SF6氣體濕度表示方法的相互轉(zhuǎn)換及其溫度折算的Matlab實(shí)現(xiàn)

潘 瑩

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 201100)

SF6氣體濕度表示方法的相互轉(zhuǎn)換及其溫度折算的Matlab實(shí)現(xiàn)

潘 瑩

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市南供電公司，上海 201100)

SF6氣體濕度是衡量電氣設(shè)備絕緣氣體質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。概述了氣體濕度的幾種表示方法和測(cè)試方法，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了表示方法中露點(diǎn)(℃)與體積分?jǐn)?shù)(μL/L)之間的關(guān)系，并通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)二者的數(shù)學(xué)換算，利用Matlab二維插值擬合功能實(shí)現(xiàn)了氣體濕度的溫度修正，通過(guò)GUIDE建立了SF6氣體濕度測(cè)量結(jié)果修正的一鍵式計(jì)算軟件。

電氣設(shè)備絕緣氣體質(zhì)量；氣體濕度；SF6氣體濕度

SF6氣體質(zhì)量對(duì)于GIS的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。其中，水分含量高不僅會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部容易結(jié)露，還可促進(jìn)低氟化合物等其他分解物的水解等[1-4]，是影響SF6氣體質(zhì)量一個(gè)非常重要的因素。因此，《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則》(GB/T 8905—2012)、《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 596—1996)和《1 000 kV電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)規(guī)程》(Q/GDW 310—2009)都對(duì)安裝、大修后的設(shè)備氣室內(nèi)的濕度(20 ℃)有嚴(yán)格規(guī)定：滅弧室小于150 μL/L，非滅弧室小于250 μL/L；而《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》(Q/GDW 1168—2013)和《運(yùn)行電氣設(shè)備中六氟化硫氣體質(zhì)量監(jiān)督與管理規(guī)定》(Q/GDW 471—2010)對(duì)帶電設(shè)備氣室內(nèi)的濕度(20℃)有如下規(guī)定：滅弧室小于300 μL/L，非滅弧室小于500 μL/L?！读螂姎庠O(shè)備中絕緣氣體濕度測(cè)量方法》(DL/T 506—2007)以及文獻(xiàn)[5,6]中提出：環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備中氣體濕度有明顯影響，測(cè)量結(jié)果應(yīng)折算到20℃、101.3 kPa時(shí)的數(shù)值，如設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)提供折算曲線(xiàn)或圖表，可采用廠(chǎng)家的資料進(jìn)行折算，如若未提供，則推薦使用該標(biāo)準(zhǔn)附錄C折算表。

變電站內(nèi)GIS設(shè)備的氣室數(shù)量眾多，在進(jìn)行SF6氣體濕度的帶電檢測(cè)或定期預(yù)試時(shí)，需要對(duì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度校正。目前，一些儀器可進(jìn)行自動(dòng)折算，但均根據(jù)擬合公式得到，未采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的查表法。而如果通過(guò)查表則工作量較大且繁瑣。利用數(shù)據(jù)處理軟件Matlab實(shí)現(xiàn)氣體水分含量的自動(dòng)轉(zhuǎn)換不但可減輕工作量，還有利于設(shè)備中濕度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確判斷。本工作在實(shí)現(xiàn)幾種濕度表示方法公式折算的基礎(chǔ)之上，利用Matlab的計(jì)算替代人工查表的折算方式，實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果分析。

1 濕度的表示方法

濕度是指氣體中的水汽含量，主要有水蒸氣分壓、飽和水蒸汽壓、露點(diǎn)溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度等表示方法。

水蒸汽分壓力表示的是濕氣(體積為V，溫度為T(mén))中的水蒸汽于相同V、T條件下單獨(dú)存在時(shí)的壓力，即混合氣中水蒸氣所形成的壓力。

在固—?dú)饣蛞骸獨(dú)鈨上嘀?，?dāng)蒸發(fā)(升華)速度等于凝結(jié)(凝華)速度時(shí)，體系達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即飽和，此時(shí)的水蒸汽分壓稱(chēng)為飽和水蒸汽壓，它是溫度的單值函數(shù)，隨溫度的升高而增大，它反映了某一溫度下，體系中濕度所能達(dá)到的最大值。

人為降低體系溫度，該體系的飽和蒸汽壓分壓也隨之減小，當(dāng)溫度降低到一定值時(shí)，體系中水蒸氣分壓在低溫狀態(tài)下達(dá)到飽和，即濕度達(dá)到最大值，氣體中的水分就會(huì)以露或者霜的形式析出，該溫度稱(chēng)為露點(diǎn)溫度。

體積分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均以“百萬(wàn)分之一”為單位，表示的水汽與其共存的干氣的體積和質(zhì)量之比值。

絕對(duì)濕度亦稱(chēng)為水汽濃度和水汽密度，定義是濕氣中的水汽質(zhì)量與濕氣總體積之比。

相對(duì)濕度也是常用的濕度表示方法。壓力為P、溫度為T(mén)的濕氣的相對(duì)濕度，是指給定的濕氣中，水汽的摩爾分?jǐn)?shù)與同一溫度T和壓力P下純水表面的飽和水汽的摩爾分?jǐn)?shù)之比。

目前用于電力行業(yè)SF6濕度測(cè)試的方法主要有電解法、鏡面法、阻容法三種。表1為這三種方法的簡(jiǎn)單對(duì)比。通過(guò)表1的對(duì)比可知，鏡面法的濕度的測(cè)試輸出方式為露點(diǎn)，其他兩種方法的輸出方式為體積分?jǐn)?shù)。

表1 三種SF6濕度測(cè)量方法的比較

2 測(cè)量結(jié)果的相互轉(zhuǎn)換

我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)于SF6電氣設(shè)備氣室內(nèi)的濕度使用體積分?jǐn)?shù)表示，因此，有必要在不同的表示方法之間建立數(shù)學(xué)換算公式。實(shí)際測(cè)試工作中常用儀器的輸出方式為體積分?jǐn)?shù)與露點(diǎn)，所以，本工作特指露點(diǎn)與體積分?jǐn)?shù)之間的轉(zhuǎn)換?！稓怏w中微量水分測(cè)定——露點(diǎn)法》(GB/T 5832.2—2008)提出了露點(diǎn)換算為體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式和計(jì)算值表：

(1)

式中pW——出露溫度下冰的飽和蒸汽壓，該公式將露點(diǎn)與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系轉(zhuǎn)換成飽和蒸汽壓與露點(diǎn)溫度之間的關(guān)系。

對(duì)于飽和水蒸氣壓與溫度之間的關(guān)系，國(guó)際上公認(rèn)最準(zhǔn)確的水汽壓公式是1947年國(guó)際氣象組織發(fā)布的Goff-Grattch飽和水汽壓方程以及1983年美國(guó)氣象局發(fā)表的Wexler-Greenspan水汽壓公式，DL/T 506—2007中附錄B也列出了過(guò)冷水和冰面上的飽和水蒸氣壓，該表根據(jù)IAPWS參照90國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)于1993年發(fā)布的方程計(jì)算得到，鑒于此，本工作也借鑒該方程：

(2)

(3)

(4)

P*=611.657 Pa,T*=273.16

a1=-21.214 400 6，a2=27.320 381 9，a3=-6.105 981 30，b1=0.003 333 333 33，b2=1.206 666 67，b3=1.703 333 33

其中，P*和T*表示水在三相平衡點(diǎn)時(shí)的飽和蒸汽壓和溫度，K，a1、a2、a3、b1、b2、b3均為常數(shù)。

通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)上述方程的程序編制，并對(duì)露點(diǎn)轉(zhuǎn)換為體積分?jǐn)?shù)后的結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)程序的運(yùn)行可得到露點(diǎn)—μL/L換算曲線(xiàn)，如圖1所示。選取其中幾組有代表性的計(jì)算值見(jiàn)表2。該轉(zhuǎn)換公式的計(jì)算結(jié)果與《氣體中微量水分測(cè)定——露點(diǎn)法》附錄表A的誤差很小，所以該換算結(jié)果可信。

圖1 Matlab實(shí)現(xiàn)的露點(diǎn)—μL/L換算曲線(xiàn)

表2 有代表性的幾組換算結(jié)果 μL/L

3 折算表的Matlab實(shí)現(xiàn)

DL/T 506—2007中折算表的溫度范圍為15～35℃，濕度值范圍是50～1 500 μL/L。該折算表的使用是：當(dāng)折算值可直接從表中查出，即為折算值；否則可采用線(xiàn)性插值法，計(jì)算求值。這種使用方法在數(shù)值計(jì)算中可采用Matlab中的二維插值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。具體程序如下：

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

Z=interp2(x,y,z,T,V');

其中z為附錄C中所有折算值R(μL/L)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容太多，在此省略；T為測(cè)試環(huán)境的溫度，V為經(jīng)換算或直接測(cè)試的水分含量(μL/L)，Z為經(jīng)查表折算后的濕度值。

4 換算軟件的Matlab實(shí)現(xiàn)

4.1 Matlab程序界面設(shè)計(jì)

通過(guò)Matlab提供的GUIDE創(chuàng)建用戶(hù)界面，如圖2所示，其中Dewpoint表示露點(diǎn)法，Sensor表示阻容法，Temperature表示環(huán)境溫度，Test result表示測(cè)試結(jié)果。

圖2 換算軟件的實(shí)現(xiàn)界面

4.2 換算軟件程序的編制

使用M語(yǔ)言編制以下程序，可實(shí)現(xiàn)換算軟件的計(jì)算，具體如下：

function radiobutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.radiobutton1,'value',1)

set(handles.radiobutton2,'value',0)

function radiobutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.radiobutton1,'value',0)

set(handles.radiobutton2,'value',1)

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

T=str2num(get(handles.edit1,'string'));

W=str2num(get(handles.edit2,'string'));

rbone=get(handles.radiobutton1,'value')

rbtwo=get(handles.radiobutton2,'value')

if rbtwo==1

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

R=interp2(x,y,z,T,W')

else

t=W+273.16;

x=t/273.16;

y=log(611.657)+1/x*(-21.2144006*x^0.00333333333+27.3203819*x^1.20666667-6.10598130*x^1.70333333);

P=exp(y);

R1=P*10000/1013

x=[15:1:35];

y=[50:10:1040];

z=[...................];

xi=min(x):1:max(x);

yi=min(y):1:max(y);

[X,Y]=meshgrid(xi,yi);

R=interp2(x,y,z,T,R1');

end

set(handles.text4,'string',num2str(R));

4.3 換算結(jié)果的準(zhǔn)確性

分別針對(duì)不同測(cè)試方法得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行換算，選取了皖電東送滬西站GIS兩個(gè)氣室中的數(shù)據(jù)，具體如圖3以及表3所示，結(jié)合圖3和表3可知，該計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果與人工查表的結(jié)果一致，表明該軟件可以替代在日常工作中的人工查表方法。

圖3 換算軟件計(jì)算結(jié)果圖

表3 換算軟件計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Matlab的程序編制，實(shí)現(xiàn)了SF6氣體濕度露點(diǎn)法測(cè)試結(jié)果換算成體積分?jǐn)?shù)，便于檢測(cè)結(jié)果分析；以及濕度的溫度查表折算法的一鍵式換算，可提高SF6氣體絕緣電氣設(shè)備濕度測(cè)試的工作效率。

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InterconversionofSF6GasHumidityDefinitionsandItsTemperatureConversionMatlabRealization

PAN Ying

(State Grid Shinan Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201100, China)

SF6gas humidity is one of the important indicators to measure the insulation gas quality in electric equipment. This paper outlines several definitions and testing methods of gas humidity, highlights the relationship between the dew point (℃) and the volume fraction (μL/L) , and realizes the conversion between the two factors by Matlab. The SF6gas humidity is calibrated with the gas temperature by using Matlab interpolation, and the software of SF6gas humidity calibration is established by GUIDE.

insulation gas quality in electric equipment; gas humidity; SF6gas humidity

10.11973/dlyny201705034

潘 瑩(1988—)，女，碩士，工程師，主要從事配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維、管理與狀態(tài)評(píng)估工作。

X701.2

A

2095-1256(2017)05-0634-04

2017-08-18

(本文編輯：楊林青)