Методы мониторинга контрольной точки росы элегаза

Мониторинг контрольной точки росы элегаза (SF6) с помощью ряда специальных приборов в последние годы становится все более распространенным. Однако факторы, влияющие на измерения в потоке с учетом окружающей среды, где не производятся никакие перемещения газа, до сих пор досконально не изучены. В этой статье описывается переходный режим водяного пара и влажности, а также рассматривается их влияние на базовые установки и выбор сопряженных материалов.

Таблица 1. Примеры точки росы, относительной влажности и давления пара в газовом резервуаре при температуре +20 и +35  ͦС и относительной влажности от 50 до 80%. Молекулы воды (Н2О) имеют тенденцию двигаться при высоком давлении в точку с более низким давлением для достижения равновесия.

+35 °C

Рисунок 1. Пример: давление водяного пара 0.3 гПа (мбар) и точка росы соответствуют минимальному количеству водяного пара в высоковольтном оборудовании с изоляцией из элегаза.

Хотя оборудование изначально заполнено сухим газом и находится в полностью замкнутом пространстве. Для обеспечения изоляционных свойств элегаза и минимизирования образования коррозийных продуктов, получаемых в результате разложения элегаза (SF6), важно поддерживать высокое давление, без возможности проникновения внешнего газа. Большое количество проникших внутрь молекул воды могут увеличить уровень влажности, в частности ускорить старение оборудования.
Традиционно уровень влажности подтверждался методом периодического взятия проб газа. Но в последние годы системы наблюдения включают в себя ряд приборов для проведения обобщенных измерений точки росы SF6. Тем не менее, очевидно, что этот способ измерения полностью отличается от тех испытаний, которые проводились с помощью промышленных измерений с целью установления основных параметров, таких как точка росы, давление и температура. В особенности, установленный метод предусматривал использование материалов, применяемых в измерительной системе, и вида соединительных устройств для определения критических точек росы. Это позволяло оценить, являются ли измерения точными на самом деле и дают ли они необходимые данные для управления оборудованием. Кроме того, удаленное месторасположение часто накладывает определенные требования с точки зрения стабильной работы и длительности эксплуатации приборов, применяемых для мониторинга оборудования.

Давление и точка росы водяного пара

Пар вездесущий и везде содействует общему давлению газа. Например, в атмосферном давлении (барометрическом) или во внутреннем давлении газовой изоляции оборудования (ГЦОС).
Точка росы/инея (Td/f)определяется как температура, при которой парциальное давление водяного пара (Рw) в газе является равным давлению насыщенного пара (PWS). Другими словами, точка росы – это температура, при которой водяной пар должен охладиться до такого состояния, что он конденсируется с образованием воды или инея.

Pw = Pws(Td/f)

Точка росы – параметр, независящий от температуры. Его также можно измерить путем предварительных  вычислений образцов газа, взятых в этой системе при различных температурах. Он сильно зависим от давления, поэтому важно убедиться, что все измерения проводятся при одном и том же давлении и объеме основного газа. Либо нужно знать точное значения давления для того, чтобы правильно рассчитать преобразование. Например, точка росы при давлении 4 бара или при атмосферном давлении.

Диффузия испарения

Рисунок 2: внешняя установка с блоком измерительных преобразователей.
В фазе парообразования (газ) молекулы воды вследствие их малого молекулярного размера слабо связаны между собой и могут легко перемещаться. Пар имеет тенденцию балансировать между различными фазами и мигрировать от высокого давления к более низкому через те же полимерные материалы, из которых выполнены пломбы или соединительные места металлических поверхностей. Это также происходит при переходе от полного низкого давления газа к более высокому давлению в системе в случае, если контраста окружающего воздуха и элегаза в высоковольтном оборудовании. Герметичность давления не обязательно означаетчто герметичен пар. Эффект диффузии происходит очень медленно и она может не быть обнаружена в ходе измерения рядом приборов небольших объемов статического газа.

Перемещение влажности

Давление водяного пара внутри герметичной газовой системы не остается постоянным, даже если не происходит никакой диффузии. Изменения температуры заставляют систему переносить влагу (пар) между двумя фазами – газом и твердым материалом в контакте с ним. Когда температура возрастает, твердые материалы исчезают из пара и участвуют в образовании газа потому, что эти две различные фазы имеют тенденцию к равновесию влажности, следовательно, к равновесию с относительной влажности; и наоборот, все происходит в обратном порядке, когда температура понижается. Влага внутри системы может находиться в порах металлических поверхностей и органических материалов, таких как прокладки и сложные крепления.  Чем выше площадь твердых поверхностей по отношению к объемам газа, тем больше эффект перемещения пара к точке росы.
Рисунок 3 показывает влияние перемещения пара на объект в Финляндии осенью 2010 года. Датчик располагался на конце маленького блока, на некотором удалении от конца трубы, содержащей несколько удаленных от основного объема газа точек подключения.  Атмосфера вокруг датчика не обязательно располагает к условиям точки росы в пределах газового резервуара.
Пока не ясно, произошло ли перемещение влаги только в пределах резервуара с газом или вдоль все линии газового измерения, на которой установлен датчик. Невозможно было сделать замеры основного объема газа, потому что не было доступной точки для подключения дополнительного датчика.
Другим важным фактором в таком же оборудовании является температура. Если датчик установлен на удалении, не исключено, что температура в месте установки датчика значительно отличается от температуры основного газового объема. Передача влажности в основном газовом объеме и вдоль него сопровождается значительным изменением уровня влажности. Учитывая медленную диффузию водяного пара в статистическом газе, значения точки росы могут отличаться от основного газового объема. Это в особенности возможно в случаях повторных тепловых изменений, создающих непрерывный динамичный перенос влаги и препятствующий балансу.
В этом случае также сомнительными будут измерения давления или плотности. Тип прибора, предназначенный для измерения точки росы, может дать ошибочные результаты.

Рисунок 3: точка росы (Tfp) и температура изолированного переключателя SFC в Финляндии (осень 2010 года).
Рисунок 4: измеряемая величина (точка росы, давление и температура) внешней системы. Пар и точка росы равны в обоих объемах.
Объем водяного пара в связи с протяженностью газопровода небольшой, однако измерения в потоке становятся более заметны в небольшом объеме статического газа.

Установка на линии датчика точки росы

При проектировании измерительной линии для датчика точки росы в оборудовании, изолированном элегазом, должны отражаться основные принципы поведения водяного пара, упомянутые выше, для того, чтобы обеспечить точность измерений с целью получения достоверных данных. Традиционно точка росы в элегазе определяется путем взятия проб газа из резервуара, где происходит постоянное перемещение газа. Это движение газа скрывает эффект медленной диффузии, и перемещение пара происходит между газом и твердым материалом.
На сегодняшний день по-прежнему очень распространена установка датчиков точки росы в том же блоке, что реле давления или датчики плотности. Кроме того, эти блоки часто не имеют непосредственного соединения с резервуаром первичного газа, а соединены с ним посредством полимерной или металлической трубы. Различные точки подключения и система труб могут привести к диффузии пара и поддерживать механизм передачи влаги. В относительно небольшом объеме статического газа эти эффекты будут играть главную роль. Установка датчика росы таким образом имеет все шансы на получение достоверных данных, необходимых для  для управления оборудованием. Чтобы обеспечить  лучшее измерение точки росы на линии, нужно установить датчик как можно ближе к основному объему газа, предпочтительнее непосредственно на стенке резервуара.
Кроме того, чтобы свести к минимуму количество точек подключения, рекомендуется избегать использования пластиковых или резиновых элементов в непосредственной близости к измерительному элементу. Если это возможно, то следует отдать предпочтение металлическим соединениям.

Отклик системы после установки датчика

Время отклика при измерении точки росы в газовой изоляции оборудования, которое обычно подсчитывается в течение нескольких секунд или минут, определяется не с помощью датчика. Доминирующим фактором здесь является реакция системы после установки. При установке датчика определенное количество влаги из окружающего воздуха находится в точке подключения системы. Принимая во внимание общий объем элегаза, этим количеством пара можно пренебречь, но с точки зрения датчика, расположенного внутри измерительного элемента, эффект отчетливо виден и поддается измерению. Следовательно, требуется значительное время для того, чтобы внутреннее давление в отсеке достигло равновесия с основным объемом газа. Даже если датчик расположен в непосредственной близости к резервуару, датчику может потребоваться несколько часов или даже дней для достижения нужного давления.

Время отклика системы определяется скоростью, с которой сухая измерительная секция достигнет такого же давления пара, как в основном объеме элегаза  после установки. То есть, это скорость, с которой молекулы воды пройдут твердые материалы газовой секции, а затем диффундируют из секции в резервуар, чтобы в итоге достичь равновесия. Более сухой газ, более просушенный материал и поверхности требуют много времени. Особенно если газ статический. Расстояние между этими двумя объемами и сухостью элегаза влияет на скорость диффузии из секции в резервуар. Чем больше это расстояние и чем больше сухого газа, тем больше времени требуется для получения 100% правильного отклика. Если диффузия, проходящая через трубопровод, слишком значительная или имеется точка контакта, то вполне возможно, что давление пара внутри измерительной ячейки никогда не достигнет равновесия с объемом основного газа. Поэтому полученные измерения не отражают фактические условия внутри резервуара.
Таким образом, очень важно свести к минимуму  ту влагу, которая была введена в момент установки датчика. Для предотвращения попадания капель воды на место подключения датчика, установка не должна проводиться на улице в дождливую погоду. Особое внимание должно быть уделено тому, чтобы соединения были герметичны, и на них не попала пыль или другие механические частицы, которые в конечном итоге могут послужить в качестве средства для диффузии молекул воды. В лучшем случае это может исказить показания, а в худшем привести к увлажнению элегаза.
Для наружных установок рекомендуется использовать чехол от дождя, чтобы вода не накапливалась на узловых соединениях и не увеличивала диффузию.

Рисунок 5: установка датчика точки росы, давления и температуры (DPT145) непосредственно на основной газовый резервуар (25.3 – 14.04.2010). Объем газа, содержащегося в измерительной ячейке, составляет около 20 мл.

Отклик системы при эксплуатации

Можно спросить, как датчик среагирует, когда точка росы объема основного газа начнет увеличиваться, учитывая относительно медленную реакцию системы  после установки датчика. Доминирующим фактором в замедлении первоначального отклика будет то, что сушка поверхности твердых материалов (пор) в движущемся газе потребует много времени, и еще больше – в статическом газе. Это явление имеет лишь незначительный эффект, выраженный в то время, когда влажный газ диффундирует из основного резервуара в направлении более сухой измерительной ячейки, где и происходит измерение точки росы.
Второй фактор, который необходимо учитывать, это большой объем элегаза. В результате повышение точки росы путем диффузии через герметизирующий материал и вдоль металлических поверхностей является очень медленным процессом. Очевидно, что когда точка росы в основном резервуаре начинает возрастать, она также начинает увеличиваться в измерительном элементе и эти увеличения фиксируются датчиком более или менее синхронно – при условии, что датчик расположен близко к основному резервуару.
Какие значения точки росы будут или не будут идентичны по времени (отклик 100%) – вопрос на самом деле не актуальный. Потому что в тенденции к увеличению подчеркивается тот факт, что должны быть проведены корректирующие действия.
Любое быстрое изменение в показаниях точки росы указывает на утечку, которая должна быть обнаружена путем измерения давления.

Итог

Чтобы убедится в том, что линейная система измерения является надежной и фактически указывает действительные точки росы и минимизирует неопределенности, крайне важно при проектировании объекта уделять пристальное внимание установке датчиков точки росы. Качество, стабильность и долгосрочность работы датчика в равной степени  зависят от критических факторов. Лучшие результаты измерений будут получены при установке датчика непосредственно на главный газовый резервуар. В качестве разъемов и герметизирующих элементов вокруг датчиков должны применяться только высококачественные металлические материалы. После установки, когда датчик проведет индикацию точки росы  основного объема элегаза по фактически достигнутому значению, можно будет подтвердить, что вся диффузия происходит через соединения и/или их поведение не влияет на измерения, что полученные данные являются надежными и достоверными и в перспективе помогут избежать излишней тревоги.