特别声明: 1:资料来源于互联网，版权归属原作者 2:资料 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 属于网络意见，与本账号立场无关 3 :如有侵权，请告知，立即删除。