CN108119749B - 一种sf6和n2混合气体充气装置及精确充气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SF6和N2混合气体充气装置及精确充气方法，其包括并联设置的SF6充气气路和N2充气气路、通过管路与SF6充气气路和N2充气气路连接的恒温加热器、通过管路与恒温加热器出气端连接的气体混合装置、通过管路与气体混合装置出气端连接的储气缓冲罐、通过管路与储气缓冲罐出气端连接的气体组分监测及反馈控制装置以及通过管路与气体组分监测及反馈控制装置连接的增压灌充装置，本发明根据所填充的SF6与N2气体质量流量，精确控制混合气体中两种气体的成分含量，具备自适应控制功能，能够检测GIS电气设备气室中的SF6与N2气体成分含量，自动控制SF6与N2气体填充速率与填充量。
Description
技术领域
本发明涉及一种SF6和N2混合气体充气装置及精确充气方法，属于电气设备气体绝缘材料技术领域。
背景技术
SF6(六氟化硫)气体具有优良的电气绝缘性能，在电力设备绝缘技术中得到了广泛应用，特别是在GIS(气体绝缘金属封闭式组合电器的简称)设备中应用了大量的SF6气体作为绝缘介质，SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿吨，而每年排放到大气中的SF6气体相当于1.25亿吨CO2气体。同时，排放在大气中的SF6气体难以降解，存在时间长，对全球变暖具有累积效应。联合国气候变化公约缔约方于1997年签订的《京都议定书》将SF6列为6种限制使用的温室气体之一，并要求在2020年基本限制SF6气体的使用。因此目前常采用SF6/N2混合气体用于替代纯SF6气体作为绝缘气体。
SF6/N2混合气体中SF6的比例低于30％时仍具有较好的绝缘强度，而此时能节省大部分SF6的使用，具有较高的推广价值。在不考虑混合气体的灭弧性能的前提下，在GIS设备中除报断路器和隔离开关的其它气室中，低SF6比例的SF6/N2混合气体不仅可大量减少SF6的使用，而且可有效避免SF6气体在低温下的液化问题。
国内外目前在研究混合气体绝缘性能以及现场应用混合气体时，仍采用先充入SF6，再充入N2的方法，此时存在充气效率低，两种气体比例不易把控，且在充气过程中容易混入空气中的水分等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种混合充分、自动控制的SF6和N2混合气体充气装置及精确充气方法。
本发明采用如下技术方案：
本发明充气装置包括并联设置的SF6充气气路和N2充气气路、通过管路与SF6充气气路和N2充气气路连接的恒温加热器、通过管路与恒温加热器出气端连接的气体混合装置、通过管路与气体混合装置出气端连接的储气缓冲罐、通过管路与储气缓冲罐出气端连接的气体组分监测及反馈控制装置以及通过管路与气体组分监测及反馈控制装置连接的增压灌充装置，所述增压灌充装置通过管路与GIS电气设备连接，所述SF6充气气路和N2充气气路的结构相同；在所述反馈控制装置和增压灌充装置之间安装第三控制阀，在所述第三控制阀和增压灌充装置之间通过管路并联安装第四控制阀和抽真空装置。
本发明充气装置所述SF6充气气路包括通过管路依次串联设置的第一气瓶、第一减压稳压器和第一质量流量控制器；在所述第一气瓶和第一减压稳压器之间安装第一控制阀，在所述第一减压稳压器和第一质量流量控制器之间安装第一气体压力表；N2充气气路包括第二气瓶、第二减压稳压器和第二质量流量控制器；在所述第二气瓶和第二减压稳压器之间安装第二控制阀，在所述第二减压稳压器和第二质量流量控制器之间安装第二气体压力表；所述第一质量流量控制器和第二质量流量控制器并联设置后通过管路与恒温加热器的进气端连接。
本发明充气装置所述增压灌充装置和SF6电气设备之间安装混充气体压力表和第五控制阀。
本发明充气装置所述恒温加热器包括恒温加热器壳体、设置在恒温加热器壳体内呈波浪形的加热管以及设置在加热管之间的导流隔板；相邻的两个导流隔板分别对应的设置在加热管波浪形的波峰下部和波谷上部且均设有间隙，恒温加热器壳体一侧下部设置进气口，在恒温加热器壳体另一侧上部设置出气口，在出气口上安装温度传感器，在恒温加热器壳体另一侧下部设置电源控制器，穿过加热管的上端口和下端口在加热管内设置电热丝并在其间隙内填充氧化镁粉，电热丝两端与电源控制器连接；所述气体混合装置包括圆筒形状的气体混合壳体、设置在气体混合壳体顶壁上与其内腔连通的出气管、出口设置在气体混合壳体内的进气管以及间隔设置在气体混合壳体内的第一隔板和第二隔板，所述进气管底部与气体混合壳体的底壁相邻，所述第一隔板密封套装在进气管外壁上，第一隔板外缘与气体混合壳体的内壁间隙设置；所述第二隔板间隙套装在进气管上且其外缘与气体混合壳体的内壁固定设置；所述储气缓冲罐包括缓冲罐壳体、设置在缓冲罐壳体顶部的压强调节器、设置在缓冲罐壳体内的活动隔板、设置活动隔板下方的气囊以及设置在缓冲罐壳体底部与气囊连通的下进气管和下出气管。
本发明充气装置所述抽真空装置为双级旋片式真空泵。
本发明充气装置所述增压灌充装置为双级压缩螺杆空压机。
本发明SF6和N2混合气体精确充气方法，采用如下步骤：
步骤a、根据混合气体的目标成分体积比例计算相应的质量比例，初始设定质量流量控制器的流量设定；
步骤b、利用双级旋片式真空泵将SF6充气气路、N2充气气路、恒温加热器、气体混合装置、储气缓冲罐、气体组分监测及反馈控制装置和增压灌充装置抽真空至10Pa以下；
步骤c、关闭第四控制阀，开启SF6充气气路和N2充气气路，按照设定的质量流量将SF6和N2气体初步混合，然后输入至恒温加热器，使混合气体达到室温；
步骤d、由恒温加热器将达到室温的混合气体输入气体混合装置，在气体混合装置内使SF6和N2气体经过充分混合，得到均匀的混合气体，输入储气缓冲罐内；
步骤e、经气体组分监测及反馈控制装置监测各气体的比例，并经气体组分监测及反馈控制装置对输入的气体流量进行微调，然后输入增压灌充装置内；
步骤f、经增压灌充装置将SF6和N2气体比例准确的混合气体增压并灌充入GIS电气设备内。
本发明积极效果如下：本发明双级旋片式真空泵将SF6充气气路、N2充气气路、恒温加热器、气体混合装置、储气缓冲罐、气体组分监测及反馈控制装置和增压灌充装置抽真空至10Pa以下，抽真空速率快，使装置中的空气及湿气抽除，第一质量流量控制器和第二质量流量控制器分别控制SF6和N2气体的充入量，实现混合气体精确配比，上述混合气体的浓度不受环境温度和压力变化的影响；输入初步混合的气体后通过恒温加热器进行恒温加热，能使混合气体中两种组分气体温度一致，达到室温标准；通过气体混合装置的充分调和，使两种气体混合均匀，气体组分监测及反馈控制装置，监测储气缓冲罐中混合气体各组分实际比例，提供反馈信号控制质量流量控制器进行流量调整。
本发明根据所填充的SF6与N2气体质量流量，精确控制混合气体中两种气体的成分含量，具备自适应控制功能，能够检测GIS电气设备气室中的SF6与N2气体成分含量，自动控制SF6与N2气体填充速率与填充量。
附图说明
附图1为本发明SF6和N2混合气体充气装置结构示意图；
附图2为本发明恒温加热器结构示意图；
附图3为本发明气体混合装置结构示意图；
附图4为本发明储气缓冲罐结构示意图。
在附图中：1第一气瓶、2第二气瓶、3第一控制阀、4第二控制阀、5第一减压稳压器、6第二减压稳压器、7第一气体压力表、8第二气体压力表、9第一质量流量控制器、10第二质量流量控制器、11恒温加热器、111进气口、112加热管、113导流隔板、114恒温加热器壳体、115上端口、116温度传感器、117出气口、118电源控制器、119下端口、12气体混合装置、121进气管、122出气管、123气体混合壳体、124第一隔板、125第二隔板、13储气缓冲罐、131缓冲罐壳体、132压强调节器、133活动隔板、134气囊、135下进气管、136下出气管、14气体组分监测及反馈控制装置、15第三控制阀、16第四控制阀、17抽真空装置、18增压灌充装置、19混充气体压力表、20第五控制阀、21 GIS电气设备。
具体实施方式
如附图1-4所示，本发明充气装置包括并联设置的SF6充气气路和N2充气气路、通过管路与SF6充气气路和N2充气气路连接的恒温加热器11、通过管路与恒温加热器11出气端连接的气体混合装置12、通过管路与气体混合装置12出气端连接的储气缓冲罐13、通过管路与储气缓冲罐13出气端连接的气体组分监测及反馈控制装置14以及通过管路与气体组分监测及反馈控制装置14连接的增压灌充装置18，所述增压灌充装置18通过管路与GIS电气设备21连接，所述SF6充气气路和N2充气气路的结构相同；在所述反馈控制装置14和增压灌充装置18之间安装第三控制阀15，在所述第三控制阀15和增压灌充装置18之间通过管路并联安装第四控制阀16和抽真空装置17；所述抽真空装置17为双级旋片式真空泵；所述增压灌充装置18为双级压缩螺杆空压机。
本发明充气装置所述SF6充气气路包括通过管路依次串联设置的第一气瓶1、第一减压稳压器5和第一质量流量控制器9；在所述第一气瓶1和第一减压稳压器5之间安装第一控制阀3，在所述第一减压稳压器5和第一质量流量控制器9之间安装第一气体压力表7；N2充气气路包括第二气瓶2、第二减压稳压器6和第二质量流量控制器10；在所述第二气瓶2和第二减压稳压器6之间安装第二控制阀4，在所述第二减压稳压器6和第二质量流量控制器10之间安装第二气体压力表8；所述第一质量流量控制器9和第二质量流量控制器10并联设置后通过管路与恒温加热器11的进气端连接。
本发明充气装置所述增压灌充装置18和SF6电气设备21之间安装混充气体压力表19和第五控制阀20。
本发明充气装置所述恒温加热器11包括恒温加热器壳体114、设置在恒温加热器壳体114内呈波浪形的加热管112以及设置在加热管112之间的导流隔板113；相邻的两个导流隔板113分别对应的设置在加热管112波浪形的波峰下部和波谷上部且均设有间隙，恒温加热器壳体114一侧下部设置进气口111，在恒温加热器壳体114另一侧上部设置出气口117，在出气口117上安装温度传感器116，在恒温加热器壳体114另一侧下部设置电源控制器118，穿过加热管112的上端口115和下端口119在加热管112内设置电热丝并在其间隙内填充氧化镁粉，电热丝两端与电源控制器118连接；气体经进气口111进入恒温加热器壳体114中，由导流隔板113分隔形成曲折的气体回路，通过加热管112内设置的电热丝对气体进行充分加热，加热管112为不锈钢管，在加热管112内装入电热丝，空隙部分填满有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉，由电源控制器118提供电流，经上端口115和下端口119与电热丝形成导电回路，电热丝发热并由加热管112散发热量对气体进行加热；在出气口117部位由温度传感器116测量出口气体的温度，并与电源控制器118通过控制回路形成反馈控制，控制通入电热丝的电流大小，以达到控制气体加热温度的目的。所述气体混合装置12包括气体混合壳体123、设置在气体混合壳体123顶壁上与其内腔连通的出气管122、出口设置在气体混合壳体123内的进气管121以及间隔设置在气体混合壳体123内的第一隔板124和第二隔板125，所述气体混合壳体123是以进气管121轴线为中心的圆筒形状，所述进气管122底部与气体混合壳体123的底壁相邻，所述第一隔板124密封套装在进气管121外壁上，第一隔板124外缘与气体混合壳体123的内壁间隙设置；所述第二隔板125间隙套装在进气管121上且其外缘与气体混合壳体123的内壁固定设置；混合气体通过进气管121进入气体混合壳体123底部，通过多层级间隔设置的第一隔板124和第二隔板125后使气体充分混合，初步混合后的气体通过进气管121进入气体混合壳体123底部后，由最下层的第一隔板124阻挡，以进气管121底端为圆心将气体导流扩散向第一隔板124的外缘，折向上，由最下层第二隔板125阻挡，导流向第二隔板125內缘收拢汇集，并再次折向上，如此多次扩散和汇集混合气体，使混合气体得以充分混合，通过出气管122输出。所述储气缓冲罐13包括缓冲罐壳体131、设置在缓冲罐壳体131顶部的压强调节器132、设置在缓冲罐壳体131内的活动隔板133、设置活动隔板133下方的气囊134以及设置在冲罐壳体131底部与气囊134连通的下进气管135和下出气管136；压强调节器132根据气囊134内的所充入混合气体量的大小自动调节活动隔板133的高度，当气囊134由下进气管135充入混合气体且第三控制阀15未打开时，压强调节器132自动调节活动隔板133位置上升，当气囊134内混合气体经由增压灌充装置18输出时，压强调节器132自动调节活动隔板133位置下降，保持气囊134内的混合气体气体压强稳定。
本发明精确充气方法采用如下步骤：
步骤a、根据混合气体的目标成分体积比例计算相应的质量比例，初始设定质量流量控制器的流量设定；
步骤b、利用双级旋片式真空泵将SF6充气气路、N2充气气路、恒温加热器11、气体混合装置12、储气缓冲罐13、气体组分监测及反馈控制装置14和增压灌充装置18抽真空至10Pa以下；
步骤c、关闭第四控制阀16，开启SF6充气气路和N2充气气路，按照设定的质量流量将SF6和N2气体初步混合，然后输入至恒温加热器11，使混合气体达到室温；
步骤d、由恒温加热器11将达到室温的混合气体输入气体混合装置12，在气体混合装置12内使SF6和N2气体经过充分混合，得到均匀的混合气体，输入储气缓冲罐13内；
步骤e、经气体组分监测及反馈控制装置14监测各气体的比例，并经气体组分监测及反馈控制装置14对输入的气体流量进行微调，然后输入增压灌充装置18内；
步骤f、经增压灌充装置18将SF6和N2气体比例准确的混合气体增压并灌充入GIS电气设备21内。
本发明双级旋片式真空泵将SF6充气气路、N2充气气路、恒温加热器11、气体混合装置12、储气缓冲罐13、气体组分监测及反馈控制装置14和增压灌充装置18抽真空至10Pa以下，抽真空速率快，使装置中的空气及湿气抽除，第一质量流量控制器9和第二质量流量控制器10分别控制SF6和N2气体的充入量，实现混合气体精确配比，上述混合气体的浓度不受环境温度和压力变化的影响；输入初步混合的气体后通过恒温加热器11进行恒温加热，能使混合气体中两种组分气体温度一致，达到室温标准；通过气体混合装置12的充分调和，使两种气体混合均匀，气体组分监测及反馈控制装置，监测储气缓冲罐中混合气体各组分实际比例，提供反馈信号控制质量流量控制器进行流量调整。
本发明根据所填充的SF6与N2气体质量流量，精确控制混合气体中两种气体的成分含量，具备自适应控制功能，能够检测GIS电气设备气室中的SF6与N2气体成分含量，自动控制SF6与N2气体填充速率与填充量。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种SF6和N2混合气体充气装置，其特征在于其包括并联设置的SF6充气气路和N2充气气路、通过管路与SF6充气气路和N2充气气路连接的恒温加热器（11）、通过管路与恒温加热器（11）出气端连接的气体混合装置（12）、通过管路与气体混合装置（12）出气端连接的储气缓冲罐（13）、通过管路与储气缓冲罐（13）出气端连接的气体组分监测及反馈控制装置（14）以及通过管路与气体组分监测及反馈控制装置（14）连接的增压灌充装置（18），所述增压灌充装置（18）通过管路与GIS电气设备（21）连接，所述SF6充气气路和N2充气气路的结构相同；在所述气体组分监测及反馈控制装置（14）和增压灌充装置（18）之间安装第三控制阀（15），在所述第三控制阀（15）和增压灌充装置（18）之间通过管路并联安装第四控制阀（16）和抽真空装置（17）；
所述SF6充气气路包括通过管路依次串联设置的第一气瓶（1）、第一减压稳压器（5）和第一质量流量控制器（9）；在所述第一气瓶（1）和第一减压稳压器（5）之间安装第一控制阀（3），在所述第一减压稳压器（5）和第一质量流量控制器（9）之间安装第一气体压力表（7）；
N2充气气路包括第二气瓶（2）、第二减压稳压器（6）和第二质量流量控制器（10）；在所述第二气瓶（2）和第二减压稳压器（6）之间安装第二控制阀（4），在所述第二减压稳压器（6）和第二质量流量控制器（10）之间安装第二气体压力表（8）；
所述第一质量流量控制器（9）和第二质量流量控制器（10）并联设置后通过管路与恒温加热器（11）的进气端连接；
所述增压灌充装置（18）和GIS电气设备（21）之间安装混充气体压力表（19）和第五控制阀（20）；
所述恒温加热器（11）包括恒温加热器壳体（114）、设置在恒温加热器壳体（114）内呈波浪形的加热管（112）以及设置在加热管（112）之间的导流隔板（113）；相邻的两个导流隔板（113）分别对应的设置在加热管（112）波浪形的波峰下部和波谷上部且均设有间隙，恒温加热器壳体（114）一侧下部设置进气口（111），在恒温加热器壳体（114）另一侧上部设置出气口（117），在出气口（117）上安装温度传感器（116），在恒温加热器壳体（114）另一侧下部设置电源控制器（118），穿过加热管（112）的上端口（115）和下端口（119）在加热管（112）内设置电热丝并在其间隙内填充氧化镁粉，电热丝两端与电源控制器（118）连接；
所述气体混合装置（12）包括圆筒形状的气体混合壳体（123）、设置在气体混合壳体（123）顶壁上与其内腔连通的出气管（122）、出口设置在气体混合壳体（123）内的进气管（121）以及间隔设置在气体混合壳体（123）内的第一隔板（124）和第二隔板（125），所述进气管（121）底部与气体混合壳体（123）的底壁相邻，所述第一隔板（124）密封套装在进气管（121）外壁上，第一隔板（124）外缘与气体混合壳体（123）的内壁间隙设置；所述第二隔板（125）间隙套装在进气管（121）上且其外缘与气体混合壳体（123）的内壁固定设置；
所述储气缓冲罐（13）包括缓冲罐壳体（131）、设置在缓冲罐壳体（131）顶部的压强调节器（132）、设置在缓冲罐壳体（131）内的活动隔板（133）、设置在活动隔板（133）下方的气囊（134）以及设置在缓冲罐壳体（131）底部与气囊（134）连通的下进气管（135）和下出气管（136）。
2.根据权利要求1所述的一种SF6和N2混合气体充气装置，其特征在于所述抽真空装置（17）为双级旋片式真空泵。
3.根据权利要求1所述的一种SF6和N2混合气体充气装置，其特征在于所述增压灌充装置（18）为双级压缩螺杆空压机。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的SF6和N2混合气体充气装置的精确充气方法，其特征在于采用如下步骤：
步骤a、根据混合气体的目标成分体积比例计算相应的质量比例，初始设定质量流量控制器的流量设定；
步骤b、利用双级旋片式真空泵将SF6充气气路、N2充气气路、恒温加热器（11）、气体混合装置（12）、储气缓冲罐（13）、气体组分监测及反馈控制装置（14）和增压灌充装置（18）抽真空至10Pa以下；
步骤c、关闭第四控制阀（16），开启SF6充气气路和N2充气气路，按照设定的质量流量将SF6和N2气体初步混合，然后输入至恒温加热器（11），使混合气体达到室温；
步骤d、由恒温加热器（11）将达到室温的混合气体输入气体混合装置（12），在气体混合装置（12）内使SF6和N2气体经过充分混合，得到均匀的混合气体，输入储气缓冲罐（13）内；
步骤e、经气体组分监测及反馈控制装置（14）监测各气体的比例，并经气体组分监测及反馈控制装置（14）对输入的气体流量进行微调，然后输入增压灌充装置（18）内；
步骤f、经增压灌充装置（18）将SF6和N2气体比例准确的混合气体增压并灌充入GIS电气设备（21）内。
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