SF6气体湿度表示方法的相互转换及其温度折算的Matlab实现

潘 莹

(国网上海市电力公司市南供电公司，上海 201100)

SF6气体湿度表示方法的相互转换及其温度折算的Matlab实现

潘 莹

(国网上海市电力公司市南供电公司，上海 201100)

SF6气体湿度是衡量电气设备绝缘气体质量的重要指标之一。概述了气体湿度的几种表示方法和测试方法，重点强调了表示方法中露点(℃)与体积分数(μL/L)之间的关系，并通过Matlab实现二者的数学换算，利用Matlab二维插值拟合功能实现了气体湿度的温度修正，通过GUIDE建立了SF6气体湿度测量结果修正的一键式计算软件。

电气设备绝缘气体质量；气体湿度；SF6气体湿度

SF6气体质量对于GIS的安全稳定运行非常重要。其中，水分含量高不仅会造成设备内部容易结露，还可促进低氟化合物等其他分解物的水解等[1-4]，是影响SF6气体质量一个非常重要的因素。因此，《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》(GB/T 8905—2012)、《电力设备预防性试验规程》(DL/T 596—1996)和《1 000 kV电气装置安装工程电气设备交接试验规程》(Q/GDW 310—2009)都对安装、大修后的设备气室内的湿度(20 ℃)有严格规定：灭弧室小于150 μL/L，非灭弧室小于250 μL/L；而《输变电设备状态检修试验规程》(Q/GDW 1168—2013)和《运行电气设备中六氟化硫气体质量监督与管理规定》(Q/GDW 471—2010)对带电设备气室内的湿度(20℃)有如下规定：灭弧室小于300 μL/L，非灭弧室小于500 μL/L。《六氟化硫电气设备中绝缘气体湿度测量方法》(DL/T 506—2007)以及文献[5,6]中提出：环境温度对设备中气体湿度有明显影响，测量结果应折算到20℃、101.3 kPa时的数值，如设备生产厂提供折算曲线或图表，可采用厂家的资料进行折算，如若未提供，则推荐使用该标准附录C折算表。

变电站内GIS设备的气室数量众多，在进行SF6气体湿度的带电检测或定期预试时，需要对所测结果进行温度校正。目前，一些仪器可进行自动折算，但均根据拟合公式得到，未采用标准推荐的查表法。而如果通过查表则工作量较大且繁琐。利用数据处理软件Matlab实现气体水分含量的自动转换不但可减轻工作量，还有利于设备中湿度检测结果的准确判断。本工作在实现几种湿度表示方法公式折算的基础之上，利用Matlab的计算替代人工查表的折算方式，实现高效准确的检测结果分析。

1 湿度的表示方法

湿度是指气体中的水汽含量，主要有水蒸气分压、饱和水蒸汽压、露点温度、质量分数、体积分数、绝对湿度、相对湿度等表示方法。

水蒸汽分压力表示的是湿气(体积为V，温度为T)中的水蒸汽于相同V、T条件下单独存在时的压力，即混合气中水蒸气所形成的压力。

在固—气或液—气两相中，当蒸发(升华)速度等于凝结(凝华)速度时，体系达到动态平衡，即饱和，此时的水蒸汽分压称为饱和水蒸汽压，它是温度的单值函数，随温度的升高而增大，它反映了某一温度下，体系中湿度所能达到的最大值。

人为降低体系温度，该体系的饱和蒸汽压分压也随之减小，当温度降低到一定值时，体系中水蒸气分压在低温状态下达到饱和，即湿度达到最大值，气体中的水分就会以露或者霜的形式析出，该温度称为露点温度。

体积分数和质量分数均以“百万分之一”为单位，表示的水汽与其共存的干气的体积和质量之比值。

绝对湿度亦称为水汽浓度和水汽密度，定义是湿气中的水汽质量与湿气总体积之比。

相对湿度也是常用的湿度表示方法。压力为P、温度为T的湿气的相对湿度，是指给定的湿气中，水汽的摩尔分数与同一温度T和压力P下纯水表面的饱和水汽的摩尔分数之比。

目前用于电力行业SF6湿度测试的方法主要有电解法、镜面法、阻容法三种。表1为这三种方法的简单对比。通过表1的对比可知，镜面法的湿度的测试输出方式为露点，其他两种方法的输出方式为体积分数。

表1 三种SF6湿度测量方法的比较

2 测量结果的相互转换

我国现行标准中规定对于SF6电气设备气室内的湿度使用体积分数表示，因此，有必要在不同的表示方法之间建立数学换算公式。实际测试工作中常用仪器的输出方式为体积分数与露点，所以，本工作特指露点与体积分数之间的转换。《气体中微量水分测定——露点法》(GB/T 5832.2—2008)提出了露点换算为体积分数的计算公式和计算值表：

(1)

式中pW——出露温度下冰的饱和蒸汽压，该公式将露点与体积分数的关系转换成饱和蒸汽压与露点温度之间的关系。

对于饱和水蒸气压与温度之间的关系，国际上公认最准确的水汽压公式是1947年国际气象组织发布的Goff-Grattch饱和水汽压方程以及1983年美国气象局发表的Wexler-Greenspan水汽压公式，DL/T 506—2007中附录B也列出了过冷水和冰面上的饱和水蒸气压，该表根据IAPWS参照90国际温标(ITS-90)于1993年发布的方程计算得到，鉴于此，本工作也借鉴该方程：

(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*表示水在三相平衡点时的饱和蒸汽压和温度，K，a1、a2、a3、b1、b2、b3均为常数。

通过Matlab实现上述方程的程序编制，并对露点转换为体积分数后的结果的准确性进行验证。

通过程序的运行可得到露点—μL/L换算曲线，如图1所示。选取其中几组有代表性的计算值见表2。该转换公式的计算结果与《气体中微量水分测定——露点法》附录表A的误差很小，所以该换算结果可信。

图1 Matlab实现的露点—μL/L换算曲线

表2 有代表性的几组换算结果 μL/L

3 折算表的Matlab实现

DL/T 506—2007中折算表的温度范围为15～35℃，湿度值范围是50～1 500 μL/L。该折算表的使用是：当折算值可直接从表中查出，即为折算值；否则可采用线性插值法，计算求值。这种使用方法在数值计算中可采用Matlab中的二维插值实现自动计算。具体程序如下：

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为附录C中所有折算值R(μL/L)，由于数据库内容太多，在此省略；T为测试环境的温度，V为经换算或直接测试的水分含量(μL/L)，Z为经查表折算后的湿度值。

4 换算软件的Matlab实现

4.1 Matlab程序界面设计

通过Matlab提供的GUIDE创建用户界面，如图2所示，其中Dewpoint表示露点法，Sensor表示阻容法，Temperature表示环境温度，Test result表示测试结果。

图2 换算软件的实现界面

4.2 换算软件程序的编制

使用M语言编制以下程序，可实现换算软件的计算，具体如下：

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 换算结果的准确性

分别针对不同测试方法得到的测试结果进行换算，选取了皖电东送沪西站GIS两个气室中的数据，具体如图3以及表3所示，结合图3和表3可知，该计算软件的计算结果与人工查表的结果一致，表明该软件可以替代在日常工作中的人工查表方法。

图3 换算软件计算结果图

表3 换算软件计算结果表

5 结语

通过Matlab的程序编制，实现了SF6气体湿度露点法测试结果换算成体积分数，便于检测结果分析；以及湿度的温度查表折算法的一键式换算，可提高SF6气体绝缘电气设备湿度测试的工作效率。

[1] 黎斌，沈栋良，杨洁. SF6的温度与湿度及其对产品绝缘性能的影响[J]. 高压电器, 2010(1): 97-98.

LI Bin, SHEN Dongliang, YANG Jie. Influence of environmental temperature and humidity of sf6 on insulating properties of SF6 circuit breaker[J].High Voltage Apparatus,2010,46(1).

[2]李义仓，王宏. 水分对SF6电气设备的影响和湿度测量的影响因素分析[J]. 陕西电力, 2007(3): 25-28.

LI Yicang, WANG Hong. Influence of moisture on SF6 gas insulated equipment and analysis of affecting factors for humidity measurement[J]. Shanxi Electric Power,2007,35(3):25-28.

[3]李刚，朱革兰. SF6电器设备中水分控制及湿度超标处理[J]. 高压电器, 2006(2): 139-141.

LI Gang, ZHU Gelan. Moisture control and humidity overproof treatment in SF6 high voltage apparatus[J].High Voltage Apparatus,2006,42(2):139-141

[4]黎斌. 再论SF6气体湿度的监控与限值[J]. 高压电器, 2006(2):109-112.

LI Bin. Further Discussion on monitoring and threshold of moisture in SF6 gas[J].High Voltage Apparatus,2006,42(2):109-112,115

[5]王海军. GIS内SF6气体湿度测量的影响因素及修正方法[J]. 河北电力技术, 2010(1):28-29.

WANG Haijun. Influence factors and revision methods of GIS SF6 humidity monitoring[J]．Hebei Electric Power，2010 (1)：28-29．

[6]李怡辉. SF6气体湿度超标处理及测试影响因素[J]. 新疆电力技术, 2009(2):45-47.

[7]李义仓. 基于饱和水蒸汽压公式的SF6气体绝缘的评价[J]. 华中电力, 2007(1): 65-67.

LI Yicang. The evaluation of SF6 gas insulated based on saturated water vapor pressure formula[J]. Central China Electric Power,2007,20(1):65-67.

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 莹(1988—)，女，硕士，工程师，主要从事配电网设备运维、管理与状态评估工作。

X701.2

A

2095-1256(2017)05-0634-04

2017-08-18

(本文编辑：杨林青)