减压阀降温对SF6气体水分检测的影响

易 锫，耿学军，曹 忺

（1. 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2. 黄冈大别山发电有限责任公司，湖北 黄冈438300；3. 国网湖北省电力有限公司黄石供电公司，湖北 黄石435000）

0 引言

六氟化硫（SF6）绝缘气体中水分含量对其绝缘性能有显著影响，为保证电气设备的安全运行，国内外相关机构都对电气设备中使用的SF6气体含水量进行了规定并制定了相应的标准。SF6电气设备中含有的微量水分如果超标，将会参与SF6电弧分解气的水解反应，生成有害的低氟化合物和具有腐蚀作用的酸性物质，影响设备的使用寿命，危害运行人员的安全，因此SF6气体中水分含量的准确测量十分重要［1］。在进行SF6水分检测时，环境温度对测量结果的影响十分明显［2］，自1992年DL/T 506 标准颁布以来，各地方对“环境温度对SF6气体湿度的影响”做了大量研究［3］，得出了环境温度影响SF6气体湿度的原因和影响方式，并总结出了多种折算公式，环境温度对SF6湿度的影响应当加强关注，在进行SF6水分检测时，工作人员需要时刻注意环境温度并记录、查询湿度折算表，以求得SF6在统一温度下的体积比，表述诸如20 ℃时、20 ℃的体积分数［4］。

1 实验设计

1.1 实验环境

所有实验在1～2 h 内进行完毕，室内大气环境保持相对稳定。

1.2 实验材料和样品

氮气（纯度99.9%），高纯氮气［8］（纯度99.999%）。

1.3 实验仪器

冷镜式镜面露点仪，先导式氧气减压阀［9］，红外点温枪，由高压聚四氟乙烯管道和带金属密封圈的不锈钢螺帽组成的气体检测管道，汽车防冻液，隔热泡沫。

1.4 实验准备

每次测试之前先用高纯氮气充分冲洗测试管路，以吹尽管路中的湿气，然后短时间内将测试管路复原，在吹湿过程中准备好降温冰袋备用。使用同型号减压阀作为模具，将防冻液用薄橡胶袋装好（装载容量为橡胶袋的75%）作为冷源，将冷源和减压阀叠放在一起，然后置于冰箱中冷冻，这样得到可将减压阀充分包裹降温的降温套。

1.5 实验步骤

使用氮气（纯度99.9%）作为样气进行实验，测试管路（见图1）上设置旁通路径以平衡测试压力。

图1 测试流程图Fig.1 Test flow chart

使用准备好的冷源将减压阀进行连续降温，将测试管路用隔热材料充分包裹以减小环境温度对测试气体的影响［10］，在此过程中对每个温度检测点进行露点检测，得出减压阀在各温度下样气的露点值。每次测试过程中将备用减压阀用高纯氮气充分除湿以备用。

2 实验检测结果和分析

实验将温度梯度设定为5 ℃，增加测量节点之间的温度跨度范围，在更大的温度范围内进行温度-露点的对应测量，以此得到检测露点的变化规律。

2.1 实验过程

2.1.1 测量样气的真实湿度

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待检测管路连接上高纯氮气进行除湿操作后，将管路连接到测试样气钢瓶上。为保持标准数据的可追溯性，首先测得环境温度为20 ℃时样气的露点值［11］作为标准（见表1）。

表1 样气标准露点值（℃）Table 1 Standard dew point value of sample gas

2.1.2 测量减压阀降温时样气的湿度

保持检测设备的通气状态，将减压阀用防冻液胶套持续降温，每隔1 min用红外点温枪依次测量阀体的背面、侧面、正面温度，待减压阀表面温度约为15 ℃时开始检测样气露点值。接下来依次测得阀温为10 ℃，5 ℃，0 ℃，-0.5 ℃时样气的露点值。

安装好备用减压阀，重复以上检测流程，第二次测得各温度下样气的露点，以此重复检测多次，以标准状态（20 ℃）下的算术平均值作为检测结果，检测结果见表2。

表2 各阀温下测得的露点值（℃）Tab.2 Dew point measured at each valve temperature

可以看出：随着温度的逐渐下降，测试样气的露点值也是逐渐降低的，这就说明在进行气体含水量检测时，如果减压阀发生了降温现象将对气体含水量检测造成干扰。

2.2 降温现象产生的原因

高压气体钢瓶在大量放气的过程中，瓶体或者减压阀降温结露是一种常见现象，在大流量放气状态下甚至会在放气口出现结霜，对于产生此现象的原因可以用节流效应［12］来解释。所谓节流效应也可称为节流膨胀或者焦耳-汤姆逊效应［13］，当高压气体由于局部阻力向低压区膨胀，同时体系出现降温的现象，这种现象又被称为节流冷效应。节流效应先后存在或者不存在温度变化，可分为三种情况。如果节流后的温度高于节流前的温度，即JT＜0，则有节流热效应；如果JT＞0，则有节流冷效应；如果JT=0，则有节流零效应［14］。往往在现实情况下发生的是节流冷效应。对于减压阀来说，气体在通过减压阀管道后体积变大温度下降的现象，发生在低压气室，此处也是降温核心。减压阀都是金属材质是热的良导体，在低压区的降温核心发生温降后阀壳必将与其发生热交换，以至于减压阀发生降温从而出现冷凝现象。

气体湿度的检测是指检测空气或者其它气体中存在的水蒸气。通过上面的公式可以看出，焦耳-汤姆逊效应与气体的化学特性无关，SF6气体是一种无色、无味、无毒、不燃的气体，它非常稳定并且具有惰性，这些性质是与氮气相同的。因此从化学角度来说，使用氮气代替SF6气体并不会对实验结果产生颠覆性的影响。

同时，高纯氮的水分含量测定方法与SF6气体相同［15］，特别是实验设计中使用的冷镜式镜面露点仪在GB/T 12022 和GB/T 8979 都有明确表述。而且用氮气替代法避免了SF6这种温室气体的使用［16-17］，没有SF6排放和泄漏风险。在一些高纬度地区高海拔地区，为了解决SF6设备在低温使用的适应性，多采用SF6混合气体来替代纯SF6气体，其中一种具有广泛实用性的混合气就是SF6/N2混合气体，其水分检测技术与纯SF6、纯N2检测技术完全相同［18］。进行SF6水分检测设备校验时，必须进行痕量水分的测试比对，综合各种因素的考虑后通常也是使用高纯度的氮气作为载气，由于水是气体中最难以除去的杂质之一［19］，近些年研发的新型湿度仪校验装置，一般都会在气体上游加装纯化设备以确保所使用的气体纯度，用高纯度的氮气作载气优势显现。

而低压气室的温度能够不断降低，以至于发生结霜，是因为气体流速越快，气体体积膨胀做功越多，气体降温就越快，减压阀体降温也越快。

由此可知在实际气体检测工作中，由于所使用的减压阀的热交换功率不变，随着检测时间的延长，阀体必然发生降温现象。而且减压阀表面出现结霜将大大降低热交换效率，从此时开始减压阀降温将出现恶性循环，最终可能导致减压阀出气口积冰堵塞［20］。

2.3 对气体湿度检测工作的影响

低温会使含水气体在相对湿度低于100%时发生冷凝作用，减压阀低压气室内壁温度持续降低将使气流附面层［21］（Boundary layer）温度降低，低温使附面层的水汽极易达到饱和状态，从而使气体中的部分水分结露滞留，减少通过管路前往检测腔的气体的含水量，从而造成检测误差。

遇低温的含水气体将导致水的饱和蒸汽压降低，水从气体中析出，见下式［22］

式（1）中：Dv为绝对湿度（kg/m3）；Ed为在露点温度T下的饱和水蒸气压（Pa）；Mv为水蒸气的摩尔质量（18.02 kg/mol）；T为气样温度（K）；R为摩尔气体常数（8.314 J/（mol·K））。

由公式（1）可知，若将表3 中的数据带入其中，那么绝对湿度随着温度降低将不断变小，也就是说在气流和减压阀降温面的接触位置附近，气流中的水蒸气将出现冷凝，如果滞留在附面层将使气流整体的绝对湿度减小，从而造成在不同阀温情况下，样气含水量会出现表2中的趋势。

表3 水的饱和蒸汽压[22]Table 3 Saturated vapor pressure of water

2.4 对检测设备的影响

常用的湿度测量方法从原理上分为干湿球法、电解法、冷镜法、阻容法、机械法、光学法等［23］，其中电解法、冷静法、阻容法是SF6水分检测项目中使用较多的方法。由于节流效应的原因，减压阀的流量越大气流降温越严重。因此，对检测气体的流量要求直接限制了检测设备的选择范围，在常用方法中电解法对流量要求最小，在测量中最不容易出现节流降温现象，因此在新的标准中，着重强调了电解法作为水分检测的方法［24］。电解法属于绝对测量法，电解电量直接与被测气体中的水分含量相对应［24］，其检测过程利用小电流更易测出精确的检测结果，并且无需校准，也不用频繁标定，理论上其检测误差是几种水分测试方法中最小的。在《工业六氟化硫》和《气体中微量水分的测定》里都将其作为仲裁法使用。

对于使用冷凝露点法的冷镜式露点仪来说，当被测气流经露点冷镜室的冷凝镜，经降低镜面温度使得样气达到饱和结露状态［25］，测量冷凝镜此时的温度即是样气的露点。但是此种设备存在一个固有的缺点，它对于过于纯净的气体（高纯度工业SF6即是）来说在镜面上容易形成过冷水，过冷液体的状态是不稳定的是属于一种亚稳态［26］，只需要极微量的该种液体的晶体便能诱发结晶［27］。由于减压阀低压腔内表面并不规则，在大气流通过时内部呈现紊流状态，而钢瓶减压阀内表面产生的过冷水不断积累，在高流速气流的吹扫下可能挥发、脱离附着，进而以进入检测气流中，造成气流瞬时含水量增大。这种状况将使露点仪制冷系统为达到“液-气”平衡，疲于变换热交换功率，使检测出现响应慢、系统振荡、长时间测不出值以致受到波动的环境因素影响［28-29］，最终很难达到平衡态，使检测时间延长或者直接导致检测失败。同时，SF6的熔点为-50.8 ℃，在-53 ℃附近会发生液化，对于工业级SF6规定的水露点（-49.7 ℃）恰好与其接近，因此SF6会干扰水露点的观察［30］。

2.5 湿度仪校验设备

一般在对二级设备进行校验时采用平行取气的方法对比检测数值，湿度仪校验的一级设备允差较小，并且在相对高湿测量范围内的允差会进一步严格要求。因此在设计湿度仪校验设备时，取气管路内表面状况不宜太过复杂，应该避免内壁出现过多突起和弯折，平行测量通道应该尽量长度相等。在进行湿度仪校验工作时，需要注意一级设备对检测流量的要求，特别在高湿比对检测时不能对检测腔造成压力波动，气体流速不宜太快。

2.6 对检测环境的依赖

那么在类似秋冬季节下进行水分检测时，低温环境造成钢瓶和减压阀等设备本身温度较低，在长时间或者大流量的检测情况下，尤其需要注意这种减压阀降温对检测结果带来的影响。这时对检测环境的要求就比在温暖气候时的要高，户外检测如果过程太长将使水分检测结果一直出现下行趋势，等待最终的稳定需要很长时间，而鉴于本文前述所说明的原因，此时必须控制减压阀的工作温度，调整检测场所、检测环境、控制减压阀的温度都是实际有效的方法。

3 结论

本文通过实验分析了在检测气体的水分含量时，减压阀降温现象的发生原理，及其对最终检测结果的影响。通过对检测结果的分析可以看出，当气体从钢瓶出气口涌向减压阀的低压气室时，所造成的节流效应是减压阀降温的原因。减压阀内的低压气室是主要降温区，由于检测管路结构的原因，这个节流效应无法完全消除，对气体湿度检测的影响主要关联于检测流量的大小。因此，在对SF6进行湿度检测时，应当参照最新的检测标准选择检测设备，着重关注检测流量的控制，将节流效应的影响降低到最小。