減壓閥降溫對SF6氣體水分檢測的影響

易 锫，耿學軍，曹 忺

（1. 國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2. 黃岡大別山發電有限責任公司，湖北 黃岡438300；3. 國網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其絕緣性能有顯著影響，為保證電氣設備的安全運行，國內外相關機構都對電氣設備中使用的SF6氣體含水量進行了規定并制定了相應的標準。SF6電氣設備中含有的微量水分如果超標，將會參與SF6電弧分解氣的水解反應，生成有害的低氟化合物和具有腐蝕作用的酸性物質，影響設備的使用壽命，危害運行人員的安全，因此SF6氣體中水分含量的準確測量十分重要［1］。在進行SF6水分檢測時，環境溫度對測量結果的影響十分明顯［2］，自1992年DL/T 506 標準頒布以來，各地方對“環境溫度對SF6氣體濕度的影響”做了大量研究［3］，得出了環境溫度影響SF6氣體濕度的原因和影響方式，并總結出了多種折算公式，環境溫度對SF6濕度的影響應當加強關注，在進行SF6水分檢測時，工作人員需要時刻注意環境溫度并記錄、查詢濕度折算表，以求得SF6在統一溫度下的體積比，表述諸如20 ℃時、20 ℃的體積分數［4］。

1 實驗設計

1.1 實驗環境

所有實驗在1～2 h 內進行完畢，室內大氣環境保持相對穩定。

1.2 實驗材料和樣品

氮氣（純度99.9%），高純氮氣［8］（純度99.999%）。

1.3 實驗儀器

冷鏡式鏡面露點儀，先導式氧氣減壓閥［9］，紅外點溫槍，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管道，汽車防凍液，隔熱泡沫。

1.4 實驗準備

每次測試之前先用高純氮氣充分沖洗測試管路，以吹盡管路中的濕氣，然后短時間內將測試管路復原，在吹濕過程中準備好降溫冰袋備用。使用同型號減壓閥作為模具，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 實驗步驟

使用氮氣（純度99.9%）作為樣氣進行實驗，測試管路（見圖1）上設置旁通路徑以平衡測試壓力。

圖1 測試流程圖Fig.1 Test flow chart

使用準備好的冷源將減壓閥進行連續降溫，將測試管路用隔熱材料充分包裹以減小環境溫度對測試氣體的影響［10］，在此過程中對每個溫度檢測點進行露點檢測，得出減壓閥在各溫度下樣氣的露點值。每次測試過程中將備用減壓閥用高純氮氣充分除濕以備用。

2 實驗檢測結果和分析

實驗將溫度梯度設定為5 ℃，增加測量節點之間的溫度跨度范圍，在更大的溫度范圍內進行溫度-露點的對應測量，以此得到檢測露點的變化規律。

2.1 實驗過程

2.1.1 測量樣氣的真實濕度

韓國高校學術道德教育課程形式多樣，內容豐富。從培訓對象看，有為高校教師開設的培訓課程，還有為高校學術道德管理部門工作人員開設的培訓課程。從內容看，有學術道德規范普及型課程，有具體專業領域的學術道德規范課程等。從授課方式看，既有線上課程，又有線下課程。從資費看，既有免費課程，亦有付費課程。從課程具體形式看，既有定期課程與長期課程，還有報告、演講、學術討論等。

待檢測管路連接上高純氮氣進行除濕操作后，將管路連接到測試樣氣鋼瓶上。為保持標準數據的可追溯性，首先測得環境溫度為20 ℃時樣氣的露點值［11］作為標準（見表1）。

表1 樣氣標準露點值（℃）Table 1 Standard dew point value of sample gas

2.1.2 測量減壓閥降溫時樣氣的濕度

保持檢測設備的通氣狀態，將減壓閥用防凍液膠套持續降溫，每隔1 min用紅外點溫槍依次測量閥體的背面、側面、正面溫度，待減壓閥表面溫度約為15 ℃時開始檢測樣氣露點值。接下來依次測得閥溫為10 ℃，5 ℃，0 ℃，-0.5 ℃時樣氣的露點值。

安裝好備用減壓閥，重復以上檢測流程，第二次測得各溫度下樣氣的露點，以此重復檢測多次，以標準狀態（20 ℃）下的算術平均值作為檢測結果，檢測結果見表2。

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

可以看出：隨著溫度的逐漸下降，測試樣氣的露點值也是逐漸降低的，這就說明在進行氣體含水量檢測時，如果減壓閥發生了降溫現象將對氣體含水量檢測造成干擾。

2.2 降溫現象產生的原因

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露是一種常見現象，在大流量放氣狀態下甚至會在放氣口出現結霜，對于產生此現象的原因可以用節流效應［12］來解釋。所謂節流效應也可稱為節流膨脹或者焦耳-湯姆遜效應［13］，當高壓氣體由于局部阻力向低壓區膨脹，同時體系出現降溫的現象，這種現象又被稱為節流冷效應。節流效應先后存在或者不存在溫度變化，可分為三種情況。如果節流后的溫度高于節流前的溫度，即JT＜0，則有節流熱效應；如果JT＞0，則有節流冷效應；如果JT=0，則有節流零效應［14］。往往在現實情況下發生的是節流冷效應。對于減壓閥來說，氣體在通過減壓閥管道后體積變大溫度下降的現象，發生在低壓氣室，此處也是降溫核心。減壓閥都是金屬材質是熱的良導體，在低壓區的降溫核心發生溫降后閥殼必將與其發生熱交換，以至于減壓閥發生降溫從而出現冷凝現象。

氣體濕度的檢測是指檢測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-湯姆遜效應與氣體的化學特性無關，SF6氣體是一種無色、無味、無毒、不燃的氣體，它非常穩定并且具有惰性，這些性質是與氮氣相同的。因此從化學角度來說，使用氮氣代替SF6氣體并不會對實驗結果產生顛覆性的影響。

同時，高純氮的水分含量測定方法與SF6氣體相同［15］，特別是實驗設計中使用的冷鏡式鏡面露點儀在GB/T 12022 和GB/T 8979 都有明確表述。而且用氮氣替代法避免了SF6這種溫室氣體的使用［16-17］，沒有SF6排放和泄漏風險。在一些高緯度地區高海拔地區，為了解決SF6設備在低溫使用的適應性，多采用SF6混合氣體來替代純SF6氣體，其中一種具有廣泛實用性的混合氣就是SF6/N2混合氣體，其水分檢測技術與純SF6、純N2檢測技術完全相同［18］。進行SF6水分檢測設備校驗時，必須進行痕量水分的測試比對，綜合各種因素的考慮后通常也是使用高純度的氮氣作為載氣，由于水是氣體中最難以除去的雜質之一［19］，近些年研發的新型濕度儀校驗裝置，一般都會在氣體上游加裝純化設備以確保所使用的氣體純度，用高純度的氮氣作載氣優勢顯現。

而低壓氣室的溫度能夠不斷降低，以至于發生結霜，是因為氣體流速越快，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。

由此可知在實際氣體檢測工作中，由于所使用的減壓閥的熱交換功率不變，隨著檢測時間的延長，閥體必然發生降溫現象。而且減壓閥表面出現結霜將大大降低熱交換效率，從此時開始減壓閥降溫將出現惡性循環，最終可能導致減壓閥出氣口積冰堵塞［20］。

2.3 對氣體濕度檢測工作的影響

低溫會使含水氣體在相對濕度低于100%時發生冷凝作用，減壓閥低壓氣室內壁溫度持續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到飽和狀態，從而使氣體中的部分水分結露滯留，減少通過管路前往檢測腔的氣體的含水量，從而造成檢測誤差。

遇低溫的含水氣體將導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為絕對濕度（kg/m3）；Ed為在露點溫度T下的飽和水蒸氣壓（Pa）；Mv為水蒸氣的摩爾質量（18.02 kg/mol）；T為氣樣溫度（K）；R為摩爾氣體常數（8.314 J/（mol·K））。

由公式（1）可知，若將表3 中的數據帶入其中，那么絕對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冷凝，如果滯留在附面層將使氣流整體的絕對濕度減小，從而造成在不同閥溫情況下，樣氣含水量會出現表2中的趨勢。

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

2.4 對檢測設備的影響

常用的濕度測量方法從原理上分為干濕球法、電解法、冷鏡法、阻容法、機械法、光學法等［23］，其中電解法、冷靜法、阻容法是SF6水分檢測項目中使用較多的方法。由于節流效應的原因，減壓閥的流量越大氣流降溫越嚴重。因此，對檢測氣體的流量要求直接限制了檢測設備的選擇范圍，在常用方法中電解法對流量要求最小，在測量中最不容易出現節流降溫現象，因此在新的標準中，著重強調了電解法作為水分檢測的方法［24］。電解法屬于絕對測量法，電解電量直接與被測氣體中的水分含量相對應［24］，其檢測過程利用小電流更易測出精確的檢測結果，并且無需校準，也不用頻繁標定，理論上其檢測誤差是幾種水分測試方法中最小的。在《工業六氟化硫》和《氣體中微量水分的測定》里都將其作為仲裁法使用。

對于使用冷凝露點法的冷鏡式露點儀來說，當被測氣流經露點冷鏡室的冷凝鏡，經降低鏡面溫度使得樣氣達到飽和結露狀態［25］，測量冷凝鏡此時的溫度即是樣氣的露點。但是此種設備存在一個固有的缺點，它對于過于純凈的氣體（高純度工業SF6即是）來說在鏡面上容易形成過冷水，過冷液體的狀態是不穩定的是屬于一種亞穩態［26］，只需要極微量的該種液體的晶體便能誘發結晶［27］。由于減壓閥低壓腔內表面并不規則，在大氣流通過時內部呈現紊流狀態，而鋼瓶減壓閥內表面產生的過冷水不斷積累，在高流速氣流的吹掃下可能揮發、脫離附著，進而以進入檢測氣流中，造成氣流瞬時含水量增大。這種狀況將使露點儀制冷系統為達到“液-氣”平衡，疲于變換熱交換功率，使檢測出現響應慢、系統振蕩、長時間測不出值以致受到波動的環境因素影響［28-29］，最終很難達到平衡態，使檢測時間延長或者直接導致檢測失敗。同時，SF6的熔點為-50.8 ℃，在-53 ℃附近會發生液化，對于工業級SF6規定的水露點（-49.7 ℃）恰好與其接近，因此SF6會干擾水露點的觀察［30］。

2.5 濕度儀校驗設備

一般在對二級設備進行校驗時采用平行取氣的方法對比檢測數值，濕度儀校驗的一級設備允差較小，并且在相對高濕測量范圍內的允差會進一步嚴格要求。因此在設計濕度儀校驗設備時，取氣管路內表面狀況不宜太過復雜，應該避免內壁出現過多突起和彎折，平行測量通道應該盡量長度相等。在進行濕度儀校驗工作時，需要注意一級設備對檢測流量的要求，特別在高濕比對檢測時不能對檢測腔造成壓力波動，氣體流速不宜太快。

2.6 對檢測環境的依賴

那么在類似秋冬季節下進行水分檢測時，低溫環境造成鋼瓶和減壓閥等設備本身溫度較低，在長時間或者大流量的檢測情況下，尤其需要注意這種減壓閥降溫對檢測結果帶來的影響。這時對檢測環境的要求就比在溫暖氣候時的要高，戶外檢測如果過程太長將使水分檢測結果一直出現下行趨勢，等待最終的穩定需要很長時間，而鑒于本文前述所說明的原因，此時必須控制減壓閥的工作溫度，調整檢測場所、檢測環境、控制減壓閥的溫度都是實際有效的方法。

3 結論

本文通過實驗分析了在檢測氣體的水分含量時，減壓閥降溫現象的發生原理，及其對最終檢測結果的影響。通過對檢測結果的分析可以看出，當氣體從鋼瓶出氣口涌向減壓閥的低壓氣室時，所造成的節流效應是減壓閥降溫的原因。減壓閥內的低壓氣室是主要降溫區，由于檢測管路結構的原因，這個節流效應無法完全消除，對氣體濕度檢測的影響主要關聯于檢測流量的大小。因此，在對SF6進行濕度檢測時，應當參照最新的檢測標準選擇檢測設備，著重關注檢測流量的控制，將節流效應的影響降低到最小。