CN112556777A - 基于定容法的梯度充气式sf6气室容积测定方法 - Google Patents

基于定容法的梯度充气式sf6气室容积测定方法 Download PDF

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Abstract

基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，属于SF6测量设备技术领域，解决如何准确地对电气设备的气室内部体积进行精确测算的问题，先对定容充气罐的容积进行标定；根据气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，分阶段对气室进行充气并测量数据，各阶段分别计算气室的体积与内部原有的气体质量，再去各阶段测得的数据的平均值，消除了由于压力传感器的测量精度限制，对气室进行充气时，一次性从初始值充到设定值进行一次测量存在的较大偶然误差问题，提高了计算结果的精确度，且不会使气室充入气体过多导致气体压力过高造成安全隐患，整个测定的过程时间短，无气室内气体压力下降导致绝缘性能降低的危险。

Description

基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法
技术领域
本发明属于SF6测量设备技术领域，涉及基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法。
背景技术
六氟化硫(SF6)气体因优良的绝缘和灭弧性能，已广泛应用于高、中压电气设备中。据统计，全球每年六氟化硫(SF6)气体产量在2万吨左右，约80％应用于电力行业。随着交/直特高压工程大量开建、投运，SF6气体的用量越来越大。但SF6气体温室效应是CO2的23900多倍，在空气中能够存在3200多年，是京都协议书禁止排放的六种气体之一。
电力行业六氟化硫电气设备数量巨大，大部分在运行设备铭牌未标注气体用量和设备容积(设备内含多种复杂结构，难以通过外形估算)，SF6气体充气量未知；部分新投运设备铭牌标注的SF6气体充气量不准确，且实际运行压力普遍高于额定压力值，因此，电气设备六氟化硫用气量的准确数据难以掌握，设备检修、退役时气体回收率无法管控，回收率不达标情况时有发生。
为控制和减少六氟化硫气体排放，形成“分散回收、集中处理、统一检测、循环利用”的工作模式，实现现场六氟化硫气体的回收、回充和净化处理。现有技术中，申请号为201821892226.7、公开日期为2019年6月7日的中国实用新型专利《一种SF6气体计量装置》，如图4所示，具体包括称重装置1、质量流量计2、自封接头3、连接头4、调压针阀5、第一压力表6、第二压力表7、加热装置8、气体钢瓶9。该装置可实时获取充气钢瓶重量、气体流量、钢瓶温度、操作前后的设备压力等数据，实现对SF6电气设备充补气数据以及气体钢瓶使用量的实时监控管理。该装置如对已被抽真空的气室进行充补气，可根据称重装置确定补充气后气室内存有SF6气体的量。
现有技术存在的缺点：
(1)由于压力传感器的测量精度限制，对气室进行充气时，如果一次从初始值充到设定值、进行一次测量并计算气室体积以及气室内初始气体质量，测量必然存在较大的偶然误差，难以精确地测出实时的压力数值，计算结果的精确度难以保证。
(2)当气室原有一部分气体时，此时该装置进行充补一部分气体入气室中提高气室内气体压力，却无法有效得知气室中原有的SF6气体量，无法对气室内部体积进行精确测算；需携带称重装置至现场给气体钢瓶进行称重，不方便搬运，且各地的地理位置不同，因海拔等不同导致重力系数不同，使得通过检测重力得出的质量有所偏差。
(3)对于部分体积较小的六氟化硫电气设备，采用气体钢瓶直接对其进行充气，由于气体钢瓶的压力较大，对于体积较小的六氟化硫电气设备来说很容易发生充气过压，引起过压危险。
因此，基于现场生产需求，研发在运设备中六氟化硫气体存量的前端感知技术变得尤为重要，实时监控SF6气体全过程信息和设备状态参量成为当前亟待解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何准确地对电气设备的气室内部容积进行精确测算。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，包括以下步骤：
步骤一，采用一个已知容积的定容充气罐(6)，在使用前先对定容充气罐(6)的容积进行标定；
步骤二，对SF6气室内初始气体压力、温度数值进行检测，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0；
步骤三，对充气测量装置内部进行抽真空；
步骤四，通过SF6钢瓶(9)给定容充气罐(6)充入一定压力的SF6气体，记录此时定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值为PG0、TG0；
步骤五，根据SF6气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，使用已充至一定压力的定容充气罐(6)给SF6气室充气，并实时监测SF6气室内的动态压力，此时分为两种情况：
情况一：若检测到SF6气室内的动态压力一直小于本阶段设定的阈值，则等待SF6气室与定容充气罐(6)之间压力平衡，记录此时的气体压力、温度数值PE1、TE1；
情况二：若检测到SF6气室内的动态压力有上升至本阶段充气阈值的趋势时，则通过流量调节阀(5)控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值，压力平衡后，记录此时SF6气室的气体压力、温度数值为PE2、TE2以及定容充气罐(6)的压力、温度数值为PG1、TG1；
步骤六：采用气体状态方程与定容充气罐(6)的容积VG，分别计算本阶段情况一或情况二下的SF6气室的体积与内部初始气体质量；
步骤七，重复步骤四、五、六，进行下一阶段充气，直至达到SF6气室压力设定值，记录每个阶段充气的检测数据，计算每个阶段下SF6气室的体积与内部初始气体质量后，再取其平均值。
根据气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，分阶段对气室进行充气并测量数据，各个阶段分别计算气室的体积与内部原有的气体质量，再去各个阶段测得的数据的平均值，消除了对气室进行充气时，由于压力传感器的测量精度限制而导致的一次性从初始值充到设定值进行一次测量存在的较大偶然误差问题，提高了计算结果的精确度。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的充气测量装置包括充气接口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、流量调节阀(5)、定容充气罐(6)、第二电磁阀(7)、减压阀(8)、SF6钢瓶(9)、抽真空装置；充气接口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、流量调节阀(5)、定容充气罐(6)、第二电磁阀(7)、减压阀(8)、SF6钢瓶(9)首尾依次密封连接；在第一电磁阀(2)、流量调节阀(5)之间密封连接出一条气路与所述的抽真空装置连接；所述的充气接口(1)在不连接时能实现自封。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的对定容充气罐(6)的容积进行标定的方法包括以下步骤：
步骤a，在SF6钢瓶(9)下放置称重装置，用于检测SF6钢瓶(9)及内部SF6总质量，记录此时称重装置数值为mx；打开流量调节阀(5)，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内气体压力、温度数值记为Px、T；
步骤b，打开第二电磁阀(7)，调节减压阀(8)使得SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后关闭第二电磁阀(7)；通过压力传感器(3)检测检测定容充气罐(6)内气体压力数值记为Py，并记录此时称重装置数值为my；得出充入定容充气罐(6)的气体质量为(mx-my)；
步骤c，根据气体状态方程计算得出定容充气罐(6)容积VG，计算步骤如下：
(Px-Py)VG＝ΔnxRT (1)
Figure BDA0002803515130000051
得出定容充气罐(6)容积VG：
Figure BDA0002803515130000052
其中，mx、my分别为SF6钢瓶(9)在对定容充气罐(6)充气前后的质量；Px、Py分别为SF6钢瓶(9)在对定容充气罐(6)充气前后的定容充气罐(6)内气体压力值；△nx为定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，T为外界环境温度。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤二中所述的对SF6气室内初始气体压力、温度数值进行检测的方法为：将充气接口(1)接入SF6气室，打开第一电磁阀(2)，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测SF6气室内气体压力、温度数值，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的抽真空装置包括：第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)、真空计(12)、真空泵(13)、排气口(14)；在第一电磁阀(2)、流量调节阀(5)之间密封连接出一条气路、依次连接第三电磁阀(10)、真空泵(13)、排气口(14)；真空计(12)通过第四电磁阀(11)密封连接在第三电磁阀(10)与真空泵(13)之间；
步骤三中所述的对充气测量装置内部进行抽真空的方法具体为：打开第一电磁阀(2)、第二电磁阀(7)、第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)以及流量调节阀(5)，启动真空泵(13)对装置内部进行抽真空，真空计(12)检测装置内部的真空度，抽真空结束后，关闭第一电磁阀(2)、第二电磁阀(7)、第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)以及流量调节阀(5)，停止真空泵(13)，防止往SF6气室内充入杂质。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤四中所述的通过SF6钢瓶(9)给定容充气罐(6)充入一定压力的SF6气体的方法具体为：打开流量调节阀(5)、第二电磁阀(7)，调节减压阀(8)使得SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，关闭第二电磁阀(7)；待压力稳定后，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内气体压力和温度数值，记录此时定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值为PG0、TG0。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤五中所述的通过流量调节阀(5)控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值的过程具体为：
1)在充气的过程中，压力传感器(3)实时监测SF6气室内的动态压力，判断动态压力离本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的10％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径100％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径50％打开，减小充气流量，避免过充；
2)判断动态压力离本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的5％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径50％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径25％打开，减小充气流量，避免过充；
3)判断动态压力离阈值本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的2％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径25％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径10％打开，减小充气流量，避免过充；直至达到本阶段充气阈值，此时关断流量调节阀(5)，本阶段充气过程结束。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的本阶段充气过程结束后，先关闭第一电磁阀(2)，待压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PG1、TG1；然后打开第一电磁阀2，关闭流量调节阀(5)，待压力传感器(3)、温度传感器(4)检测SF6气室内气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PE2、TE2；其中，PE2、TE2分别为充气结束后SF6气室内的气体压力和温度数值；PG1、TG1分别为定容充气罐(6)向SF6气室充气结束后充定容气罐(6)内的气体压力和温度数值。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤五中本阶段情况一下的SF6气室的体积V1与内部初始气体质量m1的计算方法为：
由气体状态方程得：
PE0V1＝nE0RTE0 (4)
PE1V1＝nE1RTE1 (5)
PG0V1＝nG0RTG0 (6)
其中，V1表示本阶段情况一下的SF6气室的内部体积，R为热力学常数，8.314J/(mol·K)，nE0表示SF6气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，定容充气罐(6)内的气体摩尔数；nE1表示SF6气室充气后的气体摩尔数；
由于在充气过程中SF6气室内充入的气体量等于定容充气罐(6)放出的气体量，由公式(4)至(6)可得：
Figure BDA0002803515130000081
Figure BDA0002803515130000082
其中，△m1为本阶段情况一下的定容充气罐(6)充气前后的质量变化量，△n1本阶段情况一下的为定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，取146g/mol；
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝T，因此联立公式(7)和(8)得：
Figure BDA0002803515130000083
由公式(9)可得SF6气室内体积为：
Figure BDA0002803515130000084
由公式(10)可得SF6气室内初始的气体总质量为：
Figure BDA0002803515130000085
其中，m1为本阶段情况一下的SF6气室内初始的气体总质量。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤五中本阶段情况二下的SF6气室的体积V2与内部初始气体质量m2的计算方法为：
由气体状态方程得：
PE0V2＝nE0RTE0 (12)
PG0V2＝nG0RTG0 (13)
PE2V2＝nE2RTE2 (14)
PG1V2＝nG1RTG1 (15)
其中，V2表示本阶段情况二下的SF6气室的内部体积，R为热力学常数，取8.314J/(mol·K)，nE0表示SF6气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，定容充气罐(6)内的气体摩尔数；nE2表示充气结束后SF6气室内的气体摩尔数；nG1表示定容充气罐(6)向SF6气室充气结束后定容充气罐(6)内的气体摩尔数；
由于在充气过程中SF6气室内充入的气体量等于定容充气罐(6)放出的气体量，由公式(12)至(15)可得：
Figure BDA0002803515130000091
Figure BDA0002803515130000092
其中，△m2为本阶段情况二下的定容充气罐(6)充气前后的质量变化量，△n2为本阶段情况二下的定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，取146g/mol；
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝TG1＝T，因此联立公式(16)和公式(17)得：
Figure BDA0002803515130000093
由公式(18)可得SF6气室内体积为：
Figure BDA0002803515130000094
由公式(19)可得SF6气室内初始的气体总质量为：
Figure BDA0002803515130000095
其中，m2为本阶段情况二下的SF6气室内初始的气体总质量。
本发明的优点在于：
(1)本发明的方法根据气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，分阶段对气室进行充气并测量数据，各个阶段分别计算气室的体积与内部原有的气体质量，再区各个阶段测得的数据的平均值，消除了由于压力传感器的测量精度限制，对气室进行充气时，一次性从初始值充到设定值进行一次测量存在的较大偶然误差问题，提高了计算结果的精确度。
(2)本发明的方法能够精确测量气体实时压力，在接近设定压力数值时能控制充气流量，使得压力传感器能在气体稳定时进行检测，检测数据更加精确，且不会使气室充入气体过多导致气体压力过高造成安全隐患。
(3)本发明采用定容积的充气罐替代称重装置，通过温度、压力传感器和控制阀组，实现不同条件下的温度、压力测量，使得测算得出的气室体积和气体量结果更加精确。
(4)本发明对气室内部体积与初始的气室内SF6气体质量进行测算前，先采用称重法等方法对定容积充气罐的容积进行标定，无需在装置中安装、使用称重装置等部件。
附图说明
图1是本发明实施例的充气测量装置的结构图；
图2是本发明实施例的测定方法的流程图；
图3是本发明实施例的测定方法的梯度充气控制算法流程图；
图4是现有技术的SF6气体计量装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，充气测量装置包括：充气接口1、第一电磁阀2、压力传感器3、温度传感器4、流量调节阀5、定容充气罐6、第二电磁阀7、减压阀8、SF6钢瓶9、第三电磁阀10、第四电磁阀11、真空计12、真空泵13、排气口14。
充气接口1、第一电磁阀2、压力传感器3、温度传感器4、流量调节阀5、定容充气罐6、第二电磁阀7、减压阀8、SF6钢瓶9首尾依次密封连接；在第一电磁阀2、流量调节阀5之间密封连接出一条气路、依次连接第三电磁阀10、真空泵13、排气口14；真空计12通过第四电磁阀11密封连接在第三电磁阀10与真空泵13之间；所述的充气接口1在不连接气室时能实现自封。
基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，包括以下步骤：
1、采用一个已知容积的定容充气罐6，在使用前先对定容充气罐6的容积进行标定；
对定容充气罐6的容积进行标定的方法包括以下步骤：
步骤a，在SF6钢瓶9下放置称重装置，用于检测SF6钢瓶9及内部SF6总质量；打开流量调节阀5，通过压力传感器3、温度传感器4检测定容充气罐6内气体压力、温度数值记为Px、T，记录此时称重装置数值为mx；
步骤b，打开第二电磁阀7，调节减压阀8使得SF6钢瓶9往定容充气罐6内充气至一定压力，关闭第二电磁阀7；通过压力传感器3检测检测定容充气罐6内气体压力数值记为Py，记录此时称重装置数值为my；得出充入定容充气罐6的气体质量为(mx-my)；
步骤c，根据气体状态方程计算得出定容充气罐6容积VG，计算步骤如下：
(Px-Py)VG＝ΔnxRT (1)
Figure BDA0002803515130000121
得出定容充气罐6容积VG：
Figure BDA0002803515130000122
其中，mx、my分别为SF6钢瓶9在对定容充气罐6充气前后的质量；Px、Py分别为SF6钢瓶9在对定容充气罐6充气前后的定容充气罐6内气体压力值；△nx为定容充气罐6充气前后的摩尔数变化量，T为外界环境温度。
2、对SF6气室内初始气体压力、温度数值进行检测，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0；
所述的对气室内初始气体压力、温度数值进行检测，具体为：将充气接口1接入气室，打开第一电磁阀2，通过压力传感器3、温度传感器4检测气室内气体压力、温度数值，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0。
3、对充气测量装置内部进行抽真空；
所述的对装置内部进行抽真空，具体为：打开第一电磁阀2、第二电磁阀7、第三电磁阀10、第四电磁阀11以及流量调节阀5，启动真空泵13对装置内部进行抽真空，真空计12检测装置内部的真空度，抽真空结束后，关闭第一电磁阀2、第二电磁阀7、第三电磁阀10、第四电磁阀11以及流量调节阀5，停止真空泵13，防止往气室内充入杂质。
4、通过SF6钢瓶9给定容充气罐6充入一定压力的SF6气体，记录此时定容充气罐6内的气体压力、温度数值为PG0、TG0。
所述的通过SF6钢瓶9给定容充气罐6充入一定压力的SF6气体，具体为：打开流量调节阀5、第二电磁阀7，调节减压阀8使得SF6钢瓶9往定容充气罐6内充气至一定压力后，关闭第二电磁阀7；待压力稳定后，通过压力传感器3、温度传感器4检测定容充气罐6内气体压力和温度数值，记录此时定容充气罐6内的气体压力、温度数值为PG0、TG0。
5、根据SF6气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，使用已充至一定压力的定容充气罐6给SF6气室充气，并实时监测SF6气室内的动态压力，此时分为两种情况：
情况一：若检测到SF6气室内的动态压力一直小于本阶段设定的阈值，则等待SF6气室与定容充气罐6之间压力平衡，记录此时的气体压力、温度数值PE1、TE1；
情况二：若检测到SF6气室内的动态压力有上升至本阶段充气阈值的趋势时，则通过流量调节阀5控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值，压力平衡后，记录此时SF6气室的气体压力、温度数值为PE2、TE2以及定容充气罐6的压力、温度数值为PG1、TG1。
假设SF6气室需要从0.7MPa充至0.8MPa，则SF6气室压力设定值为0.8MPa，若均分五个阶段进行充气(也可以不是均分，根据需要进行设定)，则每个阶段充气阈值为0.02MPa，那么五个阶段分别为：第一阶段从0.7MPa充至0.72MPa；第二阶段从0.72MPa充至0.74MPa；第三阶段从0.74MPa充至0.76MPa；第四阶段从0.76MPa充至0.78MPa；第五阶段从0.78MPa充至0.8MPa(SF6气室压力设定值)；记录每个阶段充气的检测数据，计算每个阶段下SF6气室的体积与内部初始气体质量后，再取其平均值。
所述的通过流量调节阀5控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值，具体为：
在充气的过程中，压力传感器3实时监测气室内的动态压力Pd，判断动态压力Pd离阈值P1是否小于等于P1的10％，如果不是，则保持流量调节阀5孔径100％打开，向气室内充气；如果是，则控制流量调节阀5孔径50％打开，减小充气流量，避免过充；
判断动态压力Pd离阈值P1是否小于等于P1的5％，如果不是，则保持流量调节阀5孔径50％打开，向气室内充气；如果是，则控制流量调节阀5孔径25％打开，减小充气流量，避免过充；
判断动态压力Pd离阈值P1是否小于等于P1的2％，如果不是，则保持流量调节阀5孔径25％打开，向气室内充气；如果是，则控制流量调节阀5孔径10％打开，减小充气流量，避免过充；直至达到P1，此时关断流量调节阀5，充气过程结束；
充气过程结束后，先关闭第一电磁阀2，待压力传感器3、温度传感器4检测定容充气罐6内的气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PG1、TG1；然后打开第一电磁阀2，关闭流量调节阀5，待压力传感器3、温度传感器4检测气室内气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PE2、TE2；其中，PE2、TE2分别为充气结束后气室内的气体压力和温度数值；PG1、TG1分别为定容充气罐6向气室充气结束后定容充气罐6内的气体压力和温度数值。
情况一适用于气室较大的电气设备，根据测得的气室初始压力数值PE0设定阈值P1，以防止气室内气体充入过多，气室较大的电气设备需要的SF6气体体积较多，定容充气罐6往气室内充气过程中，压力传感器3检测到气体压力数值一直低于阈值P1，此时气室与定容充气罐6之间压力平衡，当压力传感器3、温度传感器4检测到数值稳定后，通过压力传感器3、温度传感器4测得压力PE1、TE1，结合各步骤中压力、温度的测量进行计算，来确定气室内部体积和初始的气室内SF6气体质量，步骤简单，所花时间短，无气室内气体压力下降导致绝缘性能降低的危险。
情况二适用于气室较小的六氟化硫电气设备，在充气过程中，按照线性递减规律对流量调节阀5的孔径进行控制，在充气的开始阶段调节流量调节阀5全开以减少充气花费时间，等到当前压力接近设定压力时，通过对流量调节阀5的控制，按线性比例控制开阀大小，匀速调整开阀比例，使流量等比例减小，使气路中产生一定的气阻，气阻增大，则整个充气流量减小，充入气体量减少，便于系统更精准的控制充入气体量；同时，系统通过判断当前充气压力状态数据，在保证花费较少充气时间的前提下，按照线性比例分别在充气压力离目标压力≤10％、≤5％、≤2％时对流量调节阀进行控制调节，保证装置不会对气室超充或过充，从而避免部分体积较小的六氟化硫电气设备因为充气超压而产生的危险。
6、采用气体状态方程与定容充气罐6的容积VG，分别计算本阶段情况一或情况二下的SF6气室的体积与内部初始气体质量。
所述的情况一下的气室的体积V1与内部初始气体质量m1的计算方法为：
由气体状态方程得：
PE0V1＝nE0RTE0 (4)
PE1V1＝nE1RTE1 (5)
PG0V1＝nG0RTG0 (6)
由于在充气过程中气室内充入的气体量等于定容充气罐6放出的气体量，由公式(4)、(5)、(6)可得：
Figure BDA0002803515130000161
Figure BDA0002803515130000162
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝T，因此联立公式(7)和公式(8)得：
Figure BDA0002803515130000163
由公式(9)可得气室内体积为：
Figure BDA0002803515130000164
由公式(10)可得气室内初始的气体总质量为：
Figure BDA0002803515130000165
其中，V1表示情况一下的气室的内部体积，nE0表示气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶9往定容充气罐6内充气至一定压力后，定容充气罐6内的气体摩尔数；nE1气室充气后的气体摩尔数；m为气室内初始的气体总质量；Δm1为情况一下的定容充气罐6充气前后的质量变化量，Δn1情况一下的为定容充气罐6充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，为146g/mol；R为热力学常数，8.314J/(mol·K)。
所述的情况二下的气室的体积V2与内部初始气体质量m2的计算方法为：
由气体状态方程得：
PE0V2＝nE0RTE0 (12)
PG0V2＝nG0RTG0 (13)
PE2V2＝nE2RTE2 (14)
PG1V2＝nG1RTG1 (15)
其中，V2表示情况二下的气室的内部体积，R为热力学常数，取8.314J/(mol·K)，nE0表示气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶9往定容充气罐6内充气至一定压力后，定容充气罐6内的气体摩尔数；nE2充气结束后气室内的气体摩尔数；nG1表示定容充气罐6向气室充气结束后定容充气罐6内的气体摩尔数；
由于在充气过程中气室内充入的气体量等于定容充气罐6放出的气体量，由公式(12)至(15)可得：
Figure BDA0002803515130000171
Figure BDA0002803515130000172
其中，Δm2为情况二下的定容充气罐6充气前后的质量变化量，Δn2为情况二下的定容充气罐6充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，取146g/mol；
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝TG1＝T，因此联立公式(16)和公式(17)得：
Figure BDA0002803515130000181
由公式(18)可得气室内体积为：
Figure BDA0002803515130000182
由公式(19)可得气室内初始的气体总质量为：
Figure BDA0002803515130000183
其中，m2为情况二下的气室内初始的气体总质量。
7、重复步骤4、5、6，进行下一阶段充气，直至达到SF6气室压力设定值，记录每个阶段充气的检测数据，计算每个阶段下SF6气室的体积与内部初始气体质量后，再取其平均值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用一个已知容积的定容充气罐(6)，在使用前先对定容充气罐(6)的容积进行标定；
步骤二，对SF6气室内初始气体压力、温度数值进行检测，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0；
步骤三，对充气测量装置内部进行抽真空；
步骤四，通过SF6钢瓶(9)给定容充气罐(6)充入一定压力的SF6气体，记录此时定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值为PG0、TG0；
步骤五，根据SF6气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，使用已充至一定压力的定容充气罐(6)给SF6气室充气，并实时监测SF6气室内的动态压力，此时分为两种情况：
情况一：若检测到SF6气室内的动态压力一直小于本阶段设定的阈值，则等待SF6气室与定容充气罐(6)之间压力平衡，记录此时的气体压力、温度数值PE1、TE1；
情况二：若检测到SF6气室内的动态压力有上升至本阶段充气阈值的趋势时，则通过流量调节阀(5)控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值，压力平衡后，记录此时SF6气室的气体压力、温度数值为PE2、TE2以及定容充气罐(6)的压力、温度数值为PG1、TG1；
步骤六：采用气体状态方程与定容充气罐(6)的容积VG，分别计算本阶段情况一或情况二下的SF6气室的体积与内部初始气体质量；
步骤七，重复步骤四、五、六，进行下一阶段充气，直至达到SF6气室压力设定值，记录每个阶段充气的检测数据，计算每个阶段下SF6气室的体积与内部初始气体质量后，再取其平均值。
2.根据权利要求1所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，所述的充气测量装置包括充气接口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、流量调节阀(5)、定容充气罐(6)、第二电磁阀(7)、减压阀(8)、SF6钢瓶(9)、抽真空装置；充气接口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、流量调节阀(5)、定容充气罐(6)、第二电磁阀(7)、减压阀(8)、SF6钢瓶(9)首尾依次密封连接；在第一电磁阀(2)、流量调节阀(5)之间密封连接出一条气路与所述的抽真空装置连接；所述的充气接口(1)在不连接时能实现自封。
3.根据权利要求2所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤一中所述的对定容充气罐(6)的容积进行标定的方法包括以下步骤：
步骤a，在SF6钢瓶(9)下放置称重装置，用于检测SF6钢瓶(9)及内部SF6总质量，记录此时称重装置数值为mx；打开流量调节阀(5)，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内气体压力、温度数值记为Px、T；
步骤b，打开第二电磁阀(7)，调节减压阀(8)使得SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后关闭第二电磁阀(7)；通过压力传感器(3)检测检测定容充气罐(6)内气体压力数值记为Py，并记录此时称重装置数值为my；得出充入定容充气罐(6)的气体质量为(mx-my)；
步骤c，根据气体状态方程计算得出定容充气罐(6)容积VG，计算步骤如下：
(Px-Py)VG＝ΔnxRT (1)
Figure FDA0002803515120000031
得出定容充气罐(6)容积VG：
Figure FDA0002803515120000032
其中，mx、my分别为SF6钢瓶(9)在对定容充气罐(6)充气前后的质量；Px、Py分别为SF6钢瓶(9)在对定容充气罐(6)充气前后的定容充气罐(6)内气体压力值；△nx为定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，T为外界环境温度。
4.根据权利要求2所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤二中所述的对SF6气室内初始气体压力、温度数值进行检测的方法为：将充气接口(1)接入SF6气室，打开第一电磁阀(2)，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测SF6气室内气体压力、温度数值，并记录其压力、温度数值为PE0、TE0。
5.根据权利要求2所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，所述的抽真空装置包括：第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)、真空计(12)、真空泵(13)、排气口(14)；在第一电磁阀(2)、流量调节阀(5)之间密封连接出一条气路、依次连接第三电磁阀(10)、真空泵(13)、排气口(14)；真空计(12)通过第四电磁阀(11)密封连接在第三电磁阀(10)与真空泵(13)之间；
步骤三中所述的对充气测量装置内部进行抽真空的方法具体为：打开第一电磁阀(2)、第二电磁阀(7)、第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)以及流量调节阀(5)，启动真空泵(13)对装置内部进行抽真空，真空计(12)检测装置内部的真空度，抽真空结束后，关闭第一电磁阀(2)、第二电磁阀(7)、第三电磁阀(10)、第四电磁阀(11)以及流量调节阀(5)，停止真空泵(13)，防止往SF6气室内充入杂质。
6.根据权利要求2所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤四中所述的通过SF6钢瓶(9)给定容充气罐(6)充入一定压力的SF6气体的方法具体为：打开流量调节阀(5)、第二电磁阀(7)，调节减压阀(8)使得SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，关闭第二电磁阀(7)；待压力稳定后，通过压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内气体压力和温度数值，记录此时定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值为PG0、TG0。
7.根据权利要求2所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤五中所述的通过流量调节阀(5)控制充气流量使得SF6气室内气体压力缓慢充至本阶段充气阈值的过程具体为：
1)在充气的过程中，压力传感器(3)实时监测SF6气室内的动态压力，判断动态压力离本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的10％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径100％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径50％打开，减小充气流量，避免过充；
2)判断动态压力离本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的5％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径50％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径25％打开，减小充气流量，避免过充；
3)判断动态压力离阈值本阶段充气阈值是否小于等于本阶段充气阈值的2％，如果不是，则保持流量调节阀(5)孔径25％打开，向SF6气室内充气；如果是，则控制流量调节阀(5)孔径10％打开，减小充气流量，避免过充；直至达到本阶段充气阈值，此时关断流量调节阀(5)，本阶段充气过程结束。
8.根据权利要求7所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，所述的本阶段充气过程结束后，先关闭第一电磁阀(2)，待压力传感器(3)、温度传感器(4)检测定容充气罐(6)内的气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PG1、TG1；然后打开第一电磁阀2，关闭流量调节阀(5)，待压力传感器(3)、温度传感器(4)检测SF6气室内气体压力、温度数值稳定后，记录此时的压力、温度为PE2、TE2；其中，PE2、TE2分别为充气结束后SF6气室内的气体压力和温度数值；PG1、TG1分别为定容充气罐(6)向SF6气室充气结束后充定容气罐(6)内的气体压力和温度数值。
9.根据权利要求1所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤五中本阶段情况一下的SF6气室的体积V1与内部初始气体质量m1的计算方法为：
由气体状态方程得：
FE0V1＝nE0RTE0 (4)
FE1V1＝nE1RTE1 (5)
PG0VG＝nG0RTG0 (6)
其中，V1表示本阶段情况一下的SF6气室的内部体积，R为热力学常数，8.314J/(mol·K)，nE0表示SF6气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，定容充气罐(6)内的气体摩尔数；nE1表示SF6气室充气后的气体摩尔数；
由于在充气过程中SF6气室内充入的气体量等于定容充气罐(6)放出的气体量，由公式(4)至(6)可得：
Figure FDA0002803515120000061
Figure FDA0002803515120000062
其中，△m1为本阶段情况一下的定容充气罐(6)充气前后的质量变化量，△n1本阶段情况一下的为定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，取146g/mol；
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝T，因此联立公式(7)和(8)得：
Figure FDA0002803515120000063
由公式(9)可得SF6气室内体积为：
Figure FDA0002803515120000064
由公式(10)可得SF6气室内初始的气体总质量为：
Figure FDA0002803515120000065
其中，m1为本阶段情况一下的SF6气室内初始的气体总质量。
10.根据权利要求1所述的基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法，其特征在于，步骤五中本阶段情况二下的SF6气室的体积V2与内部初始气体质量m2的计算方法为：
由气体状态方程得：
PE0V2＝nE0RTE0 (12)
PG0VG＝nG0RTG0 (13)
PE2V2＝nE2RTE2 (14)
PG1VG＝nG1RTG1 (15)其中，V2表示本阶段情况二下的SF6气室的内部体积，R为热力学常数，取8.314J/(mol·K)，nE0表示SF6气室内初始的气体摩尔数；nG0表示SF6钢瓶(9)往定容充气罐(6)内充气至一定压力后，定容充气罐(6)内的气体摩尔数；nE2表示充气结束后SF6气室内的气体摩尔数；nG1表示定容充气罐(6)向SF6气室充气结束后定容充气罐(6)内的气体摩尔数；
由于在充气过程中SF6气室内充入的气体量等于定容充气罐(6)放出的气体量，由公式(12)至(15)可得：
Figure FDA0002803515120000071
Figure FDA0002803515120000072
其中，Δm2为本阶段情况二下的定容充气罐(6)充气前后的质量变化量，Δn2为本阶段情况二下的定容充气罐(6)充气前后的摩尔数变化量，M为SF6气体的摩尔质量，取146g/mol；
由于外界环境温度T在充气前后保持不变，可得TE0＝TE1＝TG0＝TG1＝T，因此联立公式(16)和公式(17)得：
Figure FDA0002803515120000073
由公式(18)可得SF6气室内体积为：
Figure FDA0002803515120000074
由公式(19)可得SF6气室内初始的气体总质量为：
Figure FDA0002803515120000081
其中，m2为本阶段情况二下的SF6气室内初始的气体总质量。
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