CN108152370B - 一种sf6和n2混合气体组分比例快速检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置和方法,SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置包括气体样本采集装置、气体样本测量装置和主机；所述气体样本采集装置与体样本测量装置相连接；所述气体样本测量装置和主机相连接；对于初次和重复使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，本发明采用二元气体超声检测来检测SF₆和N₂混合气体组分比例，超声波检测具有很强的稳定性，其检测数据的准确度比普通的热导检测高；本发明在检测过程中需要的SF₆和N₂混合气体较少，不影响环境。

Description

一种SF6和N2混合气体组分比例快速检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置和方法,属于电力行业混合绝缘气体检测技术领域。

背景技术

纯净的SF₆(六氟化硫)气体在常温常压下为无色、无臭、无毒、不可燃烧的气体，具有优异的绝缘特性和灭弧能力，是一种理想的绝缘介质。随着电力工业的迅速发展和技术装备水平的提高，大量的六氟化硫断路器及全封闭组合电器不断地投入建设和运行，六氟化硫用量越来越大。

但是，SF₆气体在应用中也有其不足之处：(1)对电场均匀程度比较敏感，只有在均匀或稍不均匀电场中才能显示出它的优势； (2)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；(3)SF₆气体的价格比较高，提高了成本。

近年来，国内外对减少温室气体排放、保护环境工作越来越重视，为响应环保要求，各大相关行业均在减少六氟化硫温室气体的排放；在高压开关电气设备中也在减少六氟化硫气体用量，推进混合绝缘气体在电气设备的应用，尤其要推动SF₆和N₂混合绝缘气体的使用，在使用中，需对SF₆和N₂混合绝缘气体进行纯度检测。

目前对SF₆和N₂混合气体纯度检测的方法主要有微型热导池及红外线吸收法。热导池检测器的检测原理是基于不同组分与载气之间有不同的热导系数，热导池检测工作时，接通载气并保持池体恒温，此时流经的载气成份和流量都是稳定的，流经热敏元件电流也是稳定的，由热敏元件组成的电桥处于平衡状态。当经色谱柱分离后的组份被载气带入热导池中由于组份和载气的热传导率不同，因而使热敏元件温度发生变化，并导致电阻发生变化，从而导致电桥不平衡，输出电压信号，此信号的大小与被测组份的浓度成函数关系，再由记录仪或色谱数据处理机进行换算从而得到气体的组分。但微型热导池测量精度易受环境温度的影响，即使增加了温度补偿，使用一段时间后也会出现零点漂移现象。红外线吸收法原理是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表，红外线吸收法检测时需一直进行SF₆和N₂混合排放，从而污染环境。

目前国内外涉及SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法和装置的均有很强局限性。中国专利“低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置”(专利号CN201210386237.9)和中国专利“一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置”(专利号CN201210022878.6)，存在下列缺点：一是仅可检测微量六氟化硫气体浓度，不能检测高浓度六氟化硫气体组分比例；二是所提供的方法中参量较多，被检测参量的误差较大，不利于快速、准确检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、快速、准确、环保的SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法和装置。

本发明采用如下技术方案：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置，包括气体样本采集装置、气体样本测量装置和主机；所述气体样本采集装置与气体样本测量装置相连接；所述气体样本测量装置和主机相连接。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置所述气体样本采集装置包括进气装置和排气装置，所述进气装置包括依次设置的第一进气管路、第一单向阀、第二进气管路、第二单向阀和第三进气管路；所述第二进气管路侧部通过第四进气管路与高纯 N₂瓶的出气端连接，在所述第四进气管路上设置第三单向阀；在所述第一进气管路的进气端设置进气自封接头；所述排气装置包括依次设置的排气管路、第四单向阀和真空泵；所述第三进气管路与气体样本采集装置的进气端连接，所述排气管路与气体样本采集装置的排气端连接。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置所述气体样本测量装置包括气体密闭罐体、对称设置在气体密闭罐体内顶壁上的第一超声波传感器和底壁上的第二超声波传感器以及设置在气体密闭罐体内的气体压力传感器和温度传感器，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器气体压力传感器和温度传感器分别通过数据线与主机连接；所述第三进气管路与气体密闭罐体的进气端连接，所述排气管路与气体密闭罐体的排气端连接；第一超声波传感器和第二超声波传感器的距离为L。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置，所述真空泵的型号为VAA6005；所述第一超声波传感器和第二超声波传感器的型号为T/R-40-18A；所述主机的型号为IPC-620H；所述气体压力传感器的型号为PTG500；所述温度传感器的型号为Pt20。

本发明一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，采用如下步骤：

步骤(一).关闭第一单向阀和第三单向阀，打开第二单向阀和第四单向阀，通过真空泵对气体密闭罐体抽真空，使气体密闭罐体内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(二).关闭第四单向阀，打开第三单向阀，将N₂从高纯N₂瓶中充入气体密闭罐体内，主机通过气体压力传感器显示气体密闭罐体内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀和第二单向阀；

步骤(三).主机测量高纯N₂充入气体密闭罐体后第一超声波传感器、第二超声波传感器、气体压力传感器和温度传感器的信号，利用主机的计时功能记录超声波在气体密闭罐体内L传输时间为t₀，气体密闭罐体内温度为T₀；

步骤(四).重复步骤(一)；

步骤(五).关闭第四单向阀和第三单向阀，将进气自封接头与充有SF₆和N₂混合气体的GIS设备罐体连接，然后打开第一单向阀和第二单向阀，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体，主机通过气体压力传感器显示气体密闭罐体内压力达到0.01MPa 时，关闭第一单向阀和第二单向阀；

步骤(六).重复步骤(二)，利用N₂气体将SF₆和N₂混合气体稀释，稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体含量降低至原来的十分之一。

步骤(七).主机测量稀释后的SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体后第一超声波传感器、第二超声波传感器、气体压力传感器和温度传感器的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体内L传输时间为t₁，气体密闭罐体内温度为T₁；

步骤(八).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，重复对SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测时，采用如下步骤：

步骤(一).查找初次使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法检测时测得的数据L、t_o、T_O；

步骤(二).关闭第一单向阀和第三单向阀，打开第二单向阀和第四单向阀，通过真空泵对气体密闭罐体抽真空，使气体密闭罐体内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(三).关闭第四单向阀和第三单向阀，将进气自封接头与充有SF₆和N₂混合气体的GIS、设备或罐体连接，然后打开第一单向阀和第二单向阀，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体，主机通过气体压力传感器显示气体密闭罐体内压力达到0.01MPa 时，关闭第一单向阀和第二单向阀；

步骤(四).打开第三单向阀，将N₂从高纯N₂瓶中充入气体密闭罐体内，主机通过气体压力传感器显示气体密闭罐体(13) 内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀和第二单向阀；

步骤(五).主机测量稀释后的SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体后第一超声波传感器、第二超声波传感器、气体压力传感器和温度传感器的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体内L传输时间为t₂，气体密闭罐体内温度为T₂；

步骤(六).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

本发明积极效果如下：

1、本发明第一超声波传感器和第二超声波传感器可实现对超声波的发射与接收，气体压力传感器和温度传感器分别测量气体密闭罐体内的压强和温度，主机具有数据采集和处理、显示处理结果的功能，具有操作简单的特点。

2、本发明采用二元气体超声检测来检测SF₆和N₂混合气体组分比例，超声波检测具有很强的稳定性，其检测数据的准确度比普通的热导检测方法准确度高。

3、本发明在检测过程中需要的SF₆和N₂混合气体较少，相比热导池及红外线吸收法减少了SF₆气体排放，降低了对环境的影响。

4、本发明在检测过程中仅涉及压力、时间和温度三个参量，并通过时间和温度两个参量计算SF₆和N₂混合气体组分比例，相比传统的检测方法提高了检测速度。

附图说明

附图1为本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明做进一步说明：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置包括气体样本采集装置、气体样本测量装置和主机18；所述气体样本采集装置与气体样本测量装置相连接；所述气体样本测量装置和主机相连接，所述主机18的型号为IPC-620H。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置所述气体样本采集装置包括进气装置和排气装置，所述进气装置包括依次设置的第一进气管路1、第一单向阀2、第二进气管路3、第二单向阀4和第三进气管路5；所述第二进气管路3侧部通过第四进气管路6与高纯N₂瓶7的出气端连接，在所述第四进气管路6上设置第三单向阀8；在所述第一进气管路1的进气端设置进气自封接头12；所述排气装置包括依次设置的排气管路9、第四单向阀 10和真空泵11；所述第三进气管路5与气体样本采集装置的进气端连接，所述排气管路9与气体样本采集装置的排气端连接，所述真空泵11的型号为VAA6005。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置所述气体样本测量装置包括气体密闭罐体13、对称设置在气体密闭罐体13 内顶壁上的第一超声波传感器14和底壁上的第二超声波传感器 15以及设置在气体密闭罐体13内的气体压力传感器16和温度传感器17，所述第一超声波传感器14、第二超声波传感器15气体压力传感器16和温度传感器17分别通过数据线与主机18连接；所述第三进气管路5与气体密闭罐体13的进气端连接，所述排气管路9与气体密闭罐体13的排气端连接；第一超声波传感器14 和第二超声波传感器15的距离为L。所述第一超声波传感器14 和第二超声波传感器15的型号为T/R-40-18A；所述气体压力传感器16的型号为PTG500；所述温度传感器17的型号为Pt20。

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法实施例一：

如附图1所示，对于初次使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，采用如下步骤：

步骤(一).关闭第一单向阀2和第三单向阀8，打开第二单向阀4和第四单向阀10，通过真空泵(11)对气体密闭罐体13 抽真空，使气体密闭罐体13内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(二).关闭第四单向阀10，打开第三单向阀8，将N₂从高纯N₂瓶7中充入气体密闭罐体13内，主机18通过气体压力传感器16显示气体密闭罐体13内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀8和第二单向阀4；高纯N₂瓶中的N₂纯度为99.999％；

步骤(三).主机18测量高纯N₂充入气体密闭罐体13后第一超声波传感器14、第二超声波传感器15、气体压力传感器16 和温度传感器17的信号，利用主机18的计时功能记录超声波在气体密闭罐体13内L传输时间为t₀，气体密闭罐体13内温度为 T₀；

步骤(四).重复步骤(一)；

步骤(五).关闭第四单向阀10和第三单向阀8，将进气自封接头12与充有SF₆和N₂混合气体的GIS、设备或罐体连接，然后打开第一单向阀2和第二单向阀4，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体13，主机18通过气体压力传感器16显示气体密闭罐体13内压力达到0.01MPa时，关闭第一单向阀2和第二单向阀 4；

步骤(六).重复步骤(二)，利用N₂气体将SF₆和N₂混合气体稀释，稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体含量降低至原来的十分之一。

步骤(七).主机18测量稀释后的SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体13后第一超声波传感器14、第二超声波传感器15、气体压力传感器16和温度传感器17的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体13内L传输时间为t₁，气体密闭罐体13 内温度为T₁；

步骤(八).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

理想气体中声速c、压力P和气体密度的表达式为：

式中：P为压力，单位：MPa；ρ为密度，单位：kg/m³；γ为系数。

理想气体状态方程的一种表达式为：

PM＝kTρ (2)

式中：P为压力，单位：MPa；M为气体的摩尔质量，单位:kg/mol；k为理想气体常数，单位：J/(mol*K)；ρ为密度，单位：kg/m³；T为温度，单位为K。

由式(1)和式(2)得：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置中第一超声波传感器14与第二超声波传感器间声波传输速率为：

稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例为x₁，则SF₆和N₂混合气体摩尔质量为：

式中：

为SF₆气体摩尔质量，单位:kg/mol；

为N₂气体摩尔质量，单位:kg/mol。

由式(3)、(4)、(5)，结合实施例一，可得：

将γ₀≈γ₁，

代入式(6) 可得稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例为：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法实施例二：

如附图1所示，对于重复使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，采用如下步骤：

步骤(一).查找初次使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法检测时测得的数据L、t_o、T_O；

步骤(二).关闭第一单向阀2和第三单向阀8，打开第二单向阀4和第四单向阀10，通过真空泵11对气体密闭罐体13抽真空，使气体密闭罐体13内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(三).关闭第四单向阀10和第三单向阀8，将进气自封接头12与充有SF₆和N₂混合气体的GIS、设备或罐体连接，然后打开第一单向阀2和第二单向阀4，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体13，主机18通过气体压力传感器16显示气体密闭罐体13内压力达到0.01MPa时，关闭第一单向阀2和第二单向阀 4；

步骤(四).打开第三单向阀8，将N₂从高纯N₂瓶7中充入气体密闭罐体13内，主机18通过气体压力传感器16显示气体密闭罐体13内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀8和第二单向阀4；

步骤(五).主机18测稀释后的量SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体13后第一超声波传感器14、第二超声波传感器15、气体压力传感器16和温度传感器17的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体13内L传输时间为t₂，气体密闭罐体13 内温度为T₂；

步骤(六).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

理想气体中声速c、压力P和气体密度的表达式为：

式中：P为压力，单位：MPa；ρ为密度，单位：kg/m³；γ为系数。

理想气体状态方程的一种表达式为：

PM＝kTρ (8)

式中：P为压力，单位：MPa；M为气体的摩尔质量，单位:kg/mol；k为理想气体常数，单位：J/(mol*K)；ρ为密度，单位：kg/m³；T为温度，单位为K。

由式(7)和式(8)得：

本发明SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置中第一超声波传感器14与第二超声波传感器间声波传输速率为：

稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例为x₁，则SF₆和N₂混合气体摩尔质量为：

式中：

为SF₆气体摩尔质量，单位:kg/mol；

为N₂气体摩尔质量，单位:kg/mol。

由式(9)、(10)、(11)，结合实施例一可得：

将γ₀≈γ₂，

代入式(12) 可得稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例为：

本发明第一超声波传感器14和第二超声波传感器15可实现对超声波的发射与接收，气体压力传感器16和温度传感器17分别测量气体密闭罐体13内的压强和温度，主机18具有数据采集和处理、显示处理结果的功能。

本发明采用二元气体超声检测来检测SF₆和N₂混合气体组分比例，超声波检测具有很强的稳定性，其检测数据的准确度比普通的热导检测高；本发明在检测过程中需要的SF₆和N₂混合气体较少，不影响环境，本发明能够进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测，相比传统的检测方法提高了检测速度。

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 (3)

1.一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置，其特征在于其包括气体样本采集装置、气体样本测量装置和主机(18)；所述气体样本采集装置与气体样本测量装置相连接；所述气体样本测量装置和主机相连接；

所述气体样本采集装置包括进气装置和排气装置，

所述进气装置包括依次设置的第一进气管路(1)、第一单向阀(2)、第二进气管路(3)、第二单向阀(4)和第三进气管路(5)；所述第二进气管路(3)侧部通过第四进气管路(6)与高纯N₂瓶(7)的出气端连接，在所述第四进气管路(6)上设置第三单向阀(8)；在所述第一进气管路(1)的进气端设置进气自封接头(12)；

所述排气装置包括依次设置的排气管路(9)、第四单向阀(10)和真空泵(11)；

所述第三进气管路(5)与气体样本采集装置的进气端连接，所述排气管路(9)与气体样本采集装置的排气端连接；

所述气体样本测量装置包括气体密闭罐体(13)、对称设置在气体密闭罐体(13)内顶壁上的第一超声波传感器(14)和底壁上的第二超声波传感器(15)以及设置在气体密闭罐体(13)内的气体压力传感器(16)和温度传感器(17)，所述第一超声波传感器(14)、第二超声波传感器(15)气体压力传感器(16)和温度传感器(17)分别通过数据线与主机(18)连接；

所述第三进气管路(5)与气体密闭罐体(13)的进气端连接，所述排气管路(9)与气体密闭罐体(13)的排气端连接；

第一超声波传感器(14)和第二超声波传感器(15)的距离为L；

所述真空泵的型号为VAA6005；所述第一超声波传感器(14)和第二超声波传感器(15)的型号为T/R-40-18A；

所述主机(18)的型号为IPC-620H；所述气体压力传感器(16)的型号为PTG500；所述温度传感器(17)的型号为Pt20。

2.一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，其特征在于采用如下步骤：

步骤(一).关闭第一单向阀(2)和第三单向阀(8)，打开第二单向阀(4)和第四单向阀(10)，通过真空泵(11)对气体密闭罐体(13)抽真空，使气体密闭罐体(13)内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(二).关闭第四单向阀(10)，打开第三单向阀(8)，将N₂从高纯N₂瓶(7)中充入气体密闭罐体(13)内，主机(18)通过气体压力传感器(16)显示气体密闭罐体(13)内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀(8)和第二单向阀(4)；

步骤(三).主机(18)测量高纯N₂充入气体密闭罐体(13)后第一超声波传感器(14)、第二超声波传感器(15)、气体压力传感器(16)和温度传感器(17)的信号，利用主机(18)的计时功能记录超声波在气体密闭罐体(13)内L传输时间为t₀，气体密闭罐体(13)内温度为T₀；

步骤(四).重复步骤(一)；

步骤(五).关闭第四单向阀(10)和第三单向阀(8)，将进气自封接头(12)与充有SF₆和N₂混合气体的GIS设备罐体连接，然后打开第一单向阀(2)和第二单向阀(4)，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体(13)，主机(18)通过气体压力传感器(16)显示气体密闭罐体(13)内压力达到0.01MPa时，关闭第一单向阀(2)和第二单向阀(4)；

步骤(六).重复步骤(二)，利用N₂气体将SF₆和N₂混合气体稀释，稀释后的SF₆和N₂混合气体中SF₆气体含量降低至原来的十分之一；

步骤(七).主机(18)测量稀释后的SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体(13)后第一超声波传感器(14)、第二超声波传感器(15)、气体压力传感器(16)和温度传感器(17)的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体(13)内L传输时间为t₁，气体密闭罐体(13)内温度为T₁；

步骤(八).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

3.根据权权利要求2所述的一种SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法，其特征在于重复对SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测时，采用如下步骤：

步骤(一).查找初次使用SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测装置进行SF₆和N₂混合气体组分比例快速检测方法检测时测得的数据L、t_o、T_O；

步骤(二).关闭第一单向阀(2)和第三单向阀(8)，打开第二单向阀(4)和第四单向阀(10)，通过真空泵(11)对气体密闭罐体(13)抽真空，使气体密闭罐体(13)内的真空度不大于133Pa时停止；

步骤(三).关闭第四单向阀(10)和第三单向阀(8)，将进气自封接头(12)与充有SF₆和N₂混合气体的GIS设备罐体连接，然后打开第一单向阀(2)和第二单向阀(4)，将SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体(13)，主机(18)通过气体压力传感器(16)显示气体密闭罐体(13)内压力达到0.01MPa时，关闭第一单向阀(2)和第二单向阀(4)；

步骤(四).打开第三单向阀(8)，将N₂从高纯N₂瓶(7)中充入气体密闭罐体(13)内，主机(18)通过气体压力传感器(16)显示气体密闭罐体(13)内压力达到0.1MPa时，关闭第三单向阀(8)和第二单向阀(4)；

步骤(五).主机(18)测量稀释后的SF₆和N₂混合气体充入气体密闭罐体(13)后第一超声波传感器(14)、第二超声波传感器(15)、气体压力传感器(16)和温度传感器(17)的信号，利用计时功能记录超声波在气体密闭罐体(13)内L传输时间为t₂，气体密闭罐体(13)内温度为T₂；

步骤(六).SF₆和N₂混合气体中SF₆气体所占比例由如下公式计算：

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