CN109580432B - 一种sf6/n2混合电气设备泄漏特性试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，它包括步骤1、搭建实验平台；步骤2、基于实验平台进行不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散试验；步骤3、SF6/N2在试验平台下充气方式不同的扩散试验；步骤4、基于实验平台进行相同压强不同混合比下SF6/N2的扩散试验；步骤5、基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验；解决了由于SF6和N2密度差异较大，存在当电气设备充入一定比例的SF6和N2进行混合，充气顺序不同是否会影响到二者混合均匀的时间，从而影响到设备的绝缘强度，以及在设备微漏后是否可以按照同样比例补充混合气体，从而保证设备的安全运行等问题。

Description

一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法
技术领域：
本发明属于SF6/N2混合气体扩散特性研究领域，尤其涉及一种 SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法。
背景技术：
SF6气体具有强温室效应(温室效应是CO2的23900倍)，在大气中存在3200年方能降解。为了降低对环境的危害，电网开始尝试推广SF6/N2混合电气设备。在设备经历长时间运行后，由于密封圈的老化、设备砂眼或腐蚀，不可避免的会出现设备微漏缺陷，紧急停电检修会造成大量经济损失；为了保证设备的绝缘强度不下降，避免安全风险，给设备补气势在必行。然而，由于SF6(密度6.1g/L)和N2(密度1.25g/L)密度差异较大，会存在当设备充入一定比例的SF6和N2进行混合，充气顺序不同是否会影响到二者混合均匀的时间，从而影响到设备的绝缘强度，以及在设备微漏后是否可以按照同样比例补充混合气体，从而保证设备的安全运行等问题。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，以解决由于SF6和N2密度差异较大，存在当电气设备充入一定比例的SF6和N2进行混合，充气顺序不同是否会影响到二者混合均匀的时间，从而影响到设备的绝缘强度，以及在设备微漏后是否可以按照同样比例补充混合气体，从而保证设备的安全运行等问题。
本发明的技术方案是：
一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，它包括：
步骤1、搭建实验平台；所述实验平台由三个相互垂直、长度为1.2 米的罐体组成，三个罐体相互连接贯通，三个罐体分别沿XYZ坐标轴放置；每个罐体上设有两个补气口；X轴方向罐体上的补气口为X1， X2；Y轴方向罐体上的补气口为Y1，Y2；Z轴方向罐体上的补气口为 Z1，Z2；
步骤2、基于实验平台进行不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散试验；
步骤3、SF6/N2在试验平台下充气方式不同的扩散试验；
步骤4、基于实验平台进行相同压强不同混合比下SF6/N2的扩散试验；
步骤5、基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验。
步骤2所述基于实验平台进行不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散试验方法包括：
步骤2.1、在试验平台中充N2到0.32MPa，随后充SF6直到设备压力达到0.4MPa，每隔一段时间监测X1、X2、Z1、Z2及Y2五个端口的 SF6气体体积浓度；
步骤2.2、将试验平台中的气体抽出，在设备中充入SF6达到 0.08MPa，随后充入N2达到0.4MPa，每隔一段时间监测X1、X2、 Z1、Z2及Y2五个端口的SF6气体纯度；
步骤2.3、在步骤2.2的混合气体中继续充入的SF6，继续检测各端口气体浓度；
步骤2.4、在压强0.5MPa、0.6MPa、0.7Mpa下进行SF6/N2配比2:8 混合扩散试验，分别先充入SF6气体0.1MPa、0.12MPa和0.14MPa，后充入N2至设备压力到0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa，并根据一定时间间隔检测各端口SF6气体浓度。
步骤4所述基于实验平台进行相同压强不同混合比下SF6/N2的扩散试验的方法包括：
步骤4.1、保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下，SF6/N2配比为1:9、3:7和4:6的扩散试验，先充入SF6后充入N2，监测得到在同一压强0.4MPa，先充SF6后充N2，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和 4:6时，各端口的SF6气体浓度在初始时刻即达到均匀混合状态，分别在浓度9.55％～10.10％、29.94％～30.12％和40.25％～40.34％区间波动，未出现分层现象；
步骤4.2、保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下，SF6/N2配比为1:9、3:7和4:6的扩散试验，先充入N2后充入SF6，监测得到在同一压强0.4MPa，先充N2后充SF6，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和 4:6时，在混合的初始时刻，出现了分层现象，各端口SF6浓度存在差异，随着时间推移逐渐混合均匀。
步骤5所述基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验的方法包括：
步骤5.1、将气体质量流量计的进口端与任意一个补气口连接；
气体质量流量计的出口端与真空气室连接；
步骤5.2、在试验平台中充入SF6/N2配比为1:9、2:8、3:7和4:6、压强为0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa的SF6/N2混合气体，并混合均匀；
步骤5.3、对真空气室抽真空，直到真空气室达到30Pa，调整气体质量流量计的流量，将试验平台中的混合气体以不大于1mL/mi n 的速度注入真空气室，模拟缓慢泄漏，直到真空气室达到常压；
步骤5.4、采用SF6红外纯度检测仪进行测量，测得缓慢泄漏到真空气室的SF6纯度。
本发明有益效果：
本发明搭建了试验平台，采用基于红外光谱的SF6检测技术进行 SF6气体浓度监测，得出了不同比例不同压强下混合气体的扩散效应，得出先充入N2比先充入SF6扩散均匀减少大量时间；且同一温度不同压强的设备发生缓慢泄漏缺陷时，可以用设备初始混合比例进行补气，从而保证混合电气设备的安全运行，解决了由于SF6和N2密度差异较大，存在当电气设备充入一定比例的SF6和N2进行混合，充气顺序不同是否会影响到二者混合均匀的时间，从而影响到设备的绝缘强度，以及在设备微漏后是否可以按照同样比例补充混合气体，从而保证设备的安全运行等问题。
说明书附图：
图1为SF6/N2配比2:8，先充N2后充SF6各端口SF6浓度曲线；
图2为SF6/N2配比2:8时，先充SF6后充N2各端口SF6浓度曲线；
图3为SF6/N2混合均匀后，再充入SF6后各端口SF6浓度曲线；
图4为SF6/N2配比2:8，先充SF6后充N2，0.5MPa各端口SF6浓度曲线图；
图5为SF6/N2配比2:8，先充SF6后充N2，0.6MPa各端口SF6浓度曲线图；
图6为SF6/N2配比2:8，先充SF6后充N2，0.7MPa各端口SF6浓度曲线图；
图7-9为SF6/N2配比2:8，先充N2后充SF6，0.5MPa，0.6MPa，0.7Mpa 时各端口SF6浓度曲线图；
图10-12为0.4MPa，先充SF6后充N2，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和 4:6时，各端口SF6浓度曲线图；
图13-15为0.4MPa，先充N2后充SF6，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和 4:6时，各端口SF6浓度曲线图。
具体实施方式
为了本领域技术人员进一步了解本发明技术构思，特举例对本发明方案进行说明：
试验平台的搭建
为了保证充分掌握混合气体设备的扩散效应和泄漏情况，在实验室搭建试验平台，
所述实验平台由三个相互垂直、长度为1.2米的罐体组成，三个罐体相互连接贯通，三个罐体分别沿XYZ坐标轴放置；每个罐体上设有两个补气口；X轴方向罐体上的补气口为X1，X2；Y轴方向罐体上的补气口为Y1，Y2；Z轴方向罐体上的补气口为Z1，Z2；试验平台设计成XYZ型主要考虑观察不同方位SF6的扩散速度，使用SF6红外纯度检测仪器从不同监测点准确检测出SF6的扩散情况。
X轴方向罐体上的补气口为X1，X2；X1远离坐标原点，X2靠近坐标原点。
Y轴方向罐体上的补气口为Y1，Y2；Y1远离坐标原点，Y2靠近坐标原点。
Z轴方向罐体上的补气口为Z1，Z2；Z1远离坐标原点，Z2靠近坐标原点。
SF6/N2混合气体扩散实验中，分别充入SF6和N2，在试验平台不同方位的6个补气口进行纯度测量，进而研究设备内部气体的扩散情况，主要包括以下几个方面：
(1)不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散情况；
(2)SF6/N2在试验平台下充气方式不同的扩散情况；
(3)相同压强不同混合比下SF6/N2(1:9、2:8、3:7、4:6)的扩散情况。
根据理想气体状态方程
PV＝nRT
P：气体压强。V：体积。n：物质的量。R:理想气体常数。T：热力学温度。
在本发明搭建的试验平台中，V、R、T在试验中都是定值，物质的量与压强成正比。因此可以通过充气压强的变化进行气体混合，形成不同配比的混合气体。总充气压强在0.4MPa～0.7MPa(绝对压强) 之间。此时不同混合比、不同压强的SF6/N2混合气体如表1所示。
表1不同混合比、不同压强的SF6/N2混合气体
Figure BDA0001959452750000061
以SF6/N2配比2:8，充至设备内部压强0.4MPa示例，试验步骤如下：
(1)将设备气室抽真空1h，直至压力低于30Pa；
(2)在x1口先充入少量SF6气体至指定压强(如0.08MPa，此时的混合气体为10％SF6+90％N2)；
(3)再继续充入N2至指定压强(0.4MPa)；
(4)间隔一段时间后在补气口用红外SF6纯度仪进行测量，直至检测到SF6纯度趋于稳定值，表明设备内部SF6/N2混合平均，记录试验数据。
上述试验步骤中也可以先充入N2，再充入SF6气体。按照相同的试验步骤进行SF6/N2 1:9、2:8、3:7、4:6配比，在不同压强(0.4MPa、 0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa)时的扩散情况。
SF6/N2比例2:8在不同压强时的扩散试验
在试验平台中充N2到0.32MPa，随后充SF6直到设备压力达到 0.4MPa，每隔一段时间(2-50小时)监测X1、X2、Z1、Z2及Y2五个端口的SF6气体体积浓度，将所测SF6浓度数据随时间变化绘制成图，由图可以看出，初始时刻气体出现明显分层现象，最高位口Z2 的SF6浓度最低，接近0，而另外三个端口Y2、X1、X2的SF6浓度变化趋势基本一致，SF6浓度高达28％。出现分层的主要原因是在充入密度较小的N2后再充入密度较大的SF6，使得大部分SF6沉在底部，即低端口的Y2、X1、X2浓度较大。随着时间的推移，SF6逐渐扩散，在 119h时各端口SF6浓度基本一致，扩散均匀后SF6气体浓度达到 22.42％。
将试验平台中的气体抽出，在设备中充入SF6达到0.08MPa，随后充入N2达到0.4MPa，每隔一段时间监测X1、X2、Z1、Z2及Y2五个端口的SF6气体纯度，为验证在SF6/N2混合气体中充入SF6对混合气体浓度的而影响，在上述混合气体中继续充入一定量的SF6，继续检测各端口气体浓度。从检测结果可以看出，各个端口的SF6气体浓度在初始时刻即达到均匀混合状态，在质量百分比浓度20％ (20.21％～20.33％)区间波动，未出现分层现象。在混合均匀的气体中充入SF6后，会出现分层现象，不同端口SF6浓度有较大差异，随着时间推移，SF6不断扩散，最终趋于均匀，数据稳定在27.5％左右。
在不同压强下(0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa)进行SF6/N2配比2:8 混合扩散试验，分别先充入SF6气体0.1MPa、0.12MPa和0.14MPa，后充入N2至设备压力到0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa，并根据时间间隔检测各端口SF6气体浓度，试验结果显示：
先充SF6后充N2时，三种压强状态下，各端口的SF6气体浓度在初始时刻即达到均匀混合状态，在浓度20％(20.18％～20.33％)区间波动，未出现分层现象。
随后，在试验平台中先充入N2，后充入SF6，各压强下试验结果显示：在混合的初始时刻，各端口SF6浓度存在显著差异，表现为SF6浓度在0～30％区间，出现了明显分层现象。在先充N2后充SF6气体时，各压强下(0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa)各端口达到浓度20.0％的时刻分别为119h、103h、95h及81h。由此可知，随着压强的增加，气体的扩散速度增加，即两种气体混合速度增加，更易混合均匀。
在相同压强下SF6/N2不同比例下的扩散试验
保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下(SF6/N2配比为 1:9、3:7和4:6)的扩散试验，先充入SF6后充入N2，试验结果显示：
在同一压强0.4MPa，先充SF6后充N2，SF6/N2配比分别为1:9、3:7 和4:6时，在各端口的SF6气体浓度在初始时刻即达到均匀混合状态，分别在浓度10％(9.55％～10.10％)、30％(29.94％～30.12％)和40％ (40.25％～40.34％)区间波动，未出现分层现象。
保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下(SF6/N2配比为 1:9、3:7和4:6)的扩散试验，先充入N2后充入SF6，试验结果显示：在同一压强0.4MPa，先充N2后充SF6，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和 4:6时，在混合的初始时刻，出现了分层现象，各端口SF6浓度存在差异，随着时间推移逐渐混合均匀。
基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验
在试验平台设备中充入不同比例(SF6/N2配比为1:9、2:8、3:7 和4:6)、不同压强(0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa)的SF6/N2混合气体，并混合均匀，对真空气室抽真空，直到真空气室达到30Pa，调整微型流量计的流量，将设备中混合气体缓慢注入真空气室，模拟缓慢泄漏，直到真空气室达到常压，采用SF6红外纯度检测仪对其进行测量，测得缓慢泄漏到真空气室的SF6纯度。
测试结果如表2所示。
表2不同压强下不同比例混合气体的泄漏试验测得的SF6浓度
Figure BDA0001959452750000081
由表2可知，混合气体进入缓冲气室后仍处于均匀混合状态，SF6浓度在初始混合比例附近浮动。压强并不影响缓慢泄漏时的SF6浓度。
本发明通过自行搭建的试验平台对SF6/N2混合电气设备的扩散效应和缓慢泄漏特性进行了试验，在不同时间段采用SF6红外纯度测试仪测得SF6浓度，建立了时间和浓度曲线，得到下述试验结果：
(1)SF6是N2密度的四倍，进入设备后SF6扩散比N2慢很多，因此补充气体时，先充N2再充SF6气体扩散至均匀所耗费的时间比先充 SF6再充N2多很多。
(2)随着压强增大，气体的扩散速度增加，可以缩减两种气体混合均匀的时间。
(3)在同一温度，不同压强条件下，SF6/N2混合电气设备尽管混合比例不一样，但在缓慢泄漏情况下，泄漏的混合气体比例几乎不变，因此，在同一温度条件下，可以按照同样混合比例气体进行补气，从而保证设备的安全运行。

Claims (3)

1.一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，它包括：
步骤1、搭建实验平台；所述实验平台由三个相互垂直、长度为1.2米的罐体组成，三个罐体相互连接贯通，三个罐体分别沿XYZ坐标轴放置；每个罐体上设有两个补气口；X轴方向罐体上的补气口为X1，X2；Y轴方向罐体上的补气口为Y1，Y2；Z轴方向罐体上的补气口为Z1，Z2；
步骤2、基于实验平台进行不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散试验；
步骤3、SF6/N2在试验平台下充气方式不同的扩散试验；
步骤4、基于实验平台进行相同压强不同混合比下SF6/N2的扩散试验；
步骤5、基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验；
步骤5所述基于试验平台的SF6/N2混合气体泄漏试验的方法包括：
步骤5.1、将气体质量流量计的进口端与任意一个补气口连接；气体质量流量计的出口端与真空气室连接；
步骤5.2、在试验平台中充入SF6/N2配比为1:9、2:8、3:7和4:6、压强为0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa的SF6/N2混合气体，并混合均匀；
步骤5.3、对真空气室抽真空，直到真空气室达到30Pa，调整气体质量流量计的流量，将试验平台中的混合气体以不大于1mL/min的速度注入真空气室，模拟缓慢泄漏，直到真空气室达到常压；
步骤5.4、采用SF6红外纯度检测仪进行测量，测得缓慢泄漏到真空气室的SF6纯度。
2.根据权利要求1所述的一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，其特征在于：步骤2所述基于实验平台进行不同压强的同一配比SF6/N2混合气体的扩散试验方法包括：
步骤2.1、在试验平台中充N2到0.32MPa，随后充SF6直到设备压力达到0.4MPa，每隔一段时间监测X1、X2、Z1、Z2及Y2五个端口的SF6气体体积浓度；
步骤2.2、将试验平台中的气体抽出，在设备中充入SF6达到0.08MPa，随后充入N2达到0.4MPa，每隔一段时间监测X1、X2、Z1、Z2及Y2五个端口的SF6气体纯度；
步骤2.3、在步骤2.2的混合气体中继续充入的SF6，继续检测各端口气体浓度；
步骤2.4、在压强0.5MPa、0.6MPa、0.7Mpa下进行SF6/N2配比2:8混合扩散试验，分别先充入SF6气体0.1MPa、0.12MPa和0.14MPa，后充入N2至设备压力到0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa，并根据一定时间间隔检测各端口SF6气体浓度。
3.根据权利要求1所述的一种SF6/N2混合电气设备泄漏特性试验方法，其特征在于：步骤4所述基于实验平台进行相同压强不同混合比下SF6/N2的扩散试验的方法包括：
步骤4.1、保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下，SF6/N2配比为1:9、3:7和4:6的扩散试验，先充入SF6后充入N2，监测得到在同一压强0.4MPa，先充SF6后充N2，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和4:6时，各端口的SF6气体浓度在初始时刻即达到均匀混合状态，分别在浓度9.55％～10.10％、29.94％～30.12％和40.25％～40.34％区间波动，未出现分层现象；
步骤4.2、保持0.4MPa压强不变，进行SF6/N2不同比例下，SF6/N2配比为1:9、3:7和4:6的扩散试验，先充入N2后充入SF6，监测得到在同一压强0.4MPa，先充N2后充SF6，SF6/N2配比分别为1:9、3:7和4:6时，在混合的初始时刻，出现了分层现象，各端口SF6浓度存在差异，随着时间推移逐渐混合均匀。
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