CN103883878A - 一种产生高速流动sf6气体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种产生高速流动SF6气体的装置及方法，该装置包括SF6气体充放与回收单元、SF6气体流速与压力调节单元和SF6气体流速与压力检测单元；SF6气体充放与回收单元包括：真空泵、压力表、SF6气瓶、储气罐、压缩机、高压储气罐和低压储气罐；SF6气体流速与压力调节单元包括第一快速电磁阀、喷口、可调节触头和不可调节触头、第二快速电磁阀；该方法为利用SF6气体充放与回收单元对SF6气体进行储气罐的充放气及回收，根据SF6气体流速与压力检测单元获得的SF6气体流速与压力的检测结果，利用SF6气体流速与压力调节单元不断地对SF6气体流速与压力进行调节，直到获得要求的SF6气体压力和流速。

Description

一种产生高速流动SF6气体的装置及方法

技术领域

本发明属于高电压试验技术领域，具体涉及一种产生高速流动SF6气体的装置及方法。

背景技术

SF6气体是无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，具有良好的电气绝缘性能及优异的电弧熄灭性能。其电气强度是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是新一代超高压绝缘介质材料。当前SF6气体在高压断路器、SF6气体绝缘开关设备、SF6气体绝缘变压器中得到了广泛的应用。

SF6气体在电力工业中的应用有两种状态：气体恒定压力状态和气体高速流动状态。气体恒定压力状态时，SF6气体压力范围为0.1MPa～1MPa，在此压力范围内SF6气体绝缘性能良好，且受到环境温度的影响较小。目前的SF6气体理论和试验研究都是基于恒定压力状态下SF6为前提开展的，但其已不能适用于高速流动状态下的SF6气体。

现阶段对高速流动状态下的SF6气体试验研究只是局限于断路器产品开展。由于断路器操动机构本身的限制，只能在小范围内调节断路器操动机构的操作功来实现灭弧室内SF6气体压力和流速的微小改变，对SF6气体流动速度的调节范围有局限性，不能满足0～300m/s的流速范围可调，制约大范围流速的产生；高压SF6断路器的开断时间只有几十毫秒，在该很短的时间内SF6气体从静止状态到高速流动状态，SF6气体流动速度变化很大，不能获得一段时间内稳定的气体流速；现有断路器灭弧室中气流是由活塞运动产生的，在形成高速气流的同时触头也在运动，在整个气体流动过程中，触头开距也在变化，不能开展在某一固定开距下高速流动SF6气体的研究。以往的研究中有只在断路器本体中对喷口处的的SF6气体压力进行多点测量，使用压力理论推导出气体的流速，而没有对气体流动速度进行测量。由于断路器灭弧室内气体压力有局部流速变化、局部高压的形成，利用SF6气体压力推导出气体流速不能真实反应气体的真实状态，具有很大的局限性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种产生高速流动SF6气体的装置及方法。

本发明的技术方案：

一种产生高速流动SF6气体的装置，包括：

SF6气体充放与回收单元、SF6气体流速与压力调节单元和SF6气体流速与压力检测单元；

所述SF6气体充放与回收单元包括：真空泵、压力表、SF6气瓶、储气罐、压缩机、高压储气罐和低压储气罐；所述SF6气瓶与储气罐相连通；所述储气罐第一路与真空泵相连通，储气罐第二路与压缩机进气端相连通；所述压缩机出气端第一路与真空泵相连通，压缩机出气端第二路与高压储气罐相连通，压缩机出气端第三路与SF6气瓶相连通；所述SF6气体流速与压力调节单元置于高压储气罐与低压储气罐之间；所述低压储气罐第一路与储气罐相连通，第二路与真空泵相连通；在真空泵的进气端连接有压力表；

所述SF6气体流速与压力调节单元包括第一快速电磁阀、喷口、可调节触头和不可调节触头、第二快速电磁阀；所述第一快速电磁阀的进气端与SF6气体充放与回收单元的高压储气罐相连通，第一快速电磁阀的出气端与可调节触头进气端相连通；所述喷口置于可调节触头出气端和不可调节触头进气端之间；所述不可调节触头出气端与第二快速电磁阀的进气端相连通；所述第二快速电磁阀的出气端与SF6气体充放与回收单元的低压储气罐相连通；

所述SF6气体流速与压力检测单元包括多个压力传感器、多个流速传感器和信号采集处理器；所述压力传感器和流速传感器均分布安装在喷口的上游位置、喉部位置和下游位置；所述压力传感器和流速传感器均连接信号采集处理器；

所述真空泵用于对所有的容器及管道进行抽真空处理；

所述压缩机用于对储气罐中的SF6气体进行加压，使得SF6气体能够流入到高压储气罐或者SF6气瓶中；

所述第一快速电磁阀的口径大小和第二快速电磁阀的口径大小均可调节，且第一快速电磁阀和第二快速电磁阀能够在毫秒时间内同步开通，形成高速SF6气流；

所述可调节触头用于调节触头开距；

采用产生高速流动SF6气体的装置产生高速流动SF6气体的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：打开真空泵，依次令储气罐、高压储气罐、低压储气罐和SF6气体流速与压力调节单元与真空泵相导通，对储气罐、高压储气罐、低压储气罐和SF6气体流速与压力调节单元进行抽真空；

步骤2：压力表指示值不变时，令SF6气瓶与储气罐相导通；

步骤3：SF6气瓶与储气罐的压力相同时，打开压缩机、并令储气罐与高压储气罐相导通；

步骤4：高压储气罐达到所需压力时，关闭压缩机、并令储气罐与高压储气罐断开导通；

步骤5：分别调节触头开距、第一快速电磁阀口径和第二快速电磁阀口径；

步骤6：打开第一快速电磁阀和第二快速电磁阀，令高压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元和低压储气罐相导通；

步骤7：高压储气罐与低压储气罐压力相同时，关闭第一快速电磁阀和第二快速电磁阀，令高压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元和低压储气罐断开导通；

步骤8：判断SF6气体压力是否满足要求，是，则执行步骤9，否，则执行步骤2；

步骤9：判断SF6气体流速是否满足要求，是，则执行步骤10，否，则执行步骤5；

步骤10：打开第二快速电磁阀，令SF6气体流速与压力调节单元、低压储气罐和储气罐相导通；

步骤11：SF6气体流速与压力调节单元的压力、低压储气罐的压力和储气罐的压力相等时，打开压缩机，令储气罐与高压储气罐相导通；

步骤12：判断高压储气罐压力是否达到所需压力，是，则执行步骤13，否，则令储气罐与SF6气瓶相导通，并转去执行步骤11；

步骤13：令储气罐与高压储气罐断开导通；

步骤14：令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐与SF6气瓶相导通；

步骤15：SF6气瓶压力不变时，关闭压缩机，令储气罐与SF6气瓶断开导通；

步骤16：打开真空泵，令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐分别与真空泵相导通；

步骤17：压力表指示值不变时，令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐分别与真空泵断开导通。

有益效果：本发明的产生高速流动SF6气体的装置及方法与现有技术相比较有以下优势：

1）采用可拆卸拉法尔喷口以及触头开距可调的结构，在喷口处形成高速流动SF6气流；

2）采用大容积储气罐提供高气压和回收SF6气体，使高速SF6气流存在的时间达到秒级；

3）采用压阻式压力传感器与热线风速仪相结合的方式，得到喷口处的实时SF6气体压力与流速；

4）采用压缩机与真空泵，实现了SF6气体充放与回收的功能以及重复使用，避免了SF6气体的泄漏对大气的污染。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的产生高速流动SF6气体的装置的连接关系示意图；

图2为本发明一种实施方式的产生高速流动SF6气体方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。本实施方式的产生高速流动SF6气体的装置及方法产生高速流动SF6气体的目标最高气体压力为5MPa，目标最高SF6气体流速为300m/s；

本实施方式的产生高速流动SF6气体的装置，如图1所示，包括：SF6气体充放与回收单元、SF6气体流速与压力调节单元6和SF6气体流速与压力检测单元；

所述SF6气体充放与回收单元包括：真空泵10、压力表9、排气头11、SF6气瓶1、储气罐4、压缩机14、高压储气罐2和低压储气罐3；所述真空泵10用于对所有的腔体、容器及连通通路进行抽真空处理，防止腔体、容器及连通通路的内部有残留杂质气体和水蒸气等使SF6气体组分发生变化。在本实施方式中：真空泵10功率为370W，极限压力为0.06Pa，抽真空速率4L/s；SF6气瓶1为为金属材料，容积为40L，SF6气体被压缩为液态形式存储在SF6气瓶1中；高压储气罐2、低压储气罐3和储气罐4均为金属材料，容积均为200L，最高工作压强为5MPa；压缩机14的最大排气压力为5MPa，排气量为12m³/h，功率为2.2kW。

SF6气瓶1通过气阀19和储气罐4相连通；储气罐4通过气阀12、气阀8和压力表9与真空泵10相连通；储气罐4通过气阀15与压缩机14的进气端相连通；压缩机出气端第一路通过气阀8和压力表9与真空泵10相连通；压缩机14出气端第二路通过气阀13和气阀16与高压储气罐2相连通；压缩机14出气端第三路通过气阀22与SF6气瓶1相连通；SF6气体流速与压力调节单元6置于高压储气罐2与低压储气罐3之间；低压储气罐3第一路通过气阀18与储气罐4相连通，低压储气罐3第二路通过气阀17、气阀8和压力表9与真空泵10相连通；真空泵10的进气端连接有压力表9、真空泵10的出气端与排气头11相连通；气阀均为SF6气体专用手动操作气阀，工作压力为16MPa；连通管路均使用高压绝缘胶管，橡胶管工作压力为16MPa。

SF6气体流速与压力调节单元6包括快速电磁阀20、喷口、可调节触头和不可调节触头、快速电磁阀21；所述快速电磁阀20的进气端与SF6气体充放与回收单元的高压储气罐2相连通，快速电磁阀20的出气端与可调节触头进气端相连通；所述喷口置于可调节触头出气端和不可调节触头进气端之间；所述不可调节触头出气端与快速电磁阀21的进气端相连通；所述快速电磁阀21的出气端与SF6气体充放与回收单元的低压储气罐3相连通；SF6气体流速与压力调节单元6设计为圆筒形外壳，其长度为1300mm、直径为600mm，电工陶瓷材料，两端为金属法兰盘连接，法兰盘开孔，分别与快速电磁阀20和快速电磁阀21相连接，形成高速SF6气流通道；快速电磁阀20侧法兰盘开孔并在其内部安装可调节触头和波纹管，可调节触头伸出法兰盘外部，外部带有螺纹可调整内部可调节触头与不可调节触头之间的距离，通过调节可调节触头调节触头开距，触头开距0～150mm可调；快速电磁阀21侧法兰盘内侧安装不可调节触头；喷口为拉法尔喷口，喷口带有螺纹可拆卸，为聚四氟乙烯材料；在喷口上游、喉部、下游均安装有SF6气体压力传感器和SF6气体流速传感器。快速电磁阀20和快速电磁阀21的工作压力为50MPa，均由外电路控制，响应时间为1ms，可按照操作员的指令在1ms内完成开通与关闭。

SF6气体流速与压力检测单元包括3个压力传感器、3个流速传感器和信号采集处理器7；因SF6气体动态压力的上升和下降时间都在毫秒时间量级，由此要求压力传感器的频率响应范围最少要达到1kHz，气室内的平均暂态压力幅值最高不超过背景压力的6倍，由压力波传递也会引起压力的快速波动，压力传感器压力（绝压）量程应为3.45MPa，从而压力传感器选择压阻式压力传感器，量程（绝压）为3.45MPa，灵敏度为104mV/MPa，频率响应为750kHz，电源电压为直流10V供电；流速传感器选择热线风速仪，其响应时间为1ms，风速测量范围为0～300m/s，频率响应为300KHz，加热探针电流为1.6A，电流的细金属丝直径为10微米；金属丝中通过加热电流，金属丝的温度保持恒定，因而当风速变化时，金属丝的换热量就随之而改变，从而产生了电信号的变化；通过校准过程，测量电信号的变化量就可以得到实际SF6气流场的速度大小；

压阻式压力传感器和热线风速仪均分布安装在喷口的上游位置、喉部位置和下游位置；压阻式压力传感器和热线风速仪均连接信号采集处理器；

压阻式压力传感器、热线风速仪及信号传输线需要屏蔽和接地，将电磁干扰产生的误差降至可接受的范围内。图1中传感器供电与信号传输线5为高屏蔽传输线。

采用产生高速流动SF6气体的装置产生高速流动SF6气体的方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：开启真空泵10，依次令储气罐4、高压储气罐2、低压储气罐3和SF6气体流速与压力调节单元6与真空泵10相导通，对储气罐4、高压储气罐、低压储气罐3和SF6气体流速与压力调节单元6抽真空；

步骤1.1：打开气阀12和气阀8，开始对储气罐4抽真空；

步骤1.2：判断压力表9指示值是否变化，是，则执行步骤1.1，否，则执行步骤1.3；

步骤1.3：关闭气阀8和气阀12，储气罐4抽真空结束；

步骤1.4：依次打开气阀16、气阀17、快速电磁阀21、气阀18和气阀8，开始对高压储气罐2、低压储气罐3和SF6气体流速与压力调节单元6抽真空；

步骤1.5：判断压力表9指示值是否变化，是，则执行步骤1.4，否，则执行步骤1.6；

步骤1.6：依次关闭气阀8、气阀18、快速电磁阀21、气阀17和气阀16，完成对高压储气罐2、低压储气罐3和SF6气体流速与压力调节单元6抽真空；

步骤2：打开气阀19，令SF6气瓶1与储气罐4相导通；

步骤3：SF6气瓶1与储气罐4的压力相同时，打开气阀15、压缩机14、气阀13和气阀16，令储气罐4与高压储气罐2相导通；SF6气体会通过压缩机14以一定压力存储到高压储气罐2中；

步骤4：高压储气罐2压力达到5MPa时，依次关闭气阀16、气阀13、压缩机14和气阀15，令储气罐4与高压储气罐断开导通，完成SF6气体由SF6气瓶1中充入到高压储气罐2中。

步骤5：调节触头开距、快速电磁阀20口径和快速电磁阀21口径；

步骤6：打开快速电磁阀20和快速电磁阀21，令高压储气罐2、SF6气体流速与压力调节单元6和低压储气罐3相导通；

此时，SF6气体压力从高压储气罐2流向低压储气罐3，从而形成高速SF6气流。本实施方式形成的高速流动SF6气流的最高工作压力为5MPa，SF6气体最高流速300m/s；本实施方式中打开快速电磁阀20和快速电磁阀21的同时触发信号采集处理器开始工作；

步骤7：高压储气罐2与低压储气罐3压力相同时，关闭快速电磁阀20和快速电磁阀21，令高压储气罐2、SF6气体流速与压力调节单元6和低压储气罐3断开导通，SF6气体高速流动过程结束；

步骤8：判断SF6气体压力达到5MPa，是，则执行步骤9，否，则执行步骤2；

步骤9：判断SF6气体流速是否达到300m/s，是，则执行步骤10，否，则执行步骤5；

步骤10：打开快速电磁阀21和气阀18，令SF6气体流速与压力调节单元6、低压储气罐3和储气罐4相导通，使得SF6气体流速与压力调节单元6和低压储气罐3中的SF6气体流向储气罐4中，即SF6气体回收到储气罐中；

步骤11：SF6气体流速与压力调节单元6、低压储气罐3和储气罐4压力平衡时，依次打开气阀15、压缩机14、气阀13和气阀16，令储气罐4与高压储气罐2相导通，将SF6气体充入到高压储气罐2中；

步骤12：判断高压储气罐2压力是否达到5MPa，是，则执行步骤13，否，则打开气阀19，令储气罐与SF6气瓶1相导通，并转去执行步骤11；

步骤13：依次关闭气阀19和气阀16，令储气罐4与高压储气罐2断开导通，完成高压储气罐2充气；

步骤14：打开气阀22，令低压储气罐3、SF6气体流速与压力调节单元6、储气罐4与SF6气瓶1相导通，将低压储气罐3、储气罐4和SF6气体流速与压力调节单元6中的SF6气体回收到SF6气瓶1中；

步骤15：SF6气瓶1压力不变时，依次关闭气阀22、压缩机14和气阀15，令储气罐4与SF6气瓶1断开导通，完成SF6气瓶1灌装；

步骤16：依次打开气阀17、气阀8和真空泵10，令低压储气罐3、SF6气体流速与压力调节单元6、储气罐4与真空泵10相导通，完成对低压储气罐3、SF6气体流速与压力调节单元6和储气罐4抽真空；

步骤17：压力表9指示值不变时，依次关闭真空泵10、气阀8、气阀17、快速电磁阀21、气阀18和气阀13、令低压储气罐3、SF6气体流速与压力调节单元6、储气罐4分别与真空泵10断开导通，完成SF6气体回收。

Claims (6)

1.一种产生高速流动SF6气体的装置，其特征在于：包括：

SF6气体充放与回收单元、SF6气体流速与压力调节单元和SF6气体流速与压力检测单元；

所述SF6气体充放与回收单元包括：真空泵、压力表、SF6气瓶、储气罐、压缩机、高压储气罐和低压储气罐；所述SF6气瓶与储气罐相连通；所述储气罐第一路与真空泵相连通，储气罐第二路与压缩机进气端相连通；所述压缩机出气端第一路与真空泵相连通，压缩机出气端第二路与高压储气罐相连通，压缩机出气端第三路与SF6气瓶相连通；所述SF6气体流速与压力调节单元置于高压储气罐与低压储气罐之间；所述低压储气罐第一路与储气罐相连通，第二路与真空泵相连通；所述真空泵的进气端连接有压力表；

所述SF6气体流速与压力调节单元包括第一快速电磁阀、喷口、可调节触头和不可调节触头、第二快速电磁阀；所述第一快速电磁阀的进气端与SF6气体充放与回收单元的高压储气罐相连通，第一快速电磁阀的出气端与可调节触头进气端相连通；所述喷口置于可调节触头出气端和不可调节触头进气端之间；所述不可调节触头出气端与第二快速电磁阀的进气端相连通；所述第二快速电磁阀的出气端与SF6气体充放与回收单元的低压储气罐相连通；

所述SF6气体流速与压力检测单元包括多个压力传感器、多个流速传感器和信号采集处理器；所述压力传感器和流速传感器均分布安装在喷口的上游位置、喉部位置和下游位置；所述压力传感器和流速传感器均连接信号采集处理器。

2.根据权利要求1所述的产生高速流动SF6气体的装置，其特征在于：所述真空泵用于对所有的容器及管道进行抽真空处理。

3.根据权利要求1所述的产生高速流动SF6气体的装置，其特征在于：所述压缩机用于对储气罐中的SF6气体进行加压，使得SF6气体能够流入到高压储气罐或者SF6气瓶中。

4.根据权利要求1所述的产生高速流动SF6气体的装置，其特征在于：所述第一快速电磁阀的口径大小和第二快速电磁阀的口径大小均可调节，且第一快速电磁阀和第二快速电磁阀能够在毫秒时间内同步开通，形成高速SF6气流。

5.根据权利要求1所述的产生高速流动SF6气体的装置，其特征在于：所述可调节触头用于调节触头开距。

6.采用权利要求1所述的产生高速流动SF6气体的装置产生高速流动SF6气体的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：开启真空泵，依次令储气罐、高压储气罐、低压储气罐和SF6气体流速与压力调节单元与真空泵相导通，对储气罐、高压储气罐、低压储气罐和SF6气体流速与压力调节单元进行抽真空；

步骤2：压力表指示值不变时，令SF6气瓶与储气罐相导通；

步骤3：SF6气瓶与储气罐的压力相同时，打开压缩机、并令储气罐与高压储气罐相导通；

步骤4：高压储气罐达到所需压力时，关闭压缩机、并令储气罐与高压储气罐断开导通；

步骤5：分别调节触头开距、第一快速电磁阀口径和第二快速电磁阀口径；

步骤6：打开第一快速电磁阀和第二快速电磁阀，令高压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元和低压储气罐相导通；

步骤7：高压储气罐与低压储气罐压力相同时，关闭第一快速电磁阀和第二快速电磁阀，令高压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元和低压储气罐断开导通；

步骤8：判断SF6气体压力是否满足要求，是，则执行步骤9，否，则执行步骤2；

步骤9：判断SF6气体流速是否满足要求，是，则执行步骤10，否，则执行步骤5；

步骤10：打开第二快速电磁阀，令SF6气体流速与压力调节单元、低压储气罐和储气罐相导通；

步骤11：SF6气体流速与压力调节单元的压力、低压储气罐的压力和储气罐的压力相等时，打开压缩机，令储气罐与高压储气罐相导通；

步骤12：判断高压储气罐压力是否达到所需压力，是，则执行步骤13，否，则令储气罐与SF6气瓶相导通，并转去执行步骤11；

步骤13：令储气罐与高压储气罐断开导通；

步骤14：令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐与SF6气瓶相导通；

步骤15：SF6气瓶压力不变时，关闭压缩机，令储气罐与SF6气瓶断开导通；

步骤16：打开真空泵，令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐分别与真空泵相导通；

步骤17：压力表指示值不变时，令低压储气罐、SF6气体流速与压力调节单元、储气罐分别与真空泵断开导通。

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