Cách tính hàm lượng ẩm trong thiết bị GIS và GIL chứa khí SF₆

Hiểu về điểm sương, ppmv, áp suất, nhiệt độ và hàm lượng hơi nước của SF₆

Trong các thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS) và đường dây truyền tải cách điện bằng khí (GIL), khí sulfur hexafluoride (SF₆) được sử dụng rộng rãi làm môi chất cách điện và dập hồ quang. Việc duy trì chất lượng khí phù hợp là điều cần thiết cho hiệu suất cách điện đáng tin cậy, tuổi thọ thiết bị và vận hành an toàn.

Trong số các thông số chất lượng khí SF₆ khác nhau, hàm lượng ẩm là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần theo dõi.

Độ ẩm dư thừa có thể làm giảm hiệu suất điện môi của khí và, trong một số điều kiện nhất định, góp phần tạo ra các sản phẩm phụ ăn mòn hoặc phân hủy. Vì lý do này, các nhà sản xuất GIS và GIL, kỹ sư vận hành và đội bảo trì thường xuyên đo điểm sương hoặc nồng độ ẩm của SF₆.

Tuy nhiên, một câu hỏi quan trọng thường nảy sinh:

Nếu máy phân tích SF₆ báo cáo một nồng độ ẩm nhất định, thì thực sự có bao nhiêu nước trong khoang GIS hoặc GIL?

Câu trả lời đòi hỏi sự hiểu biết về mối quan hệ giữa điểm sương, ppmv, áp suất khí, nhiệt độ và thể tích khí.

1. Hàm lượng ẩm của SF₆ có nghĩa là gì?

Khi máy phân tích khí SF₆ báo cáo độ ẩm, kết quả có thể được biểu thị bằng các đơn vị khác nhau, tùy thuộc vào thiết bị và ứng dụng.

Các đơn vị phổ biến bao gồm:

• Điểm sương (°C)
• Nồng độ ẩm (ppmv)
• Nồng độ ẩm (mg/m³)

Các thông số này mô tả lượng hơi nước có trong pha khí SF₆.

Ví dụ, một kết quả đọc:

100 ppmv H₂O

có nghĩa là hơi nước chiếm khoảng 100 phần triệu theo thể tích của hỗn hợp khí trong các điều kiện đo được xác định.

Điều này không nhất thiết có nghĩa là toàn bộ khoang GIS chỉ chứa một lượng nước cố định bằng lượng nước trong pha khí đã tính toán.

Sự khác biệt này là quan trọng vì độ ẩm cũng có thể bị hấp thụ hoặc hấp phụ bởi các vật liệu cách điện, gioăng và các bề mặt bên trong.

2. Điểm sương so với ppmv

Điểm sương và ppmv mô tả độ ẩm theo những cách khác nhau.

Điểm sương

Điểm sương là nhiệt độ mà tại đó hơi nước bắt đầu ngưng tụ dưới một điều kiện áp suất nhất định.

Điểm sương thấp hơn thường cho thấy mức độ ẩm thấp hơn.

Ví dụ, SF₆ có điểm sương −40°C khô hơn đáng kể so với SF₆ có điểm sương −20°C.

ppmv

ppmv (phần triệu theo thể tích) trực tiếp biểu thị nồng độ tương đối của hơi nước trong khí.

Tuy nhiên, điểm sương và ppmv không nên được coi là các giá trị cố định có thể thay thế cho nhau.

Mối quan hệ giữa điểm sương và nồng độ ẩm phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm áp suất, nhiệt độ và các đặc tính nhiệt động lực học của hỗn hợp khí.

Do đó, khi chuyển đổi phép đo điểm sương thành nồng độ ẩm, các điều kiện đo phải được xác định rõ ràng.

3. Cách tính lượng hơi nước

Nếu nồng độ ẩm đã có sẵn dưới dạng ppmv, lượng hơi nước xấp xỉ trong khoang GIS hoặc GIL có thể được tính bằng phương trình khí lý tưởng.

Tổng lượng khí là:

n = PV / RT

trong đó:

• n = tổng lượng khí, mol
• P = áp suất tuyệt đối, Pa
• V = thể tích khí, m³
• R = hằng số khí lý tưởng, 8.314 J/(mol·K)
• T = nhiệt độ tuyệt đối, K

Nếu nồng độ ẩm là C ppmv, thì lượng hơi nước xấp xỉ là:

n(H₂O) = n * C / 1.000.000

Khối lượng nước tương ứng là:

m(H₂O) = n(H₂O) * 18.015 g/mol

Điều này cung cấp ước tính về hơi nước có trong pha khí.

4. Ví dụ: Khoang GIS 1 m³

Hãy xem xét một ví dụ đơn giản.

Một khoang GIS có:

• Thể tích khí: 1 m³
• Áp suất tuyệt đối SF₆: 0.6 MPa
• Nhiệt độ khí: 20°C
• Nồng độ ẩm: 100 ppmv

Đầu tiên, chuyển đổi nhiệt độ:

T = 20 + 273.15 = 293.15 K

Sử dụng:

n = PV / RT

ta thu được xấp xỉ:

n ≈ 246 mol

Do đó, lượng hơi nước xấp xỉ là:

246 * 100 / 1.000.000 = 0.0246 mol

Sử dụng khối lượng mol của nước:

m ≈ 0.0246 * 18.015 ≈ 0.44 g

Do đó, trong các điều kiện cụ thể này, pha khí chứa khoảng:

0.44 g hơi nước

Ví dụ này minh họa một điểm quan trọng: ngay cả nồng độ ẩm tương đối nhỏ cũng có thể tương ứng với một lượng nước có thể đo được khi thể tích và áp suất khí đáng kể.

5. Tại sao áp suất và nhiệt độ lại quan trọng

Phép tính trên không thể áp dụng phổ biến cho mọi hệ thống GIS hoặc GIL.

Với cùng một thể tích khí và nồng độ ẩm, việc tăng áp suất tuyệt đối sẽ làm tăng tổng lượng khí chứa trong khoang và do đó làm tăng lượng hơi nước tương ứng.

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa các đặc tính khí, áp suất hơi và điểm sương.

Đây là lý do tại sao việc đánh giá độ ẩm phù hợp nên ghi lại ít nhất:

• Áp suất khí
• Nhiệt độ khí
• Thể tích khí, khi ước tính tổng lượng nước
• Nồng độ ẩm hoặc điểm sương
• Điều kiện đo lường

Trong thực tế kiểm tra SF₆, phương pháp đo và điều kiện lấy mẫu của máy phân tích cũng nên được xem xét.

6. Giá trị tính toán có đại diện cho tất cả lượng nước bên trong GIS không?

Không.

Đây có lẽ là điểm quan trọng nhất khi diễn giải các phép đo độ ẩm SF₆.

Giá trị tính toán đại diện cho ước tính về hơi nước có trong pha khí.

Một hệ thống GIS hoặc GIL cũng có thể chứa độ ẩm liên quan đến:

• Vật liệu cách điện rắn
• Bề mặt kim loại bên trong
• Vật liệu làm kín
• Độ ẩm bề mặt bị hấp phụ
• Độ ẩm còn sót lại được đưa vào trong quá trình sản xuất hoặc lắp đặt

Các vật liệu này có thể dần dần giải phóng độ ẩm vào khí SF₆.

Kết quả là, các chỉ số độ ẩm có thể thay đổi sau khi vận hành, nạp khí, hút chân không hoặc các hoạt động làm khô.

Ví dụ, một GIS có thể ban đầu cho thấy chỉ số độ ẩm tương đối thấp sau khi làm khô, nhưng giá trị có thể tăng lên sau đó khi độ ẩm còn sót lại di chuyển từ các vật liệu bên trong vào khí SF₆.

Do đó, kiểm tra độ ẩm không chỉ đơn thuần là một phép tính một lần. Giám sát xu hướng và quy trình vận hành phù hợp cũng quan trọng không kém.

7. SF₆ được đo độ ẩm trong thực tế như thế nào?

Tại hiện trường, các kỹ sư thường sử dụng máy phân tích khí SF₆ để đo các thông số như:

• Độ tinh khiết SF₆
• Điểm sương / độ ẩm
• SO₂
• Các sản phẩm phân hủy khác, tùy thuộc vào cấu hình máy phân tích

Đối với việc vận hành và bảo trì GIS và GIL định kỳ, các máy phân tích di động cho phép kỹ sư thực hiện các phép đo trực tiếp từ thiết bị mà không cần tháo toàn bộ lượng khí.

Một máy phân tích đa chức năng có thể đặc biệt hữu ích vì chất lượng khí hiếm khi chỉ được xác định bởi độ ẩm.

Ví dụ, Máy phân tích khí SF₆ KS30-3 của KSTONE được thiết kế để kiểm tra chất lượng khí SF₆ định kỳ, kết hợp các phép đo như độ tinh khiết SF₆, điểm sương và SO₂ trong một thiết bị.

Đối với các ứng dụng yêu cầu các thông số chất lượng khí khác nhau, dòng máy phân tích khí SF₆ mô-đun KS30 có thể được cấu hình theo yêu cầu kiểm tra của khách hàng.

8. Từ đo độ ẩm đến quản lý chất lượng khí

Kiểm soát độ ẩm nên được xem là một phần của chiến lược quản lý khí SF₆ rộng hơn.

Quy trình làm việc chất lượng khí GIS/GIL điển hình có thể bao gồm:

Nạp khí → đo khi vận hành → kiểm tra định kỳ → thu hồi khí → kiểm tra chất lượng khí → xử lý hoặc tinh chế → tái sử dụng

Trong các quy trình này, phép đo độ ẩm chính xác giúp kỹ sư xác định xem khí SF₆ có phù hợp để tiếp tục sử dụng hay cần xử lý thêm hay không.

Khi kết hợp với thiết bị thu hồi và xử lý khí SF₆, phân tích độ ẩm cũng có thể hỗ trợ quản lý khí có hệ thống hơn và giảm thiểu tổn thất SF₆ không cần thiết.

Kết luận

Việc tính toán độ ẩm trong thiết bị GIS và GIL chứa khí SF₆ đòi hỏi nhiều hơn là chỉ đọc một con số từ máy phân tích.

Điểm sương, ppmv, áp suất, nhiệt độ và thể tích khí có mối quan hệ chặt chẽ, và mỗi thông số cung cấp thông tin khác nhau về tình trạng của khí.

Nếu nồng độ ẩm được biết dưới dạng ppmv, phương trình khí lý tưởng có thể được sử dụng để ước tính lượng hơi nước trong pha khí. Tuy nhiên, giá trị tính toán này không nên bị nhầm lẫn với tổng lượng độ ẩm chứa trong toàn bộ hệ thống GIS hoặc GIL.

Để quản lý khí SF₆ đáng tin cậy, phép đo chính xác, điều kiện lấy mẫu nhất quán và diễn giải kết quả phù hợp là điều cần thiết.

KSTONE cung cấp máy phân tích khí SF₆ và thiết bị xử lý khí cho GIS, GIL và các thiết bị điện cách điện bằng SF₆ khác, hỗ trợ kỹ sư trong kiểm tra chất lượng khí SF₆, thu hồi, xử lý và tái sử dụng.