CN105699366A - 一种sf6混合气体等离子体光谱测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置及方法，所述装置由SF6混合气体充放与回收装置、SF6混合气体电弧等离子体产生装置和光谱检测装置组成，其中SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机、过滤吸收装置、真空泵和气体连接管路；SF6混合气体电弧等离子体产生装置包括两个电极、密封气室、调压器、变压器、水电阻和连接线路。所述方法的工艺步骤如下：（1）混合气体储气罐抽真空；（2）混合气体储气罐中充分混合SF6气体和另一种气体；（3）密封气室抽真空后充入混合气至设定压强值；（4）调节回路压力，形成电弧等离子体；（5）采集电弧等离子体的光谱信息。

Description

一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置及方法
技术领域
本发明属于高压电试验技术领域，具体涉及一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置及方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，促进了电力工业向着大机组、远距离、超特高压及交直流并用的方向发展，随着电网输送电压等级的提高，对电力设备的绝缘提出了更高的要求。SF6气体因具有较高的绝缘和灭弧能力，被广泛的应用在电力工业中。与此同时，SF6气体还具有以下缺陷：一是液化温度较高，在高寒地区冬季寒冷季节使用易产生液化现象，对电力设备的安全运行构成严重威胁；二是SF6气体是极强的温室效应气体，其GWP值是等量CO2的23900倍，1997通过的《京都议定书》将SF6气体列为需全球管制使用的气体；三是对电力设备中的电场不均匀度比较敏感；四是在高温电弧的持续作用下会发生分解。随着环境污染和全球变暖等因素的影响，人们在致力于寻找SF6气体的替代气体。但目前还尚未寻找到能有效替代SF6气体的性能优良的单一绝缘气体，于是人们开始寻求使用SF6混合气体作为绝缘灭弧介质，不仅可以降低绝缘气体的液化温度，而且可以减少SF6气体的使用量。
现阶段关于SF6混合气体的研究主要集中在其低电压等级、稳态击穿特性及绝缘强度等宏观方面，关于从微观角度探讨SF6混合气体放电机理的研究较少。通过获取各种SF6混合气体的电子温度和电子密度等微观数据，可从微观层面上对SF6混合气体中各种粒子的存在状态和运动规律展开研究，从而使SF6混合气体能够在电力工业中获得较好地应用。
而目前对离子存在状态和运动规律研究过程中应用较多的为发射光谱法，它是诊断等离子微观信息的一种手段，通过采用非侵入式诊断技术进行检测，对等离子体参数无干扰，并且实验仪器相对简单。根据电离原理，SF6混合气体放电时，会形成剧烈的电弧等离子体，如果能设计出一种关于SF6混合气体等离子体光谱测量装置，实现对SF6混合气体等离子的光谱测量，是对SF6混合气体放电等离子体的微观研究提供有效手段，从而指导SF6混合气体在电力工业上的应用。
发明内容
针对现有SF6混合气体光谱诊断技术的空白，本发明提供一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置及方法。SF6和另一种不与其发生反应的气体（如氮气、四氟化碳、二氧化碳等）混合后，根据Dalton分压定律可知，通过控制混合气体中SF6气体的分压从而调节SF6和另一气体的混合比，即
(1)
式中：n A、n B为两种气体的摩尔数；p A、p B为两种气体的分压力，即两种气体分别承担的压强，因此可以通过控制两种气体的压强比来控制混合气体中SF6气体的含量。
本发明的技术方案如下：
一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，由SF6混合气体充放与回收装置、SF6混合气体电弧等离子体产生装置和光谱检测装置三部分组成，其中SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机、过滤吸收装置、真空泵和气体连接管路，其中两个高压气瓶分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，混合气体储气罐通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置；SF6混合气体电弧等离子体产生装置包括两个电极、密封气室、调压器、变压器、水电阻和连接线路，两个电极分别从密封气室的上下端插入，并与水电阻、变压器和连接线路串联构成回路，调压器与变压器并联连接，密封气室通过气体管路分别连接真空泵和压缩机；光谱检测装置包括光纤光谱仪、上位机、光同步触发探头和光纤探头，光纤光谱仪和上位机通过数据线连接，光同步触发探头和光纤探头分别与光纤光谱仪连接。
上述装置中，所述两个高压气瓶和混合气体储气罐的连接管路上均设有气体流量计，用于控制气体进入储气罐的量，可实现SF6气体与另一气体以任意比例混合。
上述装置中，所述混合气体储气罐上设有保护装置，用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开。
上述装置中，所述压缩机用于将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，或者将密封气室中的混合气体回收至混合气体储气罐中。
上述装置中，所述真空泵用于将密封气室或者储气罐进行抽真空。
上述装置中，所述密封气室一端设有调距旋钮，可调节该端插入电极在密封气室内的高度，从而调节电极间距。
上述装置中，所述密封气室与压缩机相连接的管路上在靠近密封气室下端处设有压力表，用于监控进入密封气室的气体压力情况。
上述装置中，所述密封气室侧壁上设有石英视窗，光同步触发探头和光纤探头分别通过石英视窗对准两个电极之间的中心处。
一种SF6混合气体等离子体光谱测量方法是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行：
（1）开启真空泵将混合气体储气罐抽真空，关闭真空泵并开启另一种气体的高压气瓶对混合气体储气罐进行气体置换，反复抽真空、换气2次后对气体储气罐抽真空；
（2）按先后顺序分别打开SF6气体和另一种气体的高压气瓶向混合气体储气罐中按照比例混合SF6气体和另一种气体，静置24小时，使气体充分混合；
（3）开启真空泵将密封气室抽真空，通过压缩机将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，直至达到设定压强值；
（4）调节电极在密封气室中的间距，接通回路电源，并匀速升高调压器的电压，当输出电压达到电极间隙的击穿电压后，电极间绝缘击穿形成电弧等离子体；
（5）光同步触发探头探测到弧光之后，启动光谱检测装置采集电弧等离子体的光谱信息。
上述方法中，所述另一种气体为液化点在-50°C以下的气体，包括氮气、二氧化碳、四氟化碳、惰性气体。
本发明的有益效果：本发明的SF6混合气体等离子体光谱测量方法与现有技术相比较有以下优势：
1）弥补SF6混合气体电弧等离子体光谱测量的空白，高效的完成不同试验条件下混合气体电弧等离子体的光谱检测。
2）混合气体储气罐可认为零泄漏，不同气体由不同的进气口进入，极大的保证了混合气体的纯度。
3）气体的混合通过气体流量计控制，混合方式方便高效，可十分精确的控制混合气体的混合比。
4）SF6与另一气体的混合在混合气体储气罐中，可使混合气体快速充分混合，极大的降低气体分层现象。
5）可完成混合气体的回收循环利用，提高资源利用和节约实验成本，可基本实现SF6向大气中的零排放。
附图说明
图1为本发明的SF6混合气体等离子体光谱测量装置的结构示意图，
其中1、SF6气瓶，2、另一种气体气瓶，3、混合气体储气罐，4、过滤器，5、压缩机，6、冷凝器，7、真空泵，8、过滤吸收装置，9、密封气室，10、电极，11、石英视窗，12、调距旋钮，13、光同步触发探头，14、光纤探头，15、上位机，16、光纤光谱仪，T1、调压器，T2、变压器，R1、保护电阻，K1~K13、管路气阀，A0、关断阀门，G1和G2、流量计，G3、电接点压力表，G4和G8、真空表，G5、真空计，G6和G7、气压表。
图2为本发明实施例1的SF6混合气体等离子体光谱测量方法的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，由SF6混合气体充放与回收装置、SF6混合气体电弧等离子体产生装置和光谱检测装置三部分组成，如图1所示。SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶1和2、设有电接点压力表G3的混合气体储气罐3、过滤器4、压缩机5、冷凝器6、过滤吸收装置8、真空泵7和气体连接管路，其中两个高压气瓶1和2分别与混合气体储气罐3的两个进气口相连，并且连接管路上均设有气体流量计G1、G2和气阀K1、K2，可实现SF6气体与另一气体以任意比例混合；混合气体储气罐3的两个出气口处分别设有气阀K3和K4，其中气阀K3所在的管路用于将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，该过程通过气阀K3、压缩机、冷凝器、K7、K9~K11以及关断阀门A0实现；气阀K4所在管路设有两条分支管路，其中一条分支管路通过气阀K4、K5和K7控制混合气体储气罐与真空泵的直接连通，用于混合气体储气罐的抽真空，另一条分支管路依次连接冷凝器、压缩机和过滤器，并通过气阀K8~K11和关断阀门A0实现混合气体储气罐3与密封气室9的连通，用于将密封气室中的混合气体回收至混合气体储气罐中；真空泵7的进气口处设有真空表G4，出气口连接过滤吸收装置8，真空表G4和设有气阀K6的真空计G5相连接，G5用于检测密封气室和混合气体储气罐中的最终真空度（范围0-1000Pa），气压表G6设于气阀K9上方，用于检测密封气室加压充气时的压强值；
SF6混合气体电弧等离子体产生装置包括两个电极10、密封气室9、调压器T1、变压器T2、水电阻R1和连接线路，两个电极10分别从密封气室9的上下端插入，并与水电阻R1、变压器T2和连接线路串联构成回路，调压器T1与变压器T2并联连接；密封气室侧壁上设有石英视窗11，密封气室下端与气体管路的连通处设有气压表G7和真空表G8，G7和G8上分别设有气阀K12和K13，用于离线监控进入密封气室的气体压力情况；并且密封气室下端通过气体管路和气阀K5、K9~K11、A0与真空泵直接连通，用于实现气体的回收处理；
光谱检测装置包括光纤光谱仪16、上位机15、光同步触发探头13和光纤探头14，光纤光谱仪16和上位机15通过数据线连接，光同步触发探头13和光纤探头14分别与光纤光谱仪16连接，并且光同步触发探头13和光纤探头14分别通过石英视窗11对准两个电极10之间的中心处。
上述装置中，所述混合气体储气罐上的电接点压力表G3用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开。
上述装置中，所述密封气室一端设有调距旋钮12，可调节该端插入电极在密封气室内的高度，从而调节电极间距。
上述装置中，所述调压器T1采用交流电供电，供电电压220V，频率50Hz。
一种SF6和氮气的混合气体等离子体光谱测量方法是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行，工艺流程图如图2所示：
（1）开启真空泵，依次打开气阀K8、K5、K4、K7，将混合气体储气罐抽真空，当真空表G4指针达到零时，打开阀门K6，观察热偶真空计G5，当指针稳定并停止后，关闭气阀K6，并依次关闭气阀K4、K5、K7、K8和真空泵，完成储气罐抽真空，开启K2和氮气气瓶向混合气体储气罐中充入氮气进行气体置换，参照前述操作反复抽真空、换气2次后对气体储气罐抽真空；
（2）按先后顺序分别打开SF6气体和氮气的高压气瓶以及K1和K2向混合气体储气罐中按照50%的压强比混合SF6气体和另一种气体，静置24小时，使气体充分混合；
（3）开启真空泵，依次打开气阀K11、K10、K9、K5，接通A0，当真空表G4指针达到-0.1时，打开气阀K6，观察热偶真空计G5的读数，当热偶真空计稳定在20Pa以下后，依次关闭气阀K9、K6、K5和真空泵，完成密封气室的抽真空；
（4）打开气阀K3、K7和K9，通过压缩机将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，观看气压表G6，达到设定气压值后，依次关闭气阀K3、K7、K9、K11、K10，断开A0，打开气体阀门K12，通过观看气压表G7或真空表G8的压力值，实时监控密封气室的压力；
（5）调节电极在密封气室中的间距，接通电流通路的电源，并匀速升高调压器的电压，当输出电压达到电极间隙的击穿电压后，停止升高电压，电极间绝缘击穿形成电弧等离子体；
（6）光同步触发探头探测到弧光之后，启动光谱检测装置采集电弧等离子体的光强、波长和半高宽度信息，并将采集的光谱信息保存至上位机，降低调压器输出至零；
（7）重复步骤（5）和（6）9次，获取10组电弧等离子体的光谱信息，取平均值；
（8）旋转密封气室外部的调距旋钮，改变电极的间隙距离，电极间隙距离依次由5mm增加到20mm，每次调节增加1mm，分别重复步骤（5）~（7），进行在不同电极间隙距离条件下电弧等离子体的光谱信息测量；
（9）重复步骤（4），将密封气室压强改变由0.1MPa升高到0.7MPa，每次增加0.05MPa，分别重复步骤（5）~（8），进行在不同气体压强和不同电极间隙距离条件下电弧等离子体的光谱信息测量；
（10）测量完毕，连接A0，依次打开气阀K10、K11、K9、K8和K4，开启压缩机将密封气室内的气体回收至混合气体储气罐内；
（11）重复步骤（2），改变SF6混合气体中SF6的比例为：100%（纯SF6）、80%、60%、40%、20%和0%（纯N2），分别重复步骤（3）~（9）进行在不同混合气体比例、不同气体压强和不同电极间隙距离条件下电弧等离子体的光谱信息测量。
（12）完成实验测量，连接A0，依次打开气阀K10、K11和K5，开启真空泵和过滤吸收装置，对混合气体中的SF6气体进行处理后排空。
通过不同电极间隙距离、不同气体压强和不同电极间隙距离以及不同混合气体比例、不同气体压强和不同电极间隙距离条件下电弧等离子体的光谱信息测量结果，我们得出如下结论：
[1]保持电极间距不变，SF6、N2及SF6/N2混合气体放电时测得电弧等离子体的光强均随着气体压强的升高逐渐增大，电子温度逐渐减小，电子数密度增大。
[2]保持压强不变，SF6、N2及SF6/N2混合气体完全击穿时的光强随着间隙距离的增大逐渐增大，等离子体通道的电子温度和电子密度基本保持不变。
[3]保持电极间距和气体压强不变，随着混合气体中SF6混合比的升高等离子通道内的光强逐渐增强，电子温度逐渐升高。

Claims (9)

1.一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于由SF6混合气体充放与回收装置、SF6混合气体电弧等离子体产生装置和光谱检测装置三部分组成，其中SF6混合气体充放与回收装置包括两个分别存放SF6气体和另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机、过滤吸收装置、真空泵和气体连接管路，其中两个高压气瓶分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，混合气体储气罐通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置；
SF6混合气体电弧等离子体产生装置包括两个电极、密封气室、调压器、变压器、水电阻和连接线路，两个电极分别从密封气室的上下端插入，并与水电阻、变压器和连接线路串联构成回路，调压器与变压器并联连接，密封气室通过气体管路分别连接真空泵和压缩机；
光谱检测装置包括光纤光谱仪、上位机、光同步触发探头和光纤探头，光纤光谱仪和上位机通过数据线连接，光同步触发探头和光纤探头分别与光纤光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述两个高压气瓶和混合气体储气罐的连接管路上均设有用于控制气体进入储气罐的量的气体流量计。
3.根据权利要求2所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述混合气体储气罐上设有用于当储气罐中气体压力超过设定值时控制压缩机自动断开的保护装置。
4.根据权利要求1所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述密封气室与压缩机相连接的管路上在靠近密封气室下端处设有用于监控进入密封气室的气体压力情况的压力表。
5.根据权利要求4所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述密封气室一端设有可调节电极间距的调距旋钮。
6.根据权利要求5所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述密封气室侧壁上设有石英视窗。
7.根据权利要求6所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量装置，其特征在于所述光同步触发探头和光纤探头分别通过石英视窗对准两个电极之间的中心处。
8.一种SF6混合气体等离子体光谱测量方法，是采用权利要求1所述装置，其特征在于按照以下工艺步骤进行：
（1）开启真空泵将混合气体储气罐抽真空，关闭真空泵并开启另一种气体的高压气瓶对混合气体储气罐进行气体置换，反复抽真空、换气2次后对气体储气罐抽真空；
（2）按先后顺序分别打开SF6气体和另一种气体的高压气瓶向混合气体储气罐中按照比例混合SF6气体和另一种气体，静置24小时，使气体充分混合；
（3）开启真空泵将密封气室抽真空，通过压缩机将混合气体储气罐中的混合气体充入密封气室中，直至达到设定压强值；
（4）调节电极在密封气室中的间距，接通回路电源，并匀速升高调压器的电压，当输出电压达到电极间隙的击穿电压后，电极间绝缘击穿形成电弧等离子体；
（5）光同步触发探头探测到弧光之后，启动光谱检测装置采集电弧等离子体的光谱信息。
9.根据权利要求8所述的一种SF6混合气体等离子体光谱测量方法，其特征在于所述另一种气体为液化点在-50°C以下的气体，包括氮气、二氧化碳、四氟化碳、惰性气体。
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