Jak obliczyć zawartość wilgoci w urządzeniach GIS i GIL wypełnionych SF₆

Zrozumienie punktu rosy, ppmv, ciśnienia, temperatury i zawartości pary wodnej w SF₆

W rozdzielnicach z izolacją gazową (GIS) i liniach przesyłowych z izolacją gazową (GIL), sześciofluorek siarki (SF₆) jest szeroko stosowany jako medium izolacyjne i gaszące łuk. Utrzymanie odpowiedniej jakości gazu jest kluczowe dla niezawodności izolacji, żywotności urządzeń i bezpiecznej eksploatacji.

Spośród różnych parametrów jakości gazu SF₆,zawartość wilgoci jest jednym z najważniejszych czynników do monitorowania.

Nadmierna wilgoć może obniżyć właściwości dielektryczne gazu i, w pewnych warunkach, przyczynić się do powstawania produktów ubocznych o charakterze korozyjnym lub wynikających z rozkładu. Z tego powodu producenci GIS i GIL, inżynierowie rozruchu i zespoły konserwacyjne rutynowo mierzą punkt rosy SF₆ lub stężenie wilgoci.

Często pojawia się jednak ważne pytanie:

Jeśli analizator SF₆ podaje określone stężenie wilgoci, ile wody faktycznie znajduje się wewnątrz komory GIS lub GIL?

Odpowiedź wymaga zrozumienia zależności międzypunktem rosy, ppmv, ciśnieniem gazu, temperaturą i objętością gazu.

1. Co oznacza zawartość wilgoci w SF₆?

Gdy analizator gazu SF₆ podaje wilgotność, wynik może być wyrażony w różnych jednostkach, w zależności od przyrządu i zastosowania.

Typowe jednostki obejmują:

• Punkt rosy (°C)
• Stężenie wilgoci (ppmv)
• Stężenie wilgoci (mg/m³)

Parametry te opisują ilość pary wodnej obecnej w fazie gazowej SF₆.

Na przykład odczyt:

100 ppmv H₂O

oznacza, że para wodna zajmuje około 100 części na milion objętości mieszaniny gazów w określonych warunkach pomiaru.

Nie oznacza tokoniecznieże cała komora GIS zawiera tylko stałą ilość wody równą obliczonej ilości wody w fazie gazowej.

To rozróżnienie jest ważne, ponieważ wilgoć może być również absorbowana lub adsorbowana przez materiały izolacyjne, uszczelki i powierzchnie wewnętrzne.

2. Punkt rosy a ppmv

Punkt rosy i ppmv opisują wilgoć w różny sposób.

Punkt rosy

Punktrosyto temperatura, w której para wodna zaczyna kondensować przy określonym ciśnieniu.

Niższy punkt rosy zazwyczaj wskazuje na niższy poziom wilgoci.

Na przykład SF₆ o punkcie rosy −40°C jest znacznie suchszy niż SF₆ o punkcie rosy −20°C.

ppmv

ppmv (części na milion objętości)bezpośrednio wyraża względne stężenie pary wodnej w gazie.

Jednak punkt rosy i ppmv nie powinny być traktowane jako zamienne stałe wartości.

Zależność między punktem rosy a stężeniem wilgoci zależy od czynników takich jakciśnienie, temperatura i właściwości termodynamiczne mieszaniny gazów.

Dlatego przy przeliczaniu pomiaru punktu rosy na stężenie wilgoci, warunki pomiaru muszą być jasno zdefiniowane.

3. Jak obliczyć ilość pary wodnej

Jeśli stężenie wilgoci jest już dostępne w ppmv, przybliżoną ilość pary wodnej w komorze GIS lub GIL można obliczyć za pomocą równania gazu doskonałego.

Całkowita ilość gazu wynosi:

n = PV / RT

gdzie:

• n= całkowita ilość gazu, mol
• P= ciśnienie absolutne, Pa
• V= objętość gazu, m³
• R= uniwersalna stała gazowa, 8,314 J/(mol·K)
• T= temperatura absolutna, K

Jeśli stężenie wilgoci wynosiC ppmv, przybliżona ilość pary wodnej wynosi:

n(H₂O) = n * C / 1 000 000

Odpowiadająca masa wody wynosi:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18,015 g/mol

Daje to oszacowanie pary wodnej zawartej w fazie gazowej.

4. Przykład: Komora GIS o objętości 1 m³

Rozważmy uproszczony przykład.

Komora GIS ma:

• Objętość gazu:1 m³
• Ciśnienie absolutne SF₆:0,6 MPa
• Temperatura gazu:20°C
• Stężenie wilgoci:100 ppmv

Najpierw przeliczamy temperaturę:

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Używając:

n = PV / RT

otrzymujemy w przybliżeniu:

n ≈ 246 mol

Ilość pary wodnej wynosi zatem w przybliżeniu:

246 * 100 / 1 000 000 = 0,0246 mol

Używając masy molowej wody:

m ≈ 0,0246 * 18,015 ≈ 0,44 g

Dlatego w tych konkretnych warunkach faza gazowa zawiera około:

0,44 g pary wodnej

Ten przykład ilustruje ważny punkt: nawet stosunkowo niskie stężenie wilgoci może odpowiadać mierzalnej ilości wody, gdy objętość i ciśnienie gazu są znaczące.

5. Dlaczego ciśnienie i temperatura mają znaczenie

Powyższe obliczenia nie mogą być uniwersalnie stosowane do każdego systemu GIS lub GIL.

Dla tej samej objętości gazu i stężenia wilgoci, zwiększenie ciśnienia absolutnego zwiększa całkowitą ilość gazu zawartego w komorze, a tym samym zwiększa odpowiadającą ilość pary wodnej.

Temperatura również wpływa na zależność między właściwościami gazu, ciśnieniem pary i punktem rosy.

Dlatego właściwa ocena wilgotności powinna obejmować co najmniej:

• Ciśnienie gazu
• Temperatura gazu
• Objętość gazu, gdy szacowana jest całkowita ilość wody
• Stężenie wilgoci lub punkt rosy
• Warunki pomiaru

W praktycznych testach SF₆ należy również wziąć pod uwagę metodę pomiaru analizatora i warunki pobierania próbek.

6. Czy obliczona wartość reprezentuje całą wodę wewnątrz GIS?

Nie.

To prawdopodobnie najważniejszy punkt przy interpretacji pomiarów wilgotności SF₆.

Obliczona wartość stanowi oszacowaniepary wodnej obecnej w fazie gazowej.

System GIS lub GIL może również zawierać wilgoć związaną z:

• Stałe materiały izolacyjne
• Wewnętrzne powierzchnie metalowe
• Materiały uszczelniające
• Adsorbowana wilgoć powierzchniowa
• Wilgoć resztkowa wprowadzona podczas produkcji lub instalacji

Materiały te mogą stopniowo uwalniać wilgoć do gazu SF₆.

W rezultacie odczyty wilgotności mogą się zmieniać po rozruchu, napełnieniu gazem, ewakuacji lub operacjach suszenia.

Na przykład GIS może początkowo wykazywać stosunkowo niski odczyt wilgotności po wysuszeniu, ale wartość ta może później wzrosnąć, gdy wilgoć resztkowa migruje z materiałów wewnętrznych do gazu SF₆.

Dlatego testowanie wilgotności to nie tylko jednorazowe obliczenie.Monitorowanie trendów i właściwe procedury rozruchu są równie ważne.

7. Jak mierzy się wilgotność SF₆ w praktyce?

W terenie inżynierowie zazwyczaj używają analizatora gazu SF₆ do pomiaru parametrów takich jak:

• Czystość SF₆
• Punkt rosy / wilgotność
• SO₂
• Inne produkty rozkładu, w zależności od konfiguracji analizatora

W przypadku rutynowego rozruchu i konserwacji GIS i GIL, przenośne analizatory pozwalają inżynierom na wykonywanie pomiarów bezpośrednio na urządzeniu bez usuwania całej ładunku gazu.

Wielofunkcyjny analizator może być szczególnie przydatny, ponieważ jakość gazu rzadko zależy tylko od wilgotności.

Na przykład, Analizator gazu SF₆ KS30-3 firmy KSTONE jest przeznaczony do rutynowych badań jakości gazu SF₆, łącząc w jednym urządzeniu pomiary takie jak czystość SF₆, punkt rosy i SO₂.

W przypadku zastosowań wymagających różnych parametrów jakości gazu, seria modułowych analizatorów gazu SF₆ KS30 może być skonfigurowana zgodnie z wymaganiami testowymi klienta.

8. Od pomiaru wilgotności do zarządzania jakością gazu

Kontrola wilgotności powinna być traktowana jako część szerszej strategii zarządzania gazem SF₆.

Typowy przepływ pracy dotyczący jakości gazu GIS/GIL może obejmować:

Napełnianie gazem → pomiar rozruchowy → inspekcja okresowa → odzysk gazu → badanie jakości gazu → obróbka lub oczyszczanie → ponowne użycie

Podczas tych procesów dokładny pomiar wilgotności pomaga inżynierom określić, czy gaz SF₆ nadaje się do dalszego użytku, czy wymaga dalszej obróbki.

W połączeniu z urządzeniami do odzysku i obsługi gazu SF₆, analiza wilgotności może również wspierać bardziej systematyczne zarządzanie gazem i zmniejszać niepotrzebne straty SF₆.

Wniosek

Obliczanie wilgotności w urządzeniach GIS i GIL wypełnionych SF₆ wymaga więcej niż tylko odczytania liczby z analizatora.

Punkt rosy, ppmv, ciśnienie, temperatura i objętość gazu są ze sobą ściśle powiązane, a każdy parametr dostarcza różnych informacji o stanie gazu.

Jeśli stężenie wilgoci jest znane w ppmv, równanie gazu doskonałego może być użyte do oszacowania ilości pary wodnej w fazie gazowej. Jednakże, tej obliczonej wartości nie należy mylić z całkowitą ilością wilgoci zawartej w całym systemie GIS lub GIL.

Dla niezawodnego zarządzania gazem SF₆ kluczowe są dokładne pomiary, spójne warunki pobierania próbek i właściwa interpretacja wyników.

KSTONE dostarcza analizatory gazu SF₆ i sprzęt do obsługi gazu dla GIS, GIL i innych urządzeń elektrycznych z izolacją SF₆, wspierając inżynierów wbadaniach jakości gazu SF₆, odzysku, obróbce i ponownym użyciu.