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HDWS-I 六氟化硫微量水分测试的分析方法

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  六氟化硫气体是在电力系统中使用十分普遍的一种气体。六氟化硫气体具备优秀能力的绝缘和灭弧性能,在现代的高压、超高压开关、断路器和六氟化硫封闭组合电器(GIS)设备中成为唯一采用的绝缘和灭弧介质。纯净的六氟化硫气体在常温下其物理和化学的性能都特别稳定,具有无色、无味、无毒、无腐蚀性的特点。但当其在绝缘设备使用的过程中,特别是在电弧或者局部放电、局部高温的条件下,六氟化硫气体会发生分解,其分解的产物和设备中的微量水分发生反应会产生剧毒和强腐蚀性的气体,同时设备的绝缘性能也将大打折扣,因此控制六氟化硫气体中的水分含量是六氟化硫质量控制的最重要一环。

  六氟化硫中的水分会带来设备损坏的风险,因此六氟化硫设备中的水分含量测试对电力设备的运行可靠性很重要,对于六氟化硫设备中所包含的微量水分的测试成为电力系统强制要求检测的一项重要内容。

  六氟化硫设备的水分含量需要采用专业的水分测试设备做测量,但目前国产水分测试设备测试时间比较久,需要很长的时间才能得到测试结果,不适合现场使用。而进口水分测试仪器则价格昂贵,导致测试成本过高。进口仪器的水分测量采用了一种称为 ORIS 的技术,这是一项美国专利,由于无法购买该专利,因此无法在国产测试设备中使用。因此自主研究满足现场测试以及测量精度的微水测量仪器具备极其重大的社会意义与实用价值。

  从上世纪60年代起,六氟化硫气体开始在高压开关及其组合设备中充当绝缘和灭弧介质。当今在高压、特高压及超高压系统中,六氟化硫气体基本上成为开关绝缘设备绝缘灭弧介质的唯一选择。随着六氟化硫气体在输变电领域的应用逐步扩大,它还应用于变压器、互感器、避雷器、电容器、接触器、熔断器等。

  六氟化硫气体的气体分子具有负电性,其具有吸附自由的电子而构成重离子的特性。在同样的气体压力的条件下,六氟化硫气体的击穿场强为空气的2.5~3倍。当六氟化硫气体的压力达到6bar其击穿场强为标准大气压下的空气的击穿场强的十倍。因此达到同样电压等级的传统的空气绝缘开关的体积是充有六氟化硫气体的开关设备的30 倍。在图 1.1 中,在气压达到 3bar时,六氟化硫气体的电气强度就已超越了绝缘油。

  六氟化硫同时还是一种具备优秀能力灭弧性能的气体,是因为六氟化硫气体独特的热特性和电特性形成六氟化硫电弧弧心导电率高,所以电弧电压低,电弧功率小,有利于电弧熄灭。此外,六氟化硫的较小的电弧时间常数和负电性和也是其有利于灭弧的原因。从图 1.2 中能够准确的看出六氟化硫的灭弧性能远优于空气。

  电工产品的质量和常规使用的寿命很大程度上取决于绝缘材料的电、热、机械和理化性能。水分的存在极度影响了在允许电压下不导电的材料的性能,从而对电工产品的质量和性能造成不利影响。为了更好的提高电工产品的质量,必须降低产品中水分的质量分数,提高其绝缘性能,使其击穿强度增大。实现这一目标的主要方法之一就是对电工产品做有效的真空处理,特别是高压电气产品(如电力电容器、电力变压器、电力电缆等)一定要进行严格的真空处理。真空处理工艺的最大的作用是在真空状态下,最大限度地除去材料中的气体和水分,然后经净化处理,选择适当的浸渍剂,在真空状态下灌注浸渍,以提高其耐压等级和常规使用的寿命。真空干燥是其中的重要一环,干燥过程中干燥终点的确定主要依赖于微量水分的检测结果。因此微量水分的测试精度将直接影响真空干燥的质量,这就必然要求对微量水分的测试办法来进行研究。

  湿度是一个物理量,定义为气相中的气态水(水蒸气)的质量分数。其常用单位有水分压、g /m3、露点温度、混合比及相对湿度等。通常以露点温度-20℃为界把气体分为高湿度气体和低湿度气体(即微量水分)。常用于微量水分测量的方法[3]主要有:重量法、电解法、振动频率法、冷镜法及阻容法等。重量法是让样气流经某一干燥剂,其所含水分燥剂吸收,精确称取干燥剂吸收的水分质量分数与样气体积之比即为样气的湿度。其优点是精度高,最大允许误差可达0.1% ,缺点是具体操作很难,所测结果非瞬时值,不能够实现在线测量。该方法只适用于露点温度在-32℃以上的气体。电解法和振动频率法对重量法作了改进。电解法将干燥剂吸收的水分经电解池电解成氧气和氢气,电解电流的大小与水分的质量分数成正比,通过检验测试该电流可测得样气的湿度。该方法将测量量程延伸到露点-80℃以下,精度较好,但在使用前要对电解池气路进行长时间的干燥,且对气体的腐蚀性和清洁性要求比较高。振动频率法用一种吸湿性的石英晶体代替干燥剂,根据该晶体吸收水分质量不同时振动频率不同的特点,让样气和标准干燥气流经该晶体,因而产生不同的振动频率,计算两频率之差即可得到样气的湿度。该方法具有电解法一样的优点,且使用前不必干燥。参数

  冷镜法是让样气流经露点冷镜室的冷凝镜,通过等压制冷,使样气达到饱和结露状态,此时冷凝镜的温度即为样气的露点温度。其主要优点是精度高,不确定度可达0.1℃ ,缺点是响应速度较慢。该方法可用于干燥空气的极低湿度测量。阻容法是利用一个高纯铝棒(铝片),表为一层超薄的氧化铝薄膜,其外镀一层多孔的网状金膜,金膜与铝棒(铝片)之间形成电容。由于氧化铝薄膜的吸水特性,使得电容值随样气水分的多少而改变,测量电容值的变化即可得样气湿度。该方法的主要优点是灵敏度较高,测量量程可低达-100℃ ,另一突出的优点是响应速度很快,因而多用于现场测量和快速测量。缺点是精度较差,其湿敏特性随使用时间的延长有不可逆的漂移。

  由以上分析可知,根据冷凝镜法设计的露点仪和阻容法设计的氧化铝薄膜传感器均可实现极低湿度测量,但前者响应速度慢,后者精度不够,都不是理想的选择。由于真空干燥过程中,水分含量不断降低,最终残余含水量要求降至30× 10-6体积分数以下。为实现对水分压的实时测量,可采用分压强计测量的方法,分析质谱即可测得水分的质量分数[4]。谱分析的方法和所对应的各种谱仪很多,目前已得到普遍应用,不用磁场的气体分析器性能最佳的一种是四极质谱仪。它利用四极杆代替了笨重的电磁铁,体积小、重量轻、价格较廉,且具有较高分辨率和较高灵敏度等优点。其工作原理如图1所示,测试装置简图如图2所示。图1中干燥室待测微水分的气体经阀1,进入采样室,平衡后通过阀2进入测试室(四极质谱分析室)进行谱分析,即将经过质量分析器出来的10-9~ 10-10 A的离子流,由离子检测器

  根据上述原理,装置分为两部分:干燥系统和检测系统。干燥系统必须抽到高真空,而检测系统必须抽到超高真空,两套系统间采用超高真空膨胀阀连接。这样总系统将有两套机组,成本比较高。为简化装置,提出新的设想,即采用限流小孔代替超高真空膨胀阀,从而用一套机组就可以实现测试功能。干燥室与测试室之间用一层隔板隔开,板中间有一限流小孔,小孔孔径可调。干燥室和测试室采用由分子泵和机械泵组成的机组抽气。测试时,先将小孔关死,测出测试室的本底压强和本底水分压;打开小孔前,用机械泵先对干燥室进行预抽;之后将小孔调到最大,以使总系统(干燥室和测试室)的压强迅速降低;当压强进入较低范围时,将孔径调节到适当值,限流小孔的流导,其效果类似于干燥室内气体微体积的采样。当测试室的压强进入质谱计工作范围,即可启动质谱计进行水分压测量,四极质谱计输出的数据由数据处理系统处理。通过数字系统处理后可得到干燥室的水分质量分数。这样也就基本实现了对干燥室中微量水分的在线结束语

  本文阐述了电工产品绝缘真空干燥过程中微量水分测试的谱分析方法,并探讨了测试装置的简化设计,以此为基础设计的数字处理系统可实现对微量水分的在线监测,从而为电工产品干燥过程中干燥终点的确定、真空干燥质量的提高、能源和成本的节约提供了可行的技术方法。

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