CN111272348B - 一种gil硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置及方法 - Google Patents

一种gil硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，包括：硬质检漏罩、充/回收氦设备、辅助真空泵、氦质谱检漏仪、标准漏孔、连接气管及阀门、被试GIL单元、以及与被试GIL单元对接的工装短管道、工装封盖、工装小车支撑；所述硬质检漏罩采用金属密闭结构；所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接；所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接；所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气，解决GIL批量制造供货出厂试验时的定量化、高精度、高效气密性试验。该试验装置还具有占用空间小，操作简单，成本低的特点。

Description

一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置及方法
技术领域
本申请涉及高压电气设备试验装置和方法领域，具体涉及一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，同时涉及一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmissionlines，GIL)是一种高可靠性的高压输电设备，广泛应用于水电站、核电站、变电站的电能传输。气体密封性能直接影响GIL的绝缘和通流性能，对其长期运行可靠性至关重要。气密性试验是GIL设备的重要出厂试验项目。目前，通常采用的气密性试验方法有局部包扎六氟化硫(SF6)检漏法、整体扣罩正压氦气(He)检漏法。
局部包扎法检漏是采用塑料薄膜直接粘接附着在GIL管道法兰对接面两侧筒体外壁上，缠绕筒体一周，包扎形成一个密封的局部气室。GIL内部充以设计压力的SF6气体，经过规定时长的静置，SF6气体通过密封面泄漏进入塑料薄膜包扎形成的空间，通过检测气体泄露量来测算GIL的泄露率。局部包扎检漏作业的放置时间应不少于24小时，最终采用检漏仪检测气体泄漏量。该方法的优点是操作简便，易于实施，不足是采用塑料薄膜包扎不能准确计算包扎体积，且包扎本身的密闭性较差，难以进行精确的定量检漏。
整体扣罩正压氦气检漏是采用氦气作为检漏介质，GIL管道单元整体送入真空罐，真空罐内抽真空至＜10Pa，被测GIL管道抽真空至＜300Pa。然后，被测GIL管道充氦气至设计压力，保持压力600s，用质谱仪检测出真空罐内氦气泄漏率，进而测算相对于SF6的气体泄露率。该方法的优点是检漏精度高、可准确定量化，不足是GIL管道标准直线单元长度通常达12～18m，并包含有直角单元、伸缩节波纹管等形状复杂的异形单元，导致对真空罐的容积和种类要求高，体积庞大，且相应的对抽真空设备性能提出了较高的要求，采购成本高，技术经济性受到影响。此外，由于是整体放入真空罐中，虽然可考虑采用滑道及工装，但装配耗时加长、装配工艺难度加大，不利于GIL批量生产制造过程中实施。
发明内容
为了弥补上述两种气密性检测方法的不足，本申请提供一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置及方法，包括：
本申请提供一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，其特征在于，包括：硬质检漏罩、充/回收氦设备、辅助真空泵、氦质谱检漏仪、标准漏孔、连接气管及阀门、被试GIL单元、以及与被试GIL单元对接的工装短管道、工装封盖、工装小车支撑；所述被试GIL单元通过对接法兰与工装短管道、工装封盖连接，并以工装小车支撑固定，以此构成完整的试验单元；所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，硬质检漏罩的侧壁设有充气座，并设置标准漏孔，硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处；所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接，通过阀门进行气路控制；所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门进行气路控制；所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气。
优选的，所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，包括：
密封装置、密封条、真空封泥和连接紧固螺栓组成，并根据被试GIL单元尺寸对应设计；
密封装置采用半圆结构，结合部位采用对接法兰；密封装置与被试GIL单元结合部位使用密封垫压紧保证气密性；在对接法兰处为更好地实现气密性，增加真空封泥，从而保证硬质检漏罩的密封性能。
优选的，硬质检漏罩的侧壁设有充气座，并设置标准漏孔，硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处，包括：
硬质检漏罩的侧壁设有充气座，用以检测及充/抽气，并设置标准漏孔。硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处，收集该处密封面泄漏的气体。
优选的，所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接，通过阀门进行气路控制，用于对被试GIL单元进行抽真空、充氦气。
优选的，所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门进行气路控制，用于对硬质检漏罩和第二连接气管进行抽真空。
优选的，所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气，用于对硬质检漏罩内进行氦气检漏。
优选的，所述校准漏孔安装于硬质检漏罩上，用于对试验装置进行标定校验。
本申请同时提供一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验方法，其特征在于，
被试GIL单元与工装短管道和工装封盖装配完成后，固定放置于氦质谱检漏区，通过连接气管与充/回收氦设备相连；
在被试GIL单元法兰对接面处装配硬质检漏罩，并通过高强度气管与辅助真空泵、氦质谱检漏仪相连；打开阀门V1和V2，启动辅助真空泵，打开氦质谱检漏仪，氦质谱检漏仪读取硬质检漏罩内的本底值；
当硬质检漏罩真空度降低至20Pa以下时，打开标准漏孔，进行校准，分流比系数K＝1.0，获得检漏灵敏度；
打开阀门V3，对被试GIL单元抽真空，当真空度降低至30Pa以下时，关闭真空阀，对被试GIL单元充入额定压力的氦气；
按氦质谱检漏仪的启动按钮，开始检漏，检验漏率是否正常，分别记录各个时间点的真空度和泄漏率；漏率值稳定后，读取检漏结果，关闭检漏设备；
采用充/回收氦设备，回收氦气至规定值，关闭回收设备，至此试验结束；
根据氦质谱检测数据，按照氦检漏与SF6气体检漏的换算关系，将检测结果换算成相对于SF6气体的年相对泄漏率。
优选的，所述检漏灵敏度的测试方法，包括：
在校准阀关闭的情形下，读出检漏仪的本底值I0和噪声值In；
打开校准阀，待氦质谱检漏仪的输出值稳定时，测出检漏仪的反应值I1；
关闭校准阀；
通过公式获得检漏灵敏度，
Figure BDA0002266143720000031
式中：
Qemin——检漏灵敏度，Pa·m3/s；
In——检漏仪的噪声或最小可读信号，Pa·m3/s或其他相对单位；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I0——本底值，Pa·m3/s或其他相对单位；
Qs——校准漏孔的校准值，Pa·m3/s。
优选的，所述漏率值的计算公式为，
Figure BDA0002266143720000041
式中：
Q——被试GIL试验单元漏率，Pa·m3/s；
γ——氦气浓度，m3；
I0——本底值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I2——开始检漏后的检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位。
优选的，将检测结果换算成相对于SF6气体的年相对泄漏率，计算公式为，
Figure BDA0002266143720000042
式中：
FHe——He泄漏率(mbar·L/s)；
Figure BDA0002266143720000043
——SF6泄漏率(mbar·L/s)；
ηHe——He粘滞系数；
Figure BDA0002266143720000044
——SF6粘滞系数。
本申请一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，针对GIL管道法兰连接面、充气口/阀等典型部位，设计硬质扣罩工装以实现容积定量化，采用基于氦质谱的真空动态检漏提高试验效率和检漏精度，以实现GIL批量制造供货出厂试验时的定量化、高精度、高效气密性试验。该试验装置还具有占用空间小，操作简单，成本低的特点。
附图说明
图1是本申请实施例一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置的结构示意图；
图2是本申请实施例涉及的硬质检漏罩的详细结构图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
图1为申请实施例提供的一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置的结构示意图，图中，1-被试GIL单元，2-工装短管道，3-工装封盖，4-硬质检漏罩，5-阀门V1，6-阀门V2，7-阀门V3，8-第一连接气管，9-第二连接气管，10-辅助真空泵，11-充/回收氦设备，12-氦质谱检漏仪，13-标准漏孔，14-工装小车支撑。下面结合图1对本申请实施例提供的装置进行详细说明。
本申请提供的一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，如图1所示，主要包括：4-硬质检漏罩、11-充/回收氦设备、10-辅助真空泵、12-氦质谱检漏仪、13-标准漏孔、连接气管及阀门、1-被试GIL单元、以及与被试GIL单元对接的2-工装短管道、3-工装封盖、14-工装小车支撑；所述被试GIL单元通过对接法兰与工装短管道、工装封盖连接，并以工装小车支撑固定，以此构成完整的试验单元；所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，硬质检漏罩的侧壁设有充气座，并设置标准漏孔，硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处；所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接，通过阀门进行气路控制；所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门进行气路控制；所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从GIL试验单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气。
所述硬质检漏罩的详细结构图如图2所示，图中，15-密封装置A，16-密封装置B，17-密封条，18-30#真空封泥，19-充气座，20-吊耳。所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，由密封装置、密封条、30#真空封泥和连接紧固螺栓等组成，并根据被试GIL单元尺寸对应设计；密封装置采用半圆结构，结合部位采用对接法兰；密封装置与被试GIL单元结合部位使用密封垫压紧保证气密性；在对接法兰处为更好地实现气密性，增加真空封泥，从而保证硬质检漏罩的密封性能。硬质检漏罩的侧壁设有充气座，用以检测及充/抽气，并设置标准漏孔。硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处，收集该处密封面泄漏的气体。
所述充/回收氦设备通过第一连接气管8与工装封盖对接，通过阀门V3进行气路控制，用于对被试GIL单元进行抽真空、充氦气。
所述辅助真空泵通过第二连接气管9与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门V1、V2进行气路控制，用于对硬质检漏罩和第二连接气管进行抽真空。
所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气，在一定时间及特定状态下对硬质检漏罩内进行氦气检漏。
所述校准漏孔安装于硬质检漏罩上，用于对该试验装置进行标定校验。
本申请同时提供一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验方法，该试验方法通过上述一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置进行。所述装置经过标准漏孔标定校验后，通过充/回收氦设备和辅助真空泵分别对完整GIL试验单元和硬质检漏罩同时抽真空，达到规定的真空度后，再向完整GIL试验单元中充以额定压力的氦气，通过氦质谱检漏仪监测泄漏到硬质检漏罩中的氦气分子数量，进而就能准确测量出产品的气体泄漏率。具体试验方法如下：
被试GIL单元与工装短管道和工装封盖装配完成后，固定放置于氦质谱检漏区，通过高强度气管与充/回收氦设备相连，并确认气路控制阀门安装正确；
在被试GIL单元法兰对接面处装配硬质检漏罩，并通过高强度气管与辅助真空泵、氦质谱检漏仪相连；打开阀门V1和V2，启动辅助真空泵，打开氦质谱检漏仪，氦质谱检漏仪读取硬质检漏罩内的本底值；本底值应不大于1×10-7Pa·m3/s。如果本底值不满足要求，则重新调整硬质检漏罩和被试GIL单元的装配，直至满足在要求；
当硬质检漏罩真空度降低至20Pa以下时，打开标准漏孔，进行校准，分流比系数K＝1.0，获得检漏灵敏度；此时校准值应稳定，稳定在10％以内；
打开阀门V3，对被试GIL单元抽真空，当真空度降低至30Pa以下时，关闭真空阀，对被试GIL单元充入额定压力的氦气；
按氦质谱检漏仪的启动按钮，开始检漏，检验漏率是否正常，同时按下秒表的启动按钮；分别记录各个时间点，如5min、10min、15min、20min、25min、30min的真空度和泄漏率；漏率值稳定后(波动在10％以内)，读取检漏结果，关闭检漏设备；
采用充/回收氦设备，回收氦气至规定值，关闭回收设备，做好试验记录，至此试验结束；
根据氦质谱检测数据，按照氦检漏与SF6气体检漏的换算关系，将检测结果换算成相对于SF6气体的年相对泄漏率。
所述检漏灵敏度的测试方法，包括：
在校准阀关闭的情形下，读出检漏仪的本底值I0和噪声值In；
打开校准阀，待氦质谱检漏仪的输出值稳定时，测出检漏仪的反应值I1；
关闭校准阀；
通过公式获得检漏灵敏度，
Figure BDA0002266143720000071
式中：
Qemin——检漏灵敏度，Pa·m3/s；
In——检漏仪的噪声或最小可读信号，Pa·m3/s或其他相对单位；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I0——本底值，Pa·m3/s或其他相对单位；
Qs——校准漏孔的校准值，Pa·m3/s。
所述漏率值的计算公式为，
Figure BDA0002266143720000072
式中：
Q——被试GIL试验单元漏率，Pa·m3/s；
γ——氦气浓度，m3；
I0——本底值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位；
I2——开始检漏后的检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s或其他相对单位。
氦检漏设备检测的是氦气的泄漏率，而GIL产品运行时充入的是SF6气体。在室温20℃，He和SF6气体在压力小于1MPa，通过漏率在10-5Pa·m3/s以下的漏孔条件下，气体分子粘滞层流运动，试品壁厚大于10倍泄漏孔径的状态下，两种气体之间有以下换算关系：
Figure BDA0002266143720000073
式中：
FHe——He泄漏率(mbar·L/s)；
Figure BDA0002266143720000074
——SF6泄漏率(mbar·L/s)；
ηHe——He粘滞系数；
Figure BDA0002266143720000081
——SF6粘滞系数。
参照公式(3)得出实际运行时SF6的年漏气率：
Figure BDA0002266143720000082
式中：
Figure BDA0002266143720000083
——SF6的年漏气率(％)；
FHe——He泄漏率(mbar·L/s)；
Pd——被测试品的设计压力(bar)；
Vt——被测气室容积(L)；
ty——一年的时间(31.5×106s)。
本申请提供一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，包括硬质检漏罩、充/回收氦设备、辅助真空泵、氦质谱检漏仪、连接气管及阀门、以及与被试GIL单元对接相应工装。以特高压GIL单元出厂密封试验为例，装置构成、基本布置及参考尺寸参见附图1、附图2。针对GIL管道法兰连接面、充气口/阀等典型部位，设计硬质扣罩工装以实现容积定量化，采用基于氦质谱的真空动态检漏提高试验效率和检漏精度，以实现GIL批量制造供货出厂试验时的定量化、高精度、高效气密性试验。该试验装置还具有占用空间小，操作简单，成本低的特点。
本申请还提出了一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验方法。检漏试验装置经过标准漏孔标定校验后，通过充/回收氦设备和辅助真空泵分别对完整试验单元和硬质检漏罩同时抽真空，达到规定的真空度后，再向完整试验单元中充以额定压力的氦气，通过氦质谱检漏仪监测泄漏到硬质检漏罩中的氦气分子数量，进而就能准确测量出产品的气体泄漏率。
本发明公开了一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏试验装置和方法，其主要效果包括：
(1)采用硬质检漏罩对GIL法兰对接位置处进行固定容积的密封，硬质扣罩体积较小，节省了空间；同时，因检漏罩规整、体积固定，使得密封试验测量结果准确。
(2)GIL组装试验前进行气密检漏，采用该试验方法和装置可实现流水线作业。可同时对若干的GIL外壳进行作业和检漏，200分钟即可完成一组GIL试验。该试验方法大大提高了操作效率和检漏效率，降低了成本。
(3)采用硬质扣罩氦质谱真空动态检漏试验装置，主要设备为真空箱法氦质谱检漏仪、辅助真空泵及硬质检漏罩，相对于正压氦气检漏，整体成本较低，该设计既节省了资源，也简化了试验步骤。
该试验装置及试验方法实现了对GIL单元试品的定量化、高精度检漏，对于GIL的批量生产而言，具有操作方便、省时省力、节省成本及试验效率高的显著特点。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替代，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置，其特征在于，包括：硬质检漏罩、充/回收氦设备、辅助真空泵、氦质谱检漏仪、标准漏孔、连接气管及阀门、被试GIL单元、以及与被试GIL单元对接的工装短管道、工装封盖、工装小车支撑；所述被试GIL单元通过对接法兰与工装短管道、工装封盖连接，并以工装小车支撑固定，以此构成完整的试验单元；所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，硬质检漏罩的侧壁设有充气座，并设置标准漏孔，所述标准漏孔安装于硬质检漏罩上，用于对试验装置进行标定校验，硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处；所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接，通过阀门进行气路控制；所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门进行气路控制；所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硬质检漏罩采用金属密闭结构，包括：
密封装置、密封条、真空封泥和连接紧固螺栓组成，并根据被试GIL单元尺寸对应设计；
密封装置采用半圆结构，结合部位采用对接法兰；密封装置与被试GIL单元结合部位使用密封垫压紧保证气密性；在对接法兰处为更好地实现气密性，增加真空封泥，从而保证硬质检漏罩的密封性能。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，硬质检漏罩的侧壁设有充气座，并设置标准漏孔，硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处，包括：
硬质检漏罩的侧壁设有充气座，用以检测及充/抽气，并设置标准漏孔；硬质检漏罩固定于完整的试验单元各个连接法兰处，收集该处密封面泄漏的气体。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充/回收氦设备通过第一连接气管与工装封盖对接，通过阀门进行气路控制，用于对被试GIL单元进行抽真空、充氦气。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助真空泵通过第二连接气管与氦质谱检漏仪、硬质检漏罩连接，通过阀门进行气路控制，用于对硬质检漏罩和第二连接气管进行抽真空。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氦质谱检漏仪用于收集、检测通过密封面从被试GIL单元泄漏到硬质检漏罩内的氦气，用于对硬质检漏罩内进行氦气检漏。
7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述GIL硬质扣罩氦质谱真空动态检漏的试验装置的试验方法，其特征在于，
被试GIL单元与工装短管道和工装封盖装配完成后，固定放置于氦质谱检漏区，通过高强度气管与充/回收氦设备相连；
在被试GIL单元法兰对接面处装配硬质检漏罩，并通过高强度气管与辅助真空泵、氦质谱检漏仪相连；打开阀门V1和V2，启动辅助真空泵，打开氦质谱检漏仪，氦质谱检漏仪读取硬质检漏罩内的本底值；
当硬质检漏罩真空度降低至20Pa以下时，打开标准漏孔，进行校准，分流比系数K＝1.0，获得检漏灵敏度；
打开阀门V3，对被试GIL单元抽真空，当真空度降低至30Pa以下时，关闭真空阀，对被试GIL单元充入额定压力的氦气；
按氦质谱检漏仪的启动按钮，开始检漏，检验漏率是否正常，分别记录各个时间点的真空度和泄漏率；漏率值稳定后，读取检漏结果，关闭检漏设备，所述漏率值的计算公式为，
Figure FDA0004168353570000021
式中：
Q——被试GIL试验单元漏率，Pa·m3/s；
γ——氦气浓度，m3；
I0——本底值，Pa·m3/s；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s；
I2——开始检漏后的检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s；
采用充/回收氦设备，回收氦气至规定值，关闭回收设备，至此试验结束；
根据氦质谱检测数据，按照氦检漏与SF6气体检漏的换算关系，将检测结果换算成相对于SF6气体的年相对泄漏率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检漏灵敏度的测试方法，包括：
在校准阀关闭的情形下，读出检漏仪的本底值I0和噪声值In；
打开校准阀，待氦质谱检漏仪的输出值稳定时，测出检漏仪的反应值I1；
关闭校准阀；
通过公式获得检漏灵敏度，
Figure FDA0004168353570000031
式中：
Qemin——检漏灵敏度，Pa·m3/s；
In——检漏仪的噪声或最小可读信号，Pa·m3/s；
I1——校准漏孔打开后检漏仪的稳定反应值，Pa·m3/s；
I0——本底值，Pa·m3/s；
Qs——校准漏孔的校准值，Pa·m3/s。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将检测结果换算成相对于SF6气体的年相对泄漏率，计算公式为，
Figure FDA0004168353570000032
式中：
FHe——He泄漏率,mbar·L/s；
Figure FDA0004168353570000033
——SF6泄漏率,mbar·L/s；
ηHe——He粘滞系数；
Figure FDA0004168353570000034
——SF6粘滞系数。
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