減壓閥降溫對(duì)SF6氣體水分檢測(cè)的影響

易 锫，耿學(xué)軍，曹 忺

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2. 黃岡大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 黃岡438300；3. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北 黃石435000）

0 引言

六氟化硫（SF6）絕緣氣體中水分含量對(duì)其絕緣性能有顯著影響，為保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)都對(duì)電氣設(shè)備中使用的SF6氣體含水量進(jìn)行了規(guī)定并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。SF6電氣設(shè)備中含有的微量水分如果超標(biāo)，將會(huì)參與SF6電弧分解氣的水解反應(yīng)，生成有害的低氟化合物和具有腐蝕作用的酸性物質(zhì)，影響設(shè)備的使用壽命，危害運(yùn)行人員的安全，因此SF6氣體中水分含量的準(zhǔn)確測(cè)量十分重要［1］。在進(jìn)行SF6水分檢測(cè)時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響十分明顯［2］，自1992年DL/T 506 標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，各地方對(duì)“環(huán)境溫度對(duì)SF6氣體濕度的影響”做了大量研究［3］，得出了環(huán)境溫度影響SF6氣體濕度的原因和影響方式，并總結(jié)出了多種折算公式，環(huán)境溫度對(duì)SF6濕度的影響應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)關(guān)注，在進(jìn)行SF6水分檢測(cè)時(shí)，工作人員需要時(shí)刻注意環(huán)境溫度并記錄、查詢濕度折算表，以求得SF6在統(tǒng)一溫度下的體積比，表述諸如20 ℃時(shí)、20 ℃的體積分?jǐn)?shù)［4］。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

所有實(shí)驗(yàn)在1～2 h 內(nèi)進(jìn)行完畢，室內(nèi)大氣環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和樣品

氮?dú)猓兌?9.9%），高純氮?dú)猓?］（純度99.999%）。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

冷鏡式鏡面露點(diǎn)儀，先導(dǎo)式氧氣減壓閥［9］，紅外點(diǎn)溫槍，由高壓聚四氟乙烯管道和帶金屬密封圈的不銹鋼螺帽組成的氣體檢測(cè)管道，汽車防凍液，隔熱泡沫。

1.4 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

每次測(cè)試之前先用高純氮?dú)獬浞譀_洗測(cè)試管路，以吹盡管路中的濕氣，然后短時(shí)間內(nèi)將測(cè)試管路復(fù)原，在吹濕過程中準(zhǔn)備好降溫冰袋備用。使用同型號(hào)減壓閥作為模具，將防凍液用薄橡膠袋裝好（裝載容量為橡膠袋的75%）作為冷源，將冷源和減壓閥疊放在一起，然后置于冰箱中冷凍，這樣得到可將減壓閥充分包裹降溫的降溫套。

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

使用氮?dú)猓兌?9.9%）作為樣氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試管路（見圖1）上設(shè)置旁通路徑以平衡測(cè)試壓力。

圖1 測(cè)試流程圖Fig.1 Test flow chart

使用準(zhǔn)備好的冷源將減壓閥進(jìn)行連續(xù)降溫，將測(cè)試管路用隔熱材料充分包裹以減小環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試氣體的影響［10］，在此過程中對(duì)每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行露點(diǎn)檢測(cè)，得出減壓閥在各溫度下樣氣的露點(diǎn)值。每次測(cè)試過程中將備用減壓閥用高純氮?dú)獬浞殖凉褚詡溆谩?/p>

2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)將溫度梯度設(shè)定為5 ℃，增加測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的溫度跨度范圍，在更大的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度-露點(diǎn)的對(duì)應(yīng)測(cè)量，以此得到檢測(cè)露點(diǎn)的變化規(guī)律。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

2.1.1 測(cè)量樣氣的真實(shí)濕度

韓國高校學(xué)術(shù)道德教育課程形式多樣，內(nèi)容豐富。從培訓(xùn)對(duì)象看，有為高校教師開設(shè)的培訓(xùn)課程，還有為高校學(xué)術(shù)道德管理部門工作人員開設(shè)的培訓(xùn)課程。從內(nèi)容看，有學(xué)術(shù)道德規(guī)范普及型課程，有具體專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)道德規(guī)范課程等。從授課方式看，既有線上課程，又有線下課程。從資費(fèi)看，既有免費(fèi)課程，亦有付費(fèi)課程。從課程具體形式看，既有定期課程與長期課程，還有報(bào)告、演講、學(xué)術(shù)討論等。

待檢測(cè)管路連接上高純氮?dú)膺M(jìn)行除濕操作后，將管路連接到測(cè)試樣氣鋼瓶上。為保持標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的可追溯性，首先測(cè)得環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)樣氣的露點(diǎn)值［11］作為標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 樣氣標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值（℃）Table 1 Standard dew point value of sample gas

2.1.2 測(cè)量減壓閥降溫時(shí)樣氣的濕度

保持檢測(cè)設(shè)備的通氣狀態(tài)，將減壓閥用防凍液膠套持續(xù)降溫，每隔1 min用紅外點(diǎn)溫槍依次測(cè)量閥體的背面、側(cè)面、正面溫度，待減壓閥表面溫度約為15 ℃時(shí)開始檢測(cè)樣氣露點(diǎn)值。接下來依次測(cè)得閥溫為10 ℃，5 ℃，0 ℃，-0.5 ℃時(shí)樣氣的露點(diǎn)值。

安裝好備用減壓閥，重復(fù)以上檢測(cè)流程，第二次測(cè)得各溫度下樣氣的露點(diǎn)，以此重復(fù)檢測(cè)多次，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20 ℃）下的算術(shù)平均值作為檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 各閥溫下測(cè)得的露點(diǎn)值（℃）Tab.2 Dew point measured at each valve temperature

可以看出：隨著溫度的逐漸下降，測(cè)試樣氣的露點(diǎn)值也是逐漸降低的，這就說明在進(jìn)行氣體含水量檢測(cè)時(shí)，如果減壓閥發(fā)生了降溫現(xiàn)象將對(duì)氣體含水量檢測(cè)造成干擾。

2.2 降溫現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

高壓氣體鋼瓶在大量放氣的過程中，瓶體或者減壓閥降溫結(jié)露是一種常見現(xiàn)象，在大流量放氣狀態(tài)下甚至?xí)诜艢饪诔霈F(xiàn)結(jié)霜，對(duì)于產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可以用節(jié)流效應(yīng)［12］來解釋。所謂節(jié)流效應(yīng)也可稱為節(jié)流膨脹或者焦耳-湯姆遜效應(yīng)［13］，當(dāng)高壓氣體由于局部阻力向低壓區(qū)膨脹，同時(shí)體系出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又被稱為節(jié)流冷效應(yīng)。節(jié)流效應(yīng)先后存在或者不存在溫度變化，可分為三種情況。如果節(jié)流后的溫度高于節(jié)流前的溫度，即JT＜0，則有節(jié)流熱效應(yīng)；如果JT＞0，則有節(jié)流冷效應(yīng)；如果JT=0，則有節(jié)流零效應(yīng)［14］。往往在現(xiàn)實(shí)情況下發(fā)生的是節(jié)流冷效應(yīng)。對(duì)于減壓閥來說，氣體在通過減壓閥管道后體積變大溫度下降的現(xiàn)象，發(fā)生在低壓氣室，此處也是降溫核心。減壓閥都是金屬材質(zhì)是熱的良導(dǎo)體，在低壓區(qū)的降溫核心發(fā)生溫降后閥殼必將與其發(fā)生熱交換，以至于減壓閥發(fā)生降溫從而出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。

氣體濕度的檢測(cè)是指檢測(cè)空氣或者其它氣體中存在的水蒸氣。通過上面的公式可以看出，焦耳-湯姆遜效應(yīng)與氣體的化學(xué)特性無關(guān)，SF6氣體是一種無色、無味、無毒、不燃的氣體，它非常穩(wěn)定并且具有惰性，這些性質(zhì)是與氮?dú)庀嗤?。因此從化學(xué)角度來說，使用氮?dú)獯鍿F6氣體并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顛覆性的影響。

同時(shí)，高純氮的水分含量測(cè)定方法與SF6氣體相同［15］，特別是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用的冷鏡式鏡面露點(diǎn)儀在GB/T 12022 和GB/T 8979 都有明確表述。而且用氮?dú)馓娲ū苊饬薙F6這種溫室氣體的使用［16-17］，沒有SF6排放和泄漏風(fēng)險(xiǎn)。在一些高緯度地區(qū)高海拔地區(qū)，為了解決SF6設(shè)備在低溫使用的適應(yīng)性，多采用SF6混合氣體來替代純SF6氣體，其中一種具有廣泛實(shí)用性的混合氣就是SF6/N2混合氣體，其水分檢測(cè)技術(shù)與純SF6、純N2檢測(cè)技術(shù)完全相同［18］。進(jìn)行SF6水分檢測(cè)設(shè)備校驗(yàn)時(shí)，必須進(jìn)行痕量水分的測(cè)試比對(duì)，綜合各種因素的考慮后通常也是使用高純度的氮?dú)庾鳛檩d氣，由于水是氣體中最難以除去的雜質(zhì)之一［19］，近些年研發(fā)的新型濕度儀校驗(yàn)裝置，一般都會(huì)在氣體上游加裝純化設(shè)備以確保所使用的氣體純度，用高純度的氮?dú)庾鬏d氣優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)。

而低壓氣室的溫度能夠不斷降低，以至于發(fā)生結(jié)霜，是因?yàn)闅怏w流速越快，氣體體積膨脹做功越多，氣體降溫就越快，減壓閥體降溫也越快。

由此可知在實(shí)際氣體檢測(cè)工作中，由于所使用的減壓閥的熱交換功率不變，隨著檢測(cè)時(shí)間的延長，閥體必然發(fā)生降溫現(xiàn)象。而且減壓閥表面出現(xiàn)結(jié)霜將大大降低熱交換效率，從此時(shí)開始減壓閥降溫將出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致減壓閥出氣口積冰堵塞［20］。

2.3 對(duì)氣體濕度檢測(cè)工作的影響

低溫會(huì)使含水氣體在相對(duì)濕度低于100%時(shí)發(fā)生冷凝作用，減壓閥低壓氣室內(nèi)壁溫度持續(xù)降低將使氣流附面層［21］（Boundary layer）溫度降低，低溫使附面層的水汽極易達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使氣體中的部分水分結(jié)露滯留，減少通過管路前往檢測(cè)腔的氣體的含水量，從而造成檢測(cè)誤差。

遇低溫的含水氣體將導(dǎo)致水的飽和蒸汽壓降低，水從氣體中析出，見下式［22］

式（1）中：Dv為絕對(duì)濕度（kg/m3）；Ed為在露點(diǎn)溫度T下的飽和水蒸氣壓（Pa）；Mv為水蒸氣的摩爾質(zhì)量（18.02 kg/mol）；T為氣樣溫度（K）；R為摩爾氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

由公式（1）可知，若將表3 中的數(shù)據(jù)帶入其中，那么絕對(duì)濕度隨著溫度降低將不斷變小，也就是說在氣流和減壓閥降溫面的接觸位置附近，氣流中的水蒸氣將出現(xiàn)冷凝，如果滯留在附面層將使氣流整體的絕對(duì)濕度減小，從而造成在不同閥溫情況下，樣氣含水量會(huì)出現(xiàn)表2中的趨勢(shì)。

表3 水的飽和蒸汽壓[22]Table 3 Saturated vapor pressure of water

2.4 對(duì)檢測(cè)設(shè)備的影響

常用的濕度測(cè)量方法從原理上分為干濕球法、電解法、冷鏡法、阻容法、機(jī)械法、光學(xué)法等［23］，其中電解法、冷靜法、阻容法是SF6水分檢測(cè)項(xiàng)目中使用較多的方法。由于節(jié)流效應(yīng)的原因，減壓閥的流量越大氣流降溫越嚴(yán)重。因此，對(duì)檢測(cè)氣體的流量要求直接限制了檢測(cè)設(shè)備的選擇范圍，在常用方法中電解法對(duì)流量要求最小，在測(cè)量中最不容易出現(xiàn)節(jié)流降溫現(xiàn)象，因此在新的標(biāo)準(zhǔn)中，著重強(qiáng)調(diào)了電解法作為水分檢測(cè)的方法［24］。電解法屬于絕對(duì)測(cè)量法，電解電量直接與被測(cè)氣體中的水分含量相對(duì)應(yīng)［24］，其檢測(cè)過程利用小電流更易測(cè)出精確的檢測(cè)結(jié)果，并且無需校準(zhǔn)，也不用頻繁標(biāo)定，理論上其檢測(cè)誤差是幾種水分測(cè)試方法中最小的。在《工業(yè)六氟化硫》和《氣體中微量水分的測(cè)定》里都將其作為仲裁法使用。

對(duì)于使用冷凝露點(diǎn)法的冷鏡式露點(diǎn)儀來說，當(dāng)被測(cè)氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡，經(jīng)降低鏡面溫度使得樣氣達(dá)到飽和結(jié)露狀態(tài)［25］，測(cè)量冷凝鏡此時(shí)的溫度即是樣氣的露點(diǎn)。但是此種設(shè)備存在一個(gè)固有的缺點(diǎn)，它對(duì)于過于純凈的氣體（高純度工業(yè)SF6即是）來說在鏡面上容易形成過冷水，過冷液體的狀態(tài)是不穩(wěn)定的是屬于一種亞穩(wěn)態(tài)［26］，只需要極微量的該種液體的晶體便能誘發(fā)結(jié)晶［27］。由于減壓閥低壓腔內(nèi)表面并不規(guī)則，在大氣流通過時(shí)內(nèi)部呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，而鋼瓶減壓閥內(nèi)表面產(chǎn)生的過冷水不斷積累，在高流速氣流的吹掃下可能揮發(fā)、脫離附著，進(jìn)而以進(jìn)入檢測(cè)氣流中，造成氣流瞬時(shí)含水量增大。這種狀況將使露點(diǎn)儀制冷系統(tǒng)為達(dá)到“液-氣”平衡，疲于變換熱交換功率，使檢測(cè)出現(xiàn)響應(yīng)慢、系統(tǒng)振蕩、長時(shí)間測(cè)不出值以致受到波動(dòng)的環(huán)境因素影響［28-29］，最終很難達(dá)到平衡態(tài)，使檢測(cè)時(shí)間延長或者直接導(dǎo)致檢測(cè)失敗。同時(shí)，SF6的熔點(diǎn)為-50.8 ℃，在-53 ℃附近會(huì)發(fā)生液化，對(duì)于工業(yè)級(jí)SF6規(guī)定的水露點(diǎn)（-49.7 ℃）恰好與其接近，因此SF6會(huì)干擾水露點(diǎn)的觀察［30］。

2.5 濕度儀校驗(yàn)設(shè)備

一般在對(duì)二級(jí)設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)采用平行取氣的方法對(duì)比檢測(cè)數(shù)值，濕度儀校驗(yàn)的一級(jí)設(shè)備允差較小，并且在相對(duì)高濕測(cè)量范圍內(nèi)的允差會(huì)進(jìn)一步嚴(yán)格要求。因此在設(shè)計(jì)濕度儀校驗(yàn)設(shè)備時(shí)，取氣管路內(nèi)表面狀況不宜太過復(fù)雜，應(yīng)該避免內(nèi)壁出現(xiàn)過多突起和彎折，平行測(cè)量通道應(yīng)該盡量長度相等。在進(jìn)行濕度儀校驗(yàn)工作時(shí)，需要注意一級(jí)設(shè)備對(duì)檢測(cè)流量的要求，特別在高濕比對(duì)檢測(cè)時(shí)不能對(duì)檢測(cè)腔造成壓力波動(dòng)，氣體流速不宜太快。

2.6 對(duì)檢測(cè)環(huán)境的依賴

那么在類似秋冬季節(jié)下進(jìn)行水分檢測(cè)時(shí)，低溫環(huán)境造成鋼瓶和減壓閥等設(shè)備本身溫度較低，在長時(shí)間或者大流量的檢測(cè)情況下，尤其需要注意這種減壓閥降溫對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的影響。這時(shí)對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求就比在溫暖氣候時(shí)的要高，戶外檢測(cè)如果過程太長將使水分檢測(cè)結(jié)果一直出現(xiàn)下行趨勢(shì)，等待最終的穩(wěn)定需要很長時(shí)間，而鑒于本文前述所說明的原因，此時(shí)必須控制減壓閥的工作溫度，調(diào)整檢測(cè)場(chǎng)所、檢測(cè)環(huán)境、控制減壓閥的溫度都是實(shí)際有效的方法。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)分析了在檢測(cè)氣體的水分含量時(shí)，減壓閥降溫現(xiàn)象的發(fā)生原理，及其對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果的影響。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析可以看出，當(dāng)氣體從鋼瓶出氣口涌向減壓閥的低壓氣室時(shí)，所造成的節(jié)流效應(yīng)是減壓閥降溫的原因。減壓閥內(nèi)的低壓氣室是主要降溫區(qū)，由于檢測(cè)管路結(jié)構(gòu)的原因，這個(gè)節(jié)流效應(yīng)無法完全消除，對(duì)氣體濕度檢測(cè)的影響主要關(guān)聯(lián)于檢測(cè)流量的大小。因此，在對(duì)SF6進(jìn)行濕度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)參照最新的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)選擇檢測(cè)設(shè)備，著重關(guān)注檢測(cè)流量的控制，將節(jié)流效應(yīng)的影響降低到最小。