SF6 气体微水含量在线监测方法及其软件实现

摘　要:介绍了一种基于相对湿度传感器的SF6气体微水含量在线监测方法,详细讨论了湿度和温度、压力之
间的关系,以及具体的软件实现。
关键词: SF6 气体;在线监测;湿度;温度;压力 
　 当SF6 气体的含水量过高时,会危及电气设
备的安全运行, 主要表现在SF6 气体在电弧下的
分解物遇水会发生化学反应生成具有强腐蚀性的
HF和H2 SO3 等,会腐蚀损坏绝缘件;在温度降低
时可能形成凝露水,使绝缘件表面绝缘强度显著
降低甚至闪络【 1 】 。因此必须严格控制SF6 气体的
含水量, 保证电气设备的安全运行。
现有的检测SF6 气体微水含量的方法如重量
法、电解法、露点法等均属于离线预防性检测,为
减压后在大气压力下进行的测量。这些方法由于
忽视了组合电器内外压力变化及被测SF6 气体介
质的变化,采样点测得的微水值与组合电器内的
真实值很容易产生偏差, 测量结果无法准确代表
组合电器内的真实湿度情况。在线监测SF6 气体
的微水含量可以随时掌握气体含水量的变化并适
时报警,便于运行状况下电器设备的控制。
1 　SF6 气体微水含量在线监测的原理
SF6 气体微水含量在线监测系统需要采集
GIS的湿度、温度和压力3个特征量,并对这3个
特征量信号进行预处理、传送、存储、计算、判断和
显示来完成整个在线监测过程,因此该系统由传
感器、单片机、主控PC机组成。单片机是用带A /
D的P IC16C74,采用RS485 与PC 机通信。SF6
在线监测系统通信距离是1. 2 km,一台计算机可
以与128台SF6 在线检测仪中的单片机进行通
信。计算机可以随时向SF6 在线监测仪中的单片
机请求当前及历史的湿度、温度、压力探头信号数
据。PC机与单片机的通信方式为: PC机采用主
控方式,单片机采用中断方式。每个单片机都有
一个“本机”地址,以便计算机对其寻址。工作原
理图参见图1。
图1　SF6 气体微水含量在线监测系统工作原理框图
GIS微水在线监测装置的传感器主要由3部
分组成:湿度传感器、温度传感器和压力传感器。
为了便于随时装卸,设计了一种将传感器安装于
设备取气口外接的在线监测仪的测量腔体中的方
法,通过取气口使传感器与被测气体连通。这样,
当GIS中的微水含量变化时,由于自然扩散的作
李艳秋,等　SF6 气体微水含量在线监测方法及其软件实现59 (总241)
用,安装于设备取气口外部的湿度探头也可以在
较短时间内检测到GIS中微水的变化。在实验室
内对一段母线筒中与测量腔体中微水的自然平衡
过程进行了试验研究,从而为现场在取气口外接
传感器进行湿度的在线监测提供了依据。
SF6 气体中微水含量的检测属于低湿度测量
的范畴,因此该系统选用的是适于低湿环境测量
的电容型湿度传感器,具有长期稳定性好、灵敏度
高、响应快等优点。温度和压力的测量较湿度测
量要容易一些,而且温度传感器和压力传感器技
术要比湿度传感器成熟得多【 2 】 。该系统温度传
感器采用的是AD590,该器件具有良好的线性和
互换性,测量准确度高,并具有消除电源波动的特
性;压力传感器选用的是压阻应变式压力传感器。
2 　湿度、温度和压力的关系
我国电力行业1997年新颁布标准《电力设备
预防性试验规程》中规定: 20 ℃时气体绝缘开关
(GIS)装置中, 灭弧气室大修后SF6气体中水分
的体积分数(浓度)不大于150 ×10- 6 , 运行中不
大于300 ×10- 6 ; 其他气室大修后不大于250 ×
10- 6 , 运行中不大于500 ×10- 6。据此,当SF6 气
体中微水含量超过规定值时,该系统要适时报警。
那么,由湿度传感器测得的相对湿度RH、温度传
感器测得的温度t及压力传感器测得的压强p如
何计算出SF6 气体中水分的体积浓度,并修正到
20 ℃时的体积浓度,可以由下面的定义及换算公
式看出。
(1) 体积分数(浓度)
气体中水分的体积与除去水分外气样体积之
比称为体积浓度。一般情况下SF6 气体含水量甚
微,因此,通常把气样中水分的体积与气样的总体
积之比(即水分的体积分数φW )视为体积浓度,
常用μL /L表示(即×10- 6 ) 。
气体的压力是由大量分子的平均热运动形成
的,在同一温度下不同气体的分压比就是分子数
目(分子密度)之比,也就是不同气体所占的体积
之比,因为在相同温度和相同压力下,同体积的各
种气体有相同的分子数。因此,常常用SF6 气体
中水分分压( e)与SF6 气体压力( p)之比表示SF6
气体含水量。
φW =
e
p
×10- 6 (1)
(2) 相对湿度(RH)
指在某一温度下,气样中水蒸气分压力与饱
和水蒸气分压力之比,一般用百分数表示。它表
示气样中水分的饱和程度,其值与温度有关。
RH =
e
E
×100% (2)
式中　E———饱和水气压。
(3) 温度T到饱和水气压E的转换
对于纯水平面:
lgEw = 10. 79574 (1 - T0 / T) - 5. 02808 lg( T / T0 ) +
　1. 50474 ×10 - 4 【 1 - 10- 8. 2969 ( T / T0 - 1) 】 +
　4. 2873 ×10 - 4 【104. 76955 (1 - T0 / T) - 1 】 +
　　0. 78614 (3)
对于纯冰平面:
lgEi = - 9. 096985 ( T0 /T - 1) -
3. 566541 lg( T0 / T) +
0. 87682 (1 - T / T0 ) + 0. 78614 (4)
式中　Ew 、Ei ———纯水平面、纯冰平面的饱和水气压,
hPa;
T———空气的热力学温度, K;
T0 ———水的三相点温度, 273. 16K。
(4) Beattie2B ridgman经验公式计算SF6 气体
的密度
p = 0. 57 ×10 - 4ρT (1 +β) -ρ2A
A = 0. 75 ×10 - 4 (1 - 0. 727 ×10 - 3ρ)
B = 2. 51 ×10 - 3ρ(1 - 0. 846 ×10 - 3ρ (5)
式中　p———SF6 气体压力,MPa;
T———空气热力学温度, K;
ρ———SF6 气体密度, kg/m3。
(5) 体积分数(浓度)的修正公式
φW = ( p / p1 ) ×( E1 /E) ×φW0 (6)
式中　φW ———20 ℃时的体积浓度;