（测试计量技术及仪器专业论文）sf6气体分析系统的研制.pdf

郑卅l 大学硕士论文摘要 摘要 随着电力工业的迅速发展，s f 6 电气设备数量不断增多，对s f 6 气体的质量 监督日益重要。纯净的s f 6 气体具有优良的绝缘性能和优越的灭弧特性，但是 s f 6 电气设备中的气体不可避免的含有杂质，如水分、空气等。在电弧作用下， 这些杂质容易与s f 6 气体的分解物反应生成毒性物质，从而腐蚀电气设备，降低 设备绝缘能力。若杂质含量超标，将严重影响设备的电气性能、机械性能和开断 性能，造成许多严重的后果。 本文论述了检测s f 6 电气设备中s f 6 气体湿度和纯度的重要意义，分析了国 内外该类智能化仪器仪表的现状，从而提出s f 6 气体分析系统的总体设计思想。 本文阐述了湿度的基本概念，通过分析比较目前测量湿度和纯度的几种原 理，根据各自的特点，选择了适合本系统的测量原理。 本系统智能化程度高、性能稳定、功能强大、操作简单。硬件设计采用模块 化设计思想，实现了体积小、功耗低、抗干扰性强的特点。软件设计灵活，弥补 了传统测量仪表数据存储管理方面的不足。为了有效地管理存储器中的测量数 据，本系统采用p c 机的文件管理机制，构造了一个简单的文件系统。并且，还 可以实时显示测量数据的动态曲线；根据用户的需求，设置打印参数、选择性的 打印测量结果；本系统使用t f t b 3 2 2 4 彩色触摸屏作为专用的显示屏幕，为用户 提供良好人机操作界面。 湿度测量是s f 6 电气设备状态检测中重要的一项，它受环境温度和大气压力 的影响较大，本系统融入了国家电力行业有关湿度测量的最新标准，将不同温度 下，不同压力下的湿度转换为2 0 、一标准大气压下的湿度。 关键词：s f 6 电气设备、湿度、纯度、文件系统、触摸屏 塑型查兰塑主笙奎兰坐! 竺! l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r 主cp o w e ri n d u s t r y ，m o r ea n dm o r es f 6 e l e c t r i c a le q u i p m e n t sa r eu s e d t 1 l eq u a l i t ym o n i t o r i n go fs f 6g a si sm o r ei m p o r t a n t t h a nb e f o r e a l t h o u g t lt h ep u r es f 6g a sh a se x c e l l e n ti n s u l a t i o na n ds u p p r e s s i n ga r c p e r f o m a i l c e ，s f 6g a si nt h ed e c t r i c a le q u i p m e n ti si c v i t a b l et om i xo t h e rg a s e s ， s u c l l 嬲m o i s t u r ca n da i r u n d e rt h ea r ca c 6 0 n ，t h ei m p u r i t yc a ne a s j l yr e a c tw i t ht h e d e c o m p o s e dp r o “c to fs f 6 ，a n dt h e np f o d u c ep o i s o nw h i c hc a n “u p te l e c t r i c e q u i p m e n t ，d e 盯a d ei t si n s u l a t i o np e 怕瑚a i l c e i f t h ec o m e mo fi m p u r i t ye x c e e d st h e n o 肌，i tw ms t r o n 醇yi n n u e n c cm ee l e c t r i c a l ，m e c h a n i c a la n do n o f fc a p a b i l i t yo f e q u i p m e n t ，w h i c hw i l ir e s u i ti nas c r i o u sc o n s e q u e n c e i nt h i sp 印e r ，t h es i g n i f i c a n tm e a n i n go fd e t e c t i n gt h ep u r i t ya n d h u m i d i t ya b o u t s f 6 ，w h i c ha p p l i e st ot h ee l e c t i i c a le q u i p m e n t ，i sd i s c u s s e d ；t t l ea c t u a l i t ya th o m ea n d a b r o a da b o u ts m a r ti n s t r u m e n to fd e t e c t i n gs f 6g a si sa n a l y z e da n dt h ew h o l ed e s i g n o fs f 6 g a s a n a l y z es y s t e mi ss u m m a r i z e d f t h i st h e s i se x p o u n d st h cb a s i cc o n c c p t i o no f h u m i d i t y t h et h e o r i e so fp u r i t ya n d h u m i d i t ya r es e l e c t e df o rs f 6g 器a 且a l y z es y s t e mw i t hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e f 色a t u r e sa b 叫te x i s t e n tt h e o f i e s t h i ss y s t e mh a sh i 曲矾e m g c n c e ，s t a b l ep e r f 0 h n a n c e ，p o w e t “f u n c t i o na n d s i m p l eo p e f a t i o n h a r d w a r e d e s i g na d o p t s m o d u l a r i z a t i o n t h o u g h t i th a s t h e f l o w i n gf e a u r e s ：s m a uv o l u m e ，l o wp o w e ra n ds t r o n ga n t i - j a m m i n g 。s o f t w a r e d e s i g ni sa 百l i t y w h i c hm a k e su pt h es h o r t c o m i n g so d a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t 0 ft r a d i t i o n a li n s t n l m e n t s ho r d e rt om a n a g ed a t ae 岱c c t i v e l yi nm e m o r i z e r ，t h e s y s t e mi si m i t a t i v eo ff i l em a l l a g e m e n tm e c h a n j s ma b o u tp c ，a n dt h e nas i m p l ef i l e s y s 把mi sc o n s t r u c t e df o ri t t h i ss y s t e mc a nt i m e l yd j s p l a yd y n a m i cc u eo f p a r 锄e t e r s i tc a ns e l e c t p r i n tp a 舢e t e ra n dp r i n tm e a s l l r er e s u l t so p t i o n a l l y a c c o r d i n gt ot h eu s e r s n e e d b e s i d e st h e s e ，t l l es y s t e mu s et f t 3 2 2 4t o u c hs c r e e ni n o i d e rt os u p p l yt h eb e l t e ro p e f a t o fi n t e f f a c ef b ru s e r s h u m i d i t ym e a s u r i n gi sa ni m p o n a n tp a r to ft h es t a t em o n j t o r i n go fs f 6e l e c t r i c a l e q u j p m e n t ，w h i c hi ss t m n 西yi n n u e n c e db yt e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r e t 1 l i ss y s t e m a d o p t st h en e w e s tn a t i o n a ls t a n d 盯df o rp o w e rs y s t e m ，w h i c hc a nc o n v e nh u m j d j t yo f d i 骶r e n tt e m p e f a t u r ea 1 1 dd i 骶r e mg a sp r e s s u r et oh 啪j d i t ya t2 0 a n dn o m a l a i m o s p h e r i cp r e s s u r e k e yw o i d s ：s f 6e l e c f r i c a le 叩i p m e n t ，h u m d i t y ，p u 正t y ，踟es y s t e m ，t o u c hs c r e e n 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 爹，芥 2 d 秽6 年伽日 郑州大学硕士学位论文 引言 随着电力技术的发展，s f 6 电气设备得到了广泛的应用，具体包括s f 6 断路器， g i s 封闭组合电器，s f 6 绝缘的变压器、电压互感器、电源互感器及各类高压套管 等。这些电气设备在电力系统中，起着非常重要的作用，其运行的可靠性不仅关 系到s f 6 电气设备本身，而且影响其他设备，甚至整个电网的安全。 s f 6 以其优良的绝缘性能和优越的灭弧特性被广泛应用于电气设备当中，其 气体质量的好坏直接影响着s f 6 电气设备的工作性能。s f 6 气体的湿度与纯度是检 测s f 6 电气设备状态的两项重要指标。目前，国内市场检测s f 6 气体纯度、湿度的 仪器仪表，功能单一、智能化程度低，已经滞后于电力系统对测量仪表的要求。 国外虽有智能化程度高、测量精确、适合电力系统需求的仪器仪表，但受价格和 仪器仪表工作环境的影响，不适宜在国内市场推广。研制出性能稳定、功能强大、 智能化程度高的s f 6 气体测量分析仪表意义重大。 本论文的创新点如下： 1 s f 6 气体分析系统能同时测量多个参数：湿度、纯度、温度等； 2 s f 6 气体分析系统对湿度的测量融入了国家最新的标准，可以将不同温度，不 同压力下的湿度转换到2 0 、一标准气压下的湿度； 3 人机操作界面采用触摸屏技术； 4 s f 6 气体分析系统的数据存储管理采用p c 机文件系统管理思想。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济的发展，人们对电能的依赖和需求量同益增加。在电力系统向 超高压、大电网、大容量和自动化方向发展的同时，用于闭合及断开电力线路， 以输送和倒换电力负荷或从电力系统中退出故障设备以保证系统安全运行的高 压开关就显得尤为重要了。 1 1s f 6 气体湿度和纯度检测的重要意义 电气设备传统的绝缘介质和灭弧介质是绝缘油。这种绝缘油具有比空气强度 高得多的绝缘特性，其比热容比空气大一倍，受热后具有对流特性，所以它在电 气设备中既做绝缘介质又兼冷却介质。但是这种绝缘油最大的弱点就是可燃性。 当电气设备一旦发生损坏短路时，极有可能出现电弧，而电弧高温可将绝缘油引 燃造成大火。这个问题在城市电网更为突出。城市对电力依赖性大，要求供电功 率大，连续性强，这一系列问题在城市电网建设中都需要认真考虑，因此必须寻 找一种不燃烧、抗老化的新型绝缘介质和灭弧介质。 随着人们对s f 6 气体优良的绝缘、灭弧性能的认识，油开关己经逐渐被s f 6 气体绝缘开关电器所取代“1 。六氟化硫( s f 6 ) 气体是由法国两位化学家m o i s s a n 和 l e b e a u 于1 9 0 0 年合成的。1 。工业上首次将s f 6 用于开断电流始于1 9 5 3 年，当时只 做出了1 5 1 6 l k v 高压负荷开关，开断电流6 0 0 胪1 。美国开创了将s f 6 气体用于高 压断路器的先河1 9 5 6 年，美国西屋公司首先开发出1 1 5 k v1 0 0 0 m v a ( 5 k a ) s f 6 断路器“1 。1 9 6 5 年，第一台s f 6 气体全封闭组合电器( g i s ) 问世，使高压电器发生 了质的飞跃“1 。国产第一台1 1 0 k vs f 6 气体全封闭组合电器也于1 9 7 3 年投运”1 。目 前，各种s f 6 气体绝缘设备的技术参数己达到了很高的水平。在中压领域，s f 6 丌关同真空开关已成为并驾齐驱的两大支柱；在高压、超高压及特高压领域，s f 6 气体几乎成为断路器和g i s 的唯一绝缘和灭弧介质。 s f 6 气体本身极稳定，具有很高的绝缘强度和灭弧能力。但是，s f 6 电气设备 的稳定性及可靠性完全取决于s f 6 气体的纯洁度。在很多情况下，现场电气设备 中的s f 6 气体并非总是纯净的，如果s f 6 气体中混有杂质，达不到规定的标准，那 么它的灭弧和绝缘特性就会大大下降。d l t 5 9 6 1 9 6 6 电力设各预防性试验规程 规定运行中s f 6 气体的纯度不得低于9 7 。在大电流开断时由于强烈的放电条件， s f 6 会分解生成离子和原子团，而在放电过程结束时，其中绝大部分又会重新复 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 合成s f 6 。在高温电离条件下，离子和原予团反应能力极强，如果s f 6 气体的纯度 被破坏，那么当水分与氧气存在时，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 严重的不良后果。因此对s f 6 电气设备中s f 6 气体纯度的监测必不可少。 虽然s f 6 气体绝缘性能优越，但是若其含有水分，则电气强度就会显著降低。 在高温、强烈放电条件下，s f 6 气体中的水分可与其分解产物发生水解反应产生 有害物质，这可能影响设备性能并危及运行人员的安全。早在7 0 年代，s f 6 断路 器用于电力系统初期，美国曾发生过多起因湿度超标而引起的设备爆炸“1 事件。 因此国内外对s f 6 气体微水含量的检测和控制，都十分重视。 但是，s f 6 电气设备中的运行气体不可避免地含有微量水分。高压电气设备 中气体水分的主要来源：s f 6 新气中固有的残留水分。这是由于生产工艺中 不可能绝对排除水分的缘故。我国行业标准规定s f 6 新气中的含水量不超过8 p p m 。 s f 6 气体绝缘电器设备在制造运输、安装、检修过程中都可能接触水分并将水 分浸入到设备的各个元件中里去。3 ，包括气室中的部件在安装前未能完全干燥 好：安装或检修时环境湿度过大；气舱内真空度未达到要求使含有水分的气体得 以残留，同时器壁上附着水分；系统密封不严密。尽管采取干燥措簏，s f 6 气 体绝缘电器设备的有机绝缘材料内部仍含有o 1 o 5 重量比的水分“。1 ，在设 备运行过程中会缓慢地向外释放。吸附剂带入水分。s f 6 气体绝缘电器设备中 的吸附剂活化处理时问短以及吸附剂在安装时暴露在空气中时间一长就会带入 数量可观的水分“。作为绝缘介质的s f 6 气体在运行一段时间后含水量就会升 高。试验证明气体中的水分含量随着环境温度的升高而增高“。这是因为当温度 增加时，零部件的水分放出量增加，使s f 6 气体的含水量增加：而当温度降低时， 容器内壁以及零部件吸回一部分水分，使s f 6 气体的含水量降低。而当外界环境 温度升高后，空气中湿度增大，虽然s f 6 气体绝缘电器设备内部的压力高于设备 外部，但s f 6 气体中水蒸汽分压力却小于设备外部的水蒸汽分压力，水蒸汽由设 备的外部向内部渗透。透过密封件渗入的水分。虽然s f 6 绝缘电器设备有可 靠的密封系统，但是由于设备内部比外部水蒸气压小的多，在高温高湿条件下， 水分子会自动的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 郑州丈学硕士学位论文 第一章绪论 蒸气压差就越大，大气中的水分透过设备密封薄弱环节，进入设备的可能性就越 大。再加上水分子为细长棒状，在内外水分压差大时，水分子是容易进入设备内 部的“。 当s f 6 电气设备中的气体含有水分并达到一定程度后，会引起严重的不良后 果。其危害表现在以下几个方面： 水分与s f 6 气体分解物生成有毒物质和严重腐蚀电气设备的酸性物质。 断路器因电弧产生的金属电极材料的蒸汽与s f 6 气体进行氧化还原反应，相 对于s f 6 而言，会属蒸汽一般是过量的，因此，此时，易生成硫原子数较少的低 氟化合物，如：sf 1 ，s f 。，s ：f 。等。另外，在高温小电流电弧作用下，s f 6 会分解 产生低氟化合物s n ，r 。s f 6 气体中的水分会加剧低氟化合物的水解： s f 。+ h ：o = s o f 。+ 2 h f s o r + h ：o = s 0 2 + 2 h f s 0 2 + h 2 0 = h 2 s 0 3 ， 2 s r + h 。o = s o f 。+ 2 h f + s s o f ：+ h 2 0 = s o f ：+ 2 h f + s sf 4 ( 四氟化硫) 对人体肺部有侵害作用、影响呼吸系统，其毒性与光气并列； s 0 民( 氟化亚硫酸) 为刺激性剧毒气体，可导致肺水肿而使动物窒息致死；s o 。f 。( 氟 化硫酞) 为无刺激性的气体，可引起动物全身痉挛和呼吸器官麻痹。这些毒性气 体极易向外部泄露，不仅威胁到设备运行和维护人员的人身安全，而且对周围生 态环境和大气环境造成极其严重的污染和破坏。h f ，h ：s o 。与水反应分别生成氢氟 酸和亚硫酸，可严重腐蚀电气设备，降低设备的使用性能和最终寿命。 水分对设备的绝缘产生危害。 大量研究表明，当s f 6 气体中的水分以气态形式存在或以霜的形式凝聚在绝 缘表面时绝缘表面的洲络电压并没有明显的变化。但当s f 6 气体中的水分超过一 定浓度时，不仅会使固体绝缘( 多为环氧树脂) 性能下降，而且随着外部温度的变 化，这些水分会在设备内部的绝缘件和金属部件表面产生凝结，降低沿绝缘件表 面的电阻并改变其电场分布，从而大大降低绝缘表面的闪络电压。 水分影响开关的开断性能 研究实践证明，水分对s f 6 开关开断性能存在定的影响。试验中曾经多次 4 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 发现s f 6 开关因水分含量较多导致满容量丌断试验失败，断口间因绝缘能力不足 在恢复电压峰值附近被击穿。未更换任何零件，只是将气体干燥之后却顺利通过 开断试验“。 水分降低开关的机械性能 水分渗入操作机构的液压油会腐蚀机构部件和密封件，进而引起内外泄露使 油压不足降低机构力的传递；油质中含有水分，会影响开关的分合闸动作时间和 速度；油路中的水分凝结会堵塞循环回路，这在重合闸过程中尤为严重。这些因 素都可导致开关喷油、拒动甚至引起爆炸。d l t 5 9 6 1 9 6 6 电力设备预防性试验 规程规定运行中的s f 6 气体的试验项目、周期和标准见表1 1 。 表卜ls f 6 气体的试验项目、周期和标准 项目周期标准 空气( n 2 + 0 2 )大修后，必要时大修后0 0 5 ；运行中0 1 湿度( h 2 0 ) 1 3 年次： 8 p p m 大修后，必要时 纯度( s f 6 )大修后，必要时 9 7 综上所述，为了保持s f 6 电气设备正常运行，定期检测s f 6 气体的纯度和湿 度意义重大，不容忽视。 1 2s f 6 气体的性质 t 1 2 1s f 6 气体适用于电力设备的原因 s f 6 气体之所以适用于电力设备，主要是因为它具有如下特性： 强电负性，具有优异的灭弧性能； 绝缘强度高，一标准大气压下为空气的3 倍； 热传导性能好且易复合，特别是当s f 6 气体由于放电或电弧作用时出现离 解时； 可在小的气罐内存储，这是因为室温下加高压易液化； 供气方便，价格不贵且稳定； 1 2 2s f 6 气体的基本性质 纯净的s f 6 气体无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧，属惰性气体。在常温、常 压和较高温度下，化学性质稳定。s f 6 气体分子量较大，为1 4 6 0 7 ，是氮气的5 2 倍；它的密度是6 1 6 k g m 3 ( 2 0 ，1 0 1 3 2 5 p a ) ，约为空气的5 倍；同体积、同压 力的s f 6 气体比空气重。s f 6 气体的击穿过程与空气相似，所不同的是s f 6 气体中 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 的氟是卤族元素，易于吸收自由电子形成负离子时释放的电子亲合能，具有很强 的电负性。与自由电子相比，负离子重量大，平均自由行程短，在两次碰撞之间 的自由行程中，获耿的动能少，从而漂移速度也小；另一方面它和分子发生弹性 碰撞时又容易损失原来积累的能量。因此，由负离子积累能量导致气体进一步碰 撞电离的可能性很小。其次，s f 6 气体的分子半径比空气中氧气和氨气的分子半 径大，使得s f 6 气体中自由电子的平均自由行程缩短，能量不易积累，从而减弱 碰撞电离的能力。在s f 6 气体中，正是由于电子的净碰撞电离系数很小，负离子 的迁移率较低，并且又极易与正离子结合为中性分子，才形成了s f 6 气体优越的 绝缘性能。 1 3s f 6 气体分析系统国内外发展现状 近年来，随着传感技术、光纤技术、计算机技术等的发展和应用，便携式智 能化仪器仪表揭开了新的篇。便携式智能化仪器仪表应工业领域的要求，主要 向多功能，低功耗，体积小，重量轻，人机操作界面良好的方向发展。但是，通 过对s f 6 气体检测领域内，仪器仪表的全面调研，发现当前国内检测s f 6 气体的仪 器仪表有如下特点： 1 测量仪表功能单一。当需要检测s f 6 气体的多项指标时，工作人员就必须同时 携带多块测量仪表，为了接近真实的测量结果，每块仪表在测量时都要求重 新取样，这样当测量多个机组的s f 6 气体的指标时，会大大增加工作人员的劳 动量，随之降低工作效率。同时多次取样会造成s f 6 电气设备中s f 6 气体的浪 费。另外，被测量过的s f 6 气体排放入大气，为测量多个指标而多次取样测量 的方法，在确保了s f 6 电气设备安全运行的同时，却加重了对大气的污染。 2 对s f 6 气体纯度的测量大都是采用气相色普法。采用气相色普法测量s f 6 气体 的纯度，测量数据精确，但其仪器价格昂贵，并对运行环境要求苛刻，因此 不适合现场测量，只能取样到实验室分析。 3 绝大部分仪表对测量数据的记录、整理、分析均采用人工的方法。该方法， 人为因素大。精度低，存在严重的人为测量误差。在工业迅速发展的今天， 更需要有准确可靠的分析检测方法和技术做科学保障。 4 s f 6 气体的湿度受环境温度和压力影响比较大，但是，目前国内测量s f 6 气体 湿度的仪表并没有进行温度、压力的校正，只是使用单位，根据测量数据， 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 采用人为的经验法进行近视校验，这样测量结果十分不可靠。 国外对s f 6 电气设备的研究比较早，对s f 6 气体的质量监督作了深入的研究， 用于检测s f 6 气体纯度、湿度等指标的智能仪器仪表，集成度、自动化程度都比 较高，能够达到当前国内供电系统对s f 6 气体质量检测的要求，但是，国外的仪 器价格昂贵，并且在售后技术服务方面存在不足。并且，国外对s f 6 气体湿度的 环境温度和压力的补偿，虽然非常适合国外的测量运行环境，但不一定符合国内 s f 6 电气设备运行的环境，所以，国外的s f 6 气体检测仪不适宜在国内推广使用。 1 4 本论文研究的主要内容 1 基于a v r a l m e g a l 2 8 单片机的硬件设计。电路板的设计采用模块化的设计思 想，一块主电路板，三块功能模块板。该硬件电路可扩充性能比较好。 2 利用a t m e g a l 2 8 单片机c 语言，在i c c a v r 编译环境中，开发软件。实现s f 6 气体分析系统的显示功能，打印功能，数据存储功能，与p c 机之间的通信功 能等。 7 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计思想及测量原理 第二章系统的总体设计思想及测量原理 随着电力行业的迅速发展，s f 6 电气设备已被广泛应用，s f 6 气体的质量监督 就显得日益重要。实现s f 6 气体质量控制的技术基础和前提是，建立准确可靠的 分析检测方法和技术。s f 6 气体分析系统为s f 6 电气设备的安全运行提供了科学的 保障。 2 1s f 6 气体分析系统设计思想 针对当前电力行业s f 6 气体测试仪所存在的弊端，我们将研发出多功能s f 6 气体分析系统，具体包括检测s f 6 气体的纯度，湿度，温度等。硬件电路采用模 块化设计思想，将整个系统分为4 个部分：主板电路，电源电路板，纯度信息处 理电路板，串行通讯电路板，并且在主板电路上为其它功能预留插槽。 一个完善的s f 6 气体分析系统，它不仅要求性能稳定、测量精确，而且还具 备强大的数据处理功能。为了克服当前s f 6 气体检测仪在数据处理上的不足，对 于数据存储部分，本系统采取p c 机文件系统管理思想，将每天测量的数据存放在 以时间为单位的文件夹中，用户可以根据需要随时查询、打印所存储的信息，并 且还可以删除，或格式化存储记录。 存储空间是单片机系统设计中很重要的一部分。在本项目的设计中虽然我们 外扩了2 5 6 k 字节的e e r 州，但随着时间的延长，存储数据不断的增多，存储空间 迟早会满足不了用户的需求。为了解决这个棘手的问题，我们利用d e l p h i 语言为 s f 6 气体分析系统设计了上位机数据管理系统，它可以为用户提供强大的数据处 理功能。用户可以将每次测量的数据通过已设定的串口，方便地对s f 6 气体分析 系统的用户信息进行设置；并可根据用户需求下载s f 6 气体分析系统所存储的数 据，从而有效地缓解数据存储量有限的问题；同时还提供了针对每个测量参数的 数据统计曲线图，以及数据查询，报表打印等功能。这样用户就可以根据近阶段 对s f 6 气体纯度和湿度的监测情况，来判断s f 6 电气设备在被统计的这段时间罩的 工作状况，从而做到防患于未然。 s f 6 电气设备中气体的湿度直接影响其灭弧能力与绝缘性能，是s f 6 气体检测 中最重要的指标之一。国标、行标都规定了设备在一标准大气压下、2 0 时的气 体湿度允许值。若测试环境温度偏离2 0 ，当前大气压不是一个大气压，则需要 修正测量值，而当前国内检测s f 6 气体湿度的仪器仪表均没有校正湿度的功能。这 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计思想及测量原理 给判断s f 6 电气设备是否超标带来困难，也不利于掌握设备气体湿度的发展趋势， 从而为设备的不f 常运行埋下了隐患。 有关气体湿度测试中的温度修正问题，早在1 9 9 0 年国内已经提出并进行过 讨论和研究。对同一密封完好的气室的测试表明，当环境温度高时，所测得的气体 湿度相应较高；环境温度低时，气体湿度相应较低。造成这种现象的原因，主要是 气体中的水分和吸附在固体材料( 金属、绝缘材料、吸附剂等) 表面的水分之间 吸附和蒸发的相互转换。温度低时，较多的水分吸附在固体材料表面，气相中的水 分相对较少：温度升高时，更多的水分进入气相，使气体湿度增大。为消除温度的 影响，有关标准规定的湿度指标均指2 0 时的值。为了数据的可比性，要求湿度测 试也应尽可能在2 0 的条件下进行。若测试环境温度偏离2 0 ，就需要进行修正。 但目前并没有通用的修正公式或曲线。通常认为，温度对气体湿度的影响虽然其 增减变化的趋势是一致的，但具体数值因设备结构的不同而有所不同。随着测量 经验的不断总结和气体测量技术的不断提高，我国电力行业高压开关设备标准化 技术委员会，结合我国s f 6 电气设备的实际情况，对原行业标准d l t 5 0 6 六氟化 硫气体绝缘设备中水分含量现场测试方法进行了修订，增加了湿度测量结果温 度折算一节，将不同温度下测量的湿度值转换为1 标准大气压下、2 0 时的湿度 值，单位采用u l l 。本文所研制的s f 6 气体分析系统就融入了新的标准。 s f 6 气体的湿度不仅与温度有关系，而且也受压力的影响。若被测气体所处 的环境压力增大，气态水就容易液化；反之，若被测气体所处的环境压力减小， 液态水就容易气化。由此原理得出结论：当s f 6 气体被测环境压力大于一标准大 气压时，绝对湿度偏小；反之，绝对湿度偏大。因此，为使用户方便的得到s f 6 气体正确的湿度值，本系统应具备压力校正的功能。在s f 6 气体分析系统的参数 设定界面，用户可以根据实际情况，设定压力值。 电子信息技术的快速发展，促使智能化仪器仪表迈入一个新的时代，工业自 动化仪表不再满足于功能稳定，测量精确的优势，它提出了进一步的要求：精美 的外观，良好的人机操作界面。s f 6 气体分析系统的外观设计，人机交互界面就 是一个大胆的尝试。它采用3 2 0 x 2 4 0 分辨率的t f t 彩色显示屏作为显示器，仪表的 操作采用触摸屏技术。方便的操作，人性化的设计，让您感受到新技术给您带来 的无比的方便与优越。 9 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计愚想及测量原理 2 2s f 6 气体分析系统要实现的主要功能 s f 6 气体的纯度分析 s f 6 气体的湿度分析 数据存储功能 s f 6 气体露点温度随时间变化曲线图 信息、参数打印功能 时间显示功能 气体电子流量显示功能 系统电池电量显示，当供电不足时给予系统报警 与p c 机通讯的功能 2 3s f 6 气体分析系统的测量原理 2 3 1 湿度测量原理 2 3 1 1 湿度的基本理论 众所周知，空气是多种气体的混合物，其主要成分是氧气和氮气，以及总数 不到1 的稀有气体和二氧化碳。此外，空气中还有一种重要的、数量上经常变化 的成分水汽。以蒸汽状态存在的水，我们把它当作气体来看待。按照热力学 的习惯，当气体的温度低于其临界温度时就称为蒸汽，对于水蒸汽又常简称为蒸 汽或水汽。湿度测量学的研究对象就是气体中以蒸汽形态存在的水“。 为了理解湿空气和水汽的某些物理意义，特别是它们在饱和状态下的定义， 必须首先明确平衡和饱和的概念。无论在单组分或是混合物中，物质的“相”是 指体系内部物理和化学性质完全均匀的部分。热力学中的三相为固相、液相和气 相。在气体湿度测量领域内，固相一般指冰，液相一般指水，而气相则是指纯水 汽或者水汽与干空气的混合物。研究的体系可以是单相的、两相的或多相的，例 如湿空气，湿空气与水共存，或湿空气、盐水溶液和固态盐共存的体系。 ( 1 ) 平衡 为了说明平衡的概念，这里以一个密闭容器中的气液平衡为例。液体中 某些运动速度很高的分子具有足够的动能克服分子间的作用力而逸入气相。而进 入气相的分子中有些又会碰到液体表面而重新返回液体。当体系恒定在某一个温 度时，凝聚的速度逐渐接近蒸发的速度，最后达到动态平衡。此时，单位时间内 1 0 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计思想及测量原理 凝聚的分子数恰好和蒸发的分子数相等，气相分子的浓度就具有一一个不随时问变 化的恒定值，而达到气液平衡，即所谓随遇平衡。 ( 2 ) 饱和 饱和是“相对湿度”、“露点温度”等术语定义的基础，是湿度测量中一个 极为重要的概念。 在气体湿度钡4 量领域内，固相一般指冰，液相一般指水，而气相则指纯水汽 或者水汽与干空气的混合物。被测体系如果是多相的，则有分界面把它们分开。 两相之间的分界面可以有许多不同的几何形状，但是，为了提供一个可以复现的 标准，也为了方便，在标准的饱和定义中的分界面规定为理想平面。与固相( 冰) 或液相( 水) 平衡的气相，可以是纯水汽，也可以是水汽与空气的混合物。这样在 定义饱和时就要考虑到所出现的四种情况：由纯水汽组成的汽液平衡；水汽 与冰的饱和；湿空气与液体水的饱和：湿空气与冰的饱和。饱和是一种动态平衡 态。在该状态下，气相中的水汽浓度或密度保持恒定。水从液体转变为蒸汽的过 程称为汽化( 有蒸发和沸腾两种方式) 。在湿度测量中所遇到的情况大多属于蒸发 过程。当水分子的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。饱和与温度、压力有关，若这些外界条件改变时，那么原有的饱和状态就 会改变。 ( 3 ) s f 6 气体分析系统中用到的湿度术语及其定义 水蒸气压力w a t e rv a p o rp r e s s u r e 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，亦称为水蒸气分压力。 饱和水蒸气压 s a t u r a t i o nw a t e rv a d o rd r e s s u r e 水蒸气与水( 或冰) 面处于平衡时的水蒸气压。 体积比 v 0 1 u m er a t i o 湿气中水蒸汽分体积与干气的分体积比值的1 0 6 倍。单位：u l 几，通常也 称p p m 露点温度d e w p o i n tt e m p e r a t u r e 这罩采用图解法来摇述露点温度的概念。 郑州大学硕士学位论文第二章系统的总体设计思想及测量原理 d 言 邑 瑙 一彘 圹 a 糕 蔷 ，一一 图2 1 露点温度的图不法 图中a 点表示空气的状态，如果给定的空气在水气压不变的情况下逐渐冷却， 那么在这一过程中，a 点的轨迹是一条经过a 点并与横轴平行的直线。最后， 该直线与饱和蒸汽压曲线相交于b 点，b 点相应的温度为t d 。当空气进一步冷 却时，水汽就会凝结成露。因此温度t d 称为露点温度，确切的说应为热力学 露点温度。在这个温度下空气的水汽含量恰恰等于该空气达到饱和时的水汽 含量。如同表示水分含量的水气压力一样，露点温度常常用来表示气体的湿 度。 相对湿度r e l a t i v eh u m i d i t y 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，或者湿气中水蒸气的分压值与相同温度下饱和水蒸气压的比值。 在s f 6 气体分析系统中，测量s f 6 气体的湿度参数有露点温度t d ，相对湿度r h ， 体积比p p m ，以及不同温度，不同压力下的测量湿度折算到2 0 时湿度参数 体积比p p m s ( p p ms t a n d a r d 标准状况下的体积比) 。 2 3 1 2 湿度的测量方法 在湿度测量中有多种方法可以应用，目前电力系统常用的s f 6 气体湿度捡测 方法主要有重量法、电解法、露点法、阻容法。取样方法采用导入式，取样点必 须设置在足以获得代表性气体的位置并就近取样。测量时将测量仪表与待检测设 备用气路接口连接，连接方法参见图2 ：下面将分别叙述各种测量方法的原理及 优劣点。 塑型查兰夔主兰堡垒塞笙三兰墨堕箜璺竺堡生曼塑墨型苎堕里一 1 待测电气设备 2 气路接口( 连接设备与仪器) 3 压力表 4 仪表入口阀门5 湿度计 6 仪器出口阀门( 可选) 图2 2 测量气路连接图 ( 1 ) 重量法 重量法的原理是将一定体积的待测s f 6 气体通过装有无水高氯酸镁作干燥剂 的u 形管，由管的增重计算该体积的气体的含水量。该方法相对于其他方法是有 效的绝对方法，可以用来校核其他方法，在有疑问或争议的情况下是测量气体水 分含量的仲裁方法。但是重量法需要玻璃u 型管、气量计、过滤器、精密天平等 仪器，而且测量过程较复杂。因此重量法不适宜在现场应用，但可以在实验室校 验其他方法的准确性。 ( 2 ) 电解法 一 t 电解法是目前广泛应用的微量水分测量方法之。人们对此方法之所以感兴 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。其测量原理如下： 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，法拉第定律包含两点： 在电流的作用下，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9 6 4 8 5 库仑。所以 可以由消耗的电量来计算电解的物质量。在s f 6 气体湿度测量中，被电解的物质 是水。测量特点是：当被测气体以一定流量连续流过电解池时，气体中的微量水 分将全部被p ：0 ；膜层吸收，并被全部电解。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，水分在被连续的吸收 也被连续的电解。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 郑州大学硕十学位论文第二章系统的总体设计思想及测量原理 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。测量值与气体的流 速有关。当吸收和电解过程达到平衡时，电解电流正比于气体中的水分含量。从 而可通过测量电解电流，得知s f 6 气体中的含水量。 电解法的优点是价格较低、维修方便，缺点是现场测量前，测量系统本身并 不干燥，往往有本底值，这使测量结果不够精确。因此测量前必须用高纯氮气对 电解池进行干燥处理。此外，根据现场测量经验，环境温度和湿度对电解法测量 结果有较大影响。环境温度高时测量结果偏大，温度低时测量结果偏小。环境湿 度越大，测量结果越不准确”。 ( 3 ) 露点法 露点法是一个古老的测量方法。露点仪建立在可靠的理论基础之上，具有准 确度高、测量范围宽的特点，在现代湿度测量技术中占有相当重要的位置。其测 量原理如下： 露点仪的测量系统是一个会属镜面，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，镜面上附着的水膜和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。 露点法是目前s f 6 水分含量测试的典型方法，具有测量精度高、测量时间短、 操作方便、适宜现场测量等优点。但是，露点法也存在一定的问题。例如，若s f 6 气体中有以蒸汽形式存在的烃类或电弧分解产物，这些物质在水分凝露之前就要 凝露，从而影响测量结果。这种现象在四川、江苏、浙江、广东和黑龙江等省都 曾经出现过，具有较普遍意义。因此使用露点法测量六氟化硫气体中水分含量时， 应该加装一个过滤器。如浙江电力试验研究所采用比利时贝卡特公司高技术过滤 材料制作的过滤装置，经实际使用具有一定的效果“。1 。 ( 4 ) 阻容法 阻容法较前三种方法是一种新的测量方法。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。属于这一类的湿度计主要有氧化铝湿度计、 1 4 郑州大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计思想及测量原理 炭和陶瓷湿度传感器、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j 目前，主要以高分子薄膜电容式湿度传感器为主。高分子薄膜电 容式湿度传感器唯一可以实现o 1 0 0 r h 全程监测气体相对湿度的传感器。在低 湿度( 小于3 0 r h 以) 下使用电容型传感器为宜。其测量原理如下： 湿敏电容具有两个导电极板，其中一个是光刻在金属化( 金属钽或金) 玻璃衬 底上，上面覆盖了一层复合有机聚合物( 高分子) 薄膜。第二个极板是可以透过湿 气的金属( 裂化铬或金) 。高分子薄膜的感湿材料选用聚苯乙烯或醋酸纤维等高分 子聚合物，这些材料能随周围环境的相对湿度( r h ) 的大小成比例的吸附和释放水 分子，并且这类高分子材料大多具有较小介电常数的电介质( 2 7 ) ，而水分子 偶极矩的存在大大提高了聚合物的介电常数( 可达8 0 以上) 。因此这类特性的高分 子电介质做成电容后，其电容容量变化反映的湿度变化物理量为相对湿度( r h ) 。 通常其容值的变化与相对湿度呈线形关系。 r 高分子湿敏电容具有反应速度快、迟滞小、重复性好、尺寸小、系统简单、 成本低廉、稳定性好、较小的温度系数等优点。西安高压供电局和成阳供电局的 两座变电站6 台3 3 0 k v 六氟化硫断路器曾使用芬兰v a i s a l a 公司生产的d m t 2 4 2 a 型 露点传感器对水分进行了含量测量，结果表明测量系统稳定时间约5 1 0 分钟。 在实验室中对其准确性进行了校核，露点偏差在o 5 左右，准确度较高“”。 2 3 1 3 湿度测量方法小结 重量法相对于其他测量方法是有效的绝对方法，但是只适合于实验室使用， 不适合在