В последние годы онлайн мониторинг температуры конденсации или «точки росы» элегаза SF6 получает все более широкое
распространение. Однако факторы, влияющие на надежность онлайн измерений в условиях отсутствия потока газа, не так хорошо известны. В данной статье объясняется переходное поведение водяного пара и влаги, а также рассматривается их фундаментальное влияние на процесс установки, конструкцию установки и выбор соединительных и уплотнительных материалов.

В целях поддержания изоляционных свойств SF6 и снижения образования коррозионных побочных продуктов при разложении SF6 необходимо свести к минимуму количество водяного пара в высоковольтном элегазовом оборудовании.

Несмотря на факт того, что первоначально происходит заполнение сухим газом и оборудование является закрытым, при повышенном давлении без внешнего потока газа высокая проникающая способность молекул воды может повысить уровень влажности, особенно по мере длительного эксплуатационного периода оборудования.

Традиционно уровень влажности проверялся с помощью периодически отбираемых проб газа, однако в последние годы все более широкое распространение получают системы мониторинга состояния, которые включают приборы онлайн контроля для измерения точки росы SF6. Однако стало очевидно, что такой метод имеет сложности, которые значительно отличаются от тех, которые встречаются в более стандартных методах промышленного измерения точки росы или основных параметров, таких как давление и температура в элегазовом оборудовании SF6. В частности, метод установки, материалы, используемые в
измерительной системе, и типы разъемов имеют решающее значение для определения того, действительно ли измерения обеспечивают получение необходимых ценных данных для управления ресурсами. Кроме того, удаленное расположение оборудования часто предъявляет высокие требования к стабильности и длительности срока обслуживания КИА, используемых для мониторинга состояния высоковольтных ресурсов.

Давление водяного пара и точка росы

Водяной пар существует повсеместно и всегда является частью общего давления газа — например, атмосферного давления или системного давления в элегазовом оборудовании. Точка росы/температура замерзания (Td/f) определяется как температура, при которой парциальное давление водяного пара (pw) газа равно давлению насыщения паром (pws). Другими словами, точка росы — это температура, до которой газ должен охлаждаться, чтобы водяной пар конденсировался в
росу или холод →

Точка росы не является температурозависимым параметром, поэтому ее можно измерить, взяв пробу газа при температуре, отличной от температуры системы. Тем не менее, точка росы сильно зависит от давления, поэтому очень важно убедиться, что она измеряется при том же давлении, что и основной объем газа, или знать точные значения давления, чтобы иметь возможность произвести правильное преобразование значений — например, точка росы при 4 бар или точка росы при атмосферном давлении.

Диффузия паров

В паровой фазе (газ) молекулы воды не связаны между собой, и благодаря небольшому размеру молекул они могут легко перемещаться. Водяной пар стремится к равновесию между различными фазами, поэтому молекулы воды, как правило, мигрируют от более высокого давления пара к более низкому, даже через полимерные материалы, такие как уплотнительные кольца или вдоль металлических поверхностей в местах соединения. Такое поведение также происходит от пониженного общего давления газа до повышенного давления в системе, например, в случае с окружающим воздухом по сравнению с SF6 в высоковольтном оборудовании. Поэтому герметичность не обязательно означает водонепроницаемость.

Диффузионный эффект очень медленный и заметен только при онлайн измерениях небольших объемов статического газа.

Влага переходные процессы

Давление водяного пара в герметичной газовой системе не остается постоянным, даже если диффузия не происходит. Температурные колебания в системе приводят к переходным процессам влажности (испарения) между двумя фазами, т.е. газа и твердых материалов, контактирующих с газом. При повышении температуры твердые материалы выделяют пар в газ, поскольку две различные фазы имеют тенденцию к достижению равновесия влажности, т.е. равновесно-относительной влажности; при понижении температуры происходит обратное. Источниками влаги внутри элегазового оборудования могут быть поры металлических поверхностей и органических материалов, таких как распорки и уплотнительные кольца. Чем больше площадь поверхности твердых материалов по сравнению с объемом газа, тем больше влияние переходных процессов пара на точку росы.

На рисунке 3 показано влияние переходных процессов пара на установку на месте в Финляндии осенью 2010 года. В связи с
тем, что датчик устанавливается в небольшом блоке с длинными трубками, как от основного объема газа, так и от нескольких точек подключения, газ вокруг области датчика не обязательно отражает истинное состояние точки росы внутри главного газового бака.

Точно неизвестно, происходят ли обнаруженные переходные процессы влажности только в основном объеме газа или только вдоль линии отбора проб газа, на которой расположен датчик. Никакие контрольные измерения невозможно было выполнить непосредственно из основного объема газа, так как не было доступного места подключения дополнительного датчика.

Еще одним важным фактором при таких установках является температура. Если датчик устанавливается в удаленном
месте, возможно, что в какой-то момент температура в месте установки датчика будет значительно отличаться от температуры основного газа, поэтому переходные процессы влажности в основном объеме газа и вдоль газопровода приводят к тому, что газ будет иметь значительно отличающиеся уровни влажности. В связи с тем, что диффузия пара в статическом газе является очень медленным процессом, измеренные значения точки росы могут не соответствовать объему основного
газа. Это особенно вероятно в случае постоянных колебаний температуры, которые приводят к непрерывным динамическим переходным процессам влажности, т.е. равновесие не достигается.

Такой тип установки не будет проблематичным в случае измерения давления или плотности, но при измерении точки росы такие установки могут привести к неверным выводам. Объем водяного пара, относящегося к переходным процессам в газовой
магистрали, чрезвычайно мал, но он становится заметным при онлайн измерениях в небольшом объеме статического газа.

Установка онлайн датчика точки росы

При проектировании интерактивной измерительной системы для датчика точки росы в элегазовом оборудовании SF6 следует учитывать основные принципы поведения водяного пара, описанные выше, чтобы обеспечить правильное измерение и, таким образом, сделать правильные выводы.

Традиционно точка росы SF6 измерялась путем взятия пробы газа из резервуара, что означает, что во время этих измерений всегда должен учитываться расход газа. Газовый поток скрывает эффект очень медленной диффузии и переходных процессов паров между газом и твердыми материалами.

До сих пор довольно часто датчики точки росы устанавливались в одном блоке с реле давления или датчиками плотности. Кроме того, эти блоки часто не крепятся непосредственно к основному газовому баку, а соединяются с ним с помощью полимерных или металлических трубок.

Эти различные точки соединения и трубки, вероятно, создадут пространство для диффузии пара и обеспечат среду для переходных процессов влажности. В относительно небольшом объеме статического газа эти эффекты начинают играть доминирующую роль, поэтому установка датчика точки росы описанным выше образом, скорее всего, приведет к измерениям, которые не обязательно обеспечат необходимые ценные данные для управления ресурсами.

Для обеспечения наилучшего онлайн измерения точки росы в элегазовом оборудовании SF6, датчик должен быть установлен как можно ближе к основному объему газа, предпочтительно непосредственно к стенке резервуара. Минимизация количества точек подключения и отказ от использования пластмассовых или резиновых материалов вблизи измерительной ячейки также очень выгодны. В соответствующих случаях предпочтительнее использовать уплотнения типа «металл-металл».

Отклик системы после установки датчика

Время отклика измерения точки росы в элегазовом оборудовании не определяется временем отклика самого датчика, которое обычно измеряется в секундах или минутах. Доминирующим фактором является реакция системы после установки. При установке датчика в точку подключения системы также поступает некоторая начальная влага из окружающего воздуха. Учитывая общий объем SF6, это количество пара ничтожно мало, но с точки зрения датчика внутри измерительной ячейки
эффект хорошо виден и измерим. Для того чтобы давление пара в измерительной ячейке достигло равновесия с основным объемом газа, потребуется достаточно много времени.

Даже если датчик устанавливается очень близко к основному баку, может потребоваться несколько часов или даже дней, чтобы давление пара и, следовательно, точка росы были одинаковыми в обоих объемах газа.

Время реакции системы определяется тем, как быстро измерительная ячейка высыхает до давления пара, равного давлению основного объема SF6 после установки, то есть, как быстро молекулы воды перемещаются из твердых материалов в газ в ячейке, а затем диффундируют из ячейки в бак и, наконец, достигают равновесия. Чем суше газ, тем дольше длится сушка твердых материалов и поверхностей, особенно в статическом газе. Расстояние между этими двумя объемами и сухостью SF6
влияет на скорость диффузии из ячейки обратно в ячейку. Чем дольше расстояние и дольше длится сушка, тем больше
расходуется газ, чтобы получить 100% правильный ответ.

Если через трубку или точки соприкосновения проходит слишком много диффузии, давление пара внутри измерительной ячейки никогда не достигнет равновесия с основным объемом газа, и поэтому измерение не будет отражать истинных условий внутри резервуара.

Поэтому очень важно минимизировать попадание исходной влаги во время монтажа. Во избежание попадания капель воды в разъем датчика, запрещено производить установку в дождливую погоду. Необходимо также следить за тем, чтобы на уплотнительных поверхностях не оставалось пыли или частиц грязи, поскольку они могут в дальнейшем стать средой для диффузии молекул воды, разрушая измерение и, в худшем случае, приводя к смачиванию SF6. В наружных установках следует использовать защиту от дождя, чтобы предотвратить скопление воды в местах соединений и увеличить диффузию пара.

Реакция системы во время работы

Целесообразно понимать, как датчик реагирует, если точка росы основного объема газа SF6 начинает увеличиваться, поскольку непосредственно после установки датчика реакция системы довольно медленная.

Наиболее важным фактором, определяющим такую медленную первоначальную реакцию, является то, что сушка поверхностей твердых материалов (пор) занимает много времени, даже при наличии потока газа, при статической сушке газа требуется значительно больше времени. Это явление оказывает незначительное влияние только в том случае, если газ,
содержащий больше влаги, диффундирует из основного резервуара в более сухую измерительную ячейку, где измеряется точка росы.

Вторым фактором, который следует учитывать, является то, что при большом объеме SF6, увеличение точки росы за счет диффузии через уплотнительные материалы или вдоль металлических поверхностей является очень медленным процессом.

Очевидно, что когда точка росы начинает увеличиваться в основном баке, она также начинает увеличиваться в измерительной ячейке и обнаруживается датчиком более или менее одновременно — при условии, что датчик находится достаточно близко к основному баку.

Вопрос о том, совпадают ли значения точки росы в одно и то же время (реакция 100%), не является актуальным, поскольку именно растущая тенденция указывает на то, что необходимо предпринять корректирующие действия.

Любое быстрое и резкое изменение точки росы указывает на утечку, которая должна быть обнаружена как при измерении точки росы, так и при измерении давления.

Резюме

Чтобы убедиться, что система измерения обеспечивает надежность и достоверность данных о точке росы с минимальной погрешностью, важно обратить особое внимание, как на конструкцию установки датчика точки росы, так и на сам процесс установки. Важнейшим фактором является также качество и долговременная стабильность используемого датчика. Наилучшие результаты измерений достигаются, когда датчик устанавливается непосредственно на главном газовом
баллоне. Используйте только высококачественные металлические материалы, как для разъемов, так и для уплотнения вблизи датчика. Убедившись, что показания датчика достигают значения точки росы основного объема SF6 после установки, можно убедиться, что избыточная диффузия, возникающая через соединения и/или трубопроводы, не нарушает измерения и что
полученные данные надежны в течение длительного времени, что позволяет избежать ложных срабатываний.