CN114035005A - 气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置及其使用方法，涉及气体绝缘设备实验技术领域，装置包括密闭气罐；密闭气罐内部固定有加热棒，加热棒电性连接有电源线和信号线，电源线穿出密闭气罐并与电源电性连接，电源为加热棒提供加热电源，信号线穿出密闭气罐并与温度控制系统电性连接，温度控制系统内预设有给定温度，其实时监测加热棒的温度，并调节加热棒的温度至给定温度。密闭气罐和加热棒完整构建形成一个加热故障模拟实验装置对实验气体C5F10O过热故障进行模拟实验。方法基于装置，包括6个步骤，具备同于装置的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及气体绝缘设备实验技术领域，具体涉及一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置及其使用方法。
背景技术
SF6气体以其优良的绝缘性能和灭弧性能被广泛地应用于各种电气设备中。然而SF6气体对于温室效应有极大的加重作用，它的100年内温室效应潜能指数高达23900，大气寿命长达3200年。因此，寻找环境友好型SF6替代气体用于电气设备的绝缘是近年来国内外的研究热点之一。
近几年来，CnF2nO类气体绝缘介质得到了国外替代气体研究领域的重点关注。其中，ABB公司推出了全氟五碳酮，简称C5F10O，并阐述了其替代SF6气体的可应用性。C5F10O的环保性能及绝缘特性均非常优越，同时无毒、不可燃、稳定性好，在中低压绝缘设备方面具有极大替代SF6气体的可行性。由于接触不良、磁路故障、介质电导率过大、放电等原因，气体绝缘设备内部会发生局部过热故障。当C5F10O气体作为绝缘介质应用到气体绝缘全封闭组合电器中时，在局部过热性故障的持续作用下会发生分解，使得设备内部气体的组分以及气体的绝缘性能发生改变。
国内外对C5F10O气体的热稳定性和过热分解特性目前大都停留在理论计算和仿真层面，在局部过热故障POF下的热稳定性和产物特性以及对电气绝缘设备运行的影响及机理尚不清楚。构建气体绝缘电气设备过热故障模拟实验装置，模拟气体绝缘介质C5F10O在不同的故障温度下发生局部过热分解，对C5F10O的热稳定性进行探索，探索C5F10O及其混合气体分解起始温度，各分解产物生成的起始温度，各产物生成特性，揭示其中的机理，可以为C5F10O气体工程应用后的设备运维奠定基础。如何构建一个过热故障模拟实验装置是目前进行C5F10O过热故障模拟实验亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于进行C5F10O过热故障模拟实验的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置及其使用方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，包括密闭气罐，密闭气罐为不锈钢材料，其上开设有采气口和充气口，采气口连通有气体采集与检测系统，其在预定时间间隔内对密闭气罐内部的气体进行采集并检测；密闭气罐内部固定有加热棒，加热棒不与密闭气罐内壁接触，加热棒电性连接有电源线和信号线，电源线穿出密闭气罐并与电源电性连接，电源为加热棒提供加热电源，信号线穿出密闭气罐并与温度控制系统电性连接，温度控制系统内预设有给定温度，其实时监测加热棒的温度，并调节加热棒的温度至给定温度。
采用上述技术方案，加热棒用于加热密封气罐内部温度，模拟电力绝缘设备的运行环境，温度控制系统实时监测并控制加热棒的温度，进而调节密封气罐内部的实验环境温度。密闭气罐用于隔绝外部影响，并且密闭气罐的材料设计能够长时间承受超过4倍大气压而不发生漏气，实验时，密封气罐内部温度一般不超过40℃，密封气罐的不锈钢内壁能够在实验温度下不与实验气体发生化学反应。
优选的，气体采集与检测系统包括连通密闭气罐采气口的三通阀，三通阀的一个出口连通真空泵、另一个出口连通气体采集袋，气体采集袋连通气体检测仪，气体检测仪检测密闭气罐内气体的组分。
采用上述技术方案，真空泵用于改变密封气罐内部压力，使密封气罐内部气体进入气体采集袋中，气体检测仪用于在实验过程中检测密封气罐内部气体的组分，进而根据密封气罐内部的温度变化得出密封气罐内部的气体组分变化情况。
优选的，温度控制系统包括相互电性连接的温度传感器、控制器、继电器，温度传感器连接信号线，实时监测加热棒的温度，并将检测到的温度传输至控制器，控制器内预设有给定温度，判断加热棒的温度与给定温度偏离时，输出触发脉冲信号至继电器，继电器电性连接电源线，继电器通过通断电源的方式控制加热棒的温度至给定温度。
采用上述技术方案，加热棒不具备自行调节至指定温度的功能，因此配备温度控制系统实现该功能，温度调节方式简单，并且使用温度传感器，能够实时监测到加热棒的温度，保证温度控制准确。
优选的，密封气罐还连通有气压表；密封气罐的采气口、充气口处设置有密封圈，电源线、信号线穿出密封气罐的位置也设置有密封圈；密封圈采用丁腈橡胶材料。
采用上述技术方案，气压表用于实时检测密封气罐内部压力，在充气过程中保证充气压力达到需求。密封圈的设置用于隔绝密封气罐内部与外部环境，密封圈的材料与极性物质有相容性，不与实验气体发生化学反应，具备物理力学性能和耐磨性，该种材料的耐油性和耐热性好，长期使用温度能够达到100℃，满足实验要求。并且密封圈经过实验验证，密封性能保持在0.1MPa气压下12h降低小于0.1％，满足实验精度要求。
优选的，加热棒包括热电偶，内部填充有MgO，两端封装有陶瓷。
采用上述技术方案，MgO化学性质稳定、耐高温、传热性能好，陶瓷的化学性能也稳定，能够保证稳定性。
所述气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：
S01、在密封气罐内充入5％的C5F10O气体，再充入He气体使密封气罐内绝对气压值达到0.2MPa，静置12h以使气体充分混合均匀；
S02、设定加热棒温度为500℃，以开始加热时间为计时起点，每隔预定时间，开启真空泵从采气口采集50mL气体，并将气体通过气体采集袋输送至气体检测仪进行组分检测。
采用上述技术方案，步骤S02中，采集50mL气体不会对密封气罐内部气压造成明显影响。
优选的，步骤S02后还包括步骤：设定控制器给定温度为500℃，温度传感器实时监测加热棒的温度并传输至控制器中，当控制器接收到的加热棒温度偏离给定温度时，控制器对接收到的加热棒温度与给定值的偏差进行PID运算，根据运算结果输出触发脉冲信号至继电器，继电器接收触发脉冲信号并控制加热棒的电源导通或关断，进而控制加热棒的温度至给定值。
优选的，步骤S01前还包括步骤：使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，使用He气体充入密闭气罐，直至密封气罐内部气压达到0.2MPa后，静置10min，再次使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，该步骤重复3次。
优选的，步骤S02中的气体检测仪为气相色谱质谱联用仪，色谱检测条件为：使用高纯He气体作为载气，并利用载气过滤器滤除载气中的杂质气体，调整柱箱温度为32℃、进样量为300μL、进样口温度为200℃，采用分流进样模式进样，调整分流比为10:1、进样口压力为55kPa、总流量为16.6mL/min、柱流量为1.23mL/min、吹扫流量为3.0mL/min、线速度为28.2cm/s；质谱检测条件为：离子源使用EI离子源，调整离子源温度为200℃、进样口温度为200℃、容积延迟时间为1min、微扫描宽度为0u、检测电压为0.9kV、阀值为0。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：密闭气罐和加热棒配合形成一个模拟电力绝缘设备的运行环境，在密闭气罐内充入实验气体C5F10O进行实验，实验过程中，对加热棒的温度实时调节，并相隔预定时间检测实验气体的组分，得到整个实验过程中实验气体的变化，完整构建形成一个加热故障模拟实验装置对实验气体C5F10O过热故障进行模拟实验。方法基于装置，具备同于装置的有益效果。
附图说明
图1为气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的平面示意图。
图2为温度控制系统与电源线、电源、信号线配合的原理图。
图3为气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法的流程图。
图中标记：密闭气罐-1、采气口-11、充气口-12、气压表-13、接线柱-14、加热棒-2、电源线-3、电源-31、信号线-4、温度控制系统-5、温度传感器-51、控制器-52、继电器-53、气体采集与检测系统-6、三通阀-61、真空泵-62、气体采集袋-63、气体检测仪-64。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参看图1至图2，一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，包括密闭气罐1，密闭气罐1上部固定有密封盖，密封气罐及其密封盖均为不锈钢材料，密封气罐的侧壁开设有采气口11和充气口12；密封气罐侧壁还固定有预定数量的接线柱14，接线柱14的一端位于密封气罐内部、另一端位于密封气罐外部，接线柱14也为不锈钢材料；密封气罐厚度20mm，能够长时间承受超过4倍大气压而不发生漏气；实验过程中密封气罐内部实际罐壁温度不会超过40℃，其不锈钢内壁在40℃长期作用下不会与实验气体C5F10O发生化学反应。密封盖的连接处、接线柱14与密封气罐的连接处均设置有密封圈，密封圈的材料为丁腈橡胶，其与极性物质有很好的相容性，不与实验气体C5F10O发生化学反应，并能够通过补强得到很好的物理力学性能和耐磨性，该种材料耐油性和耐热性好，长期使用温度能够达到100℃，满足实验要求；经过实验验证，已经证实密封圈材料的密封性能能够保持在0.1MPa气压下12h气压降低小于0.1％，满足实验精度要求。密封气罐还连通有气压表13，用于实时检测密封气罐内部气压。
密封气罐内部固定有加热棒2，加热棒2不与密封气罐内壁接触，且加热棒2的高温表面位于密封气罐中部，加热棒2为直径6mm、长60mm的k型测温加热管，发热功率为120W；加热棒2包括热电偶，内部填充化学性质稳定、耐高温、传热性能好的MgO，其两端封装有化学性质稳定的陶瓷，保证加热棒2的密封性。加热棒2电性连接有电源线3和信号线4，电源线3的一端与加热棒2电性连接、另一端电性连接位于密封气罐内部的一个接线柱14的一端，该接线柱14位于密封气罐外部的一端电性连接另一根电源线3，该根电源线3再电性连接有电源31；信号线4的一端与加热棒2电性连接，靠近加热棒2的高温表面且不与加热棒2接触，信号线4的另一端电性连接位于密封气罐内部的另一个接线柱14的一端，该接线柱14位于密封气罐外部的一端电性连接另一根信号线4，该根信号线4再电性有温度控制系统5。
温度控制系统5包括与信号线4电性连接的温度传感器51、电性连接温度传感器51的控制器52、电性连接控制器52和电源线3的继电器53，温度传感器51用于实时监测加热棒2的温度，并将检测到的温度传输至控制器52，控制器52内预设有给定温度，其判断加热棒2的温度与给定温度偏离时，输出触发脉冲信号至继电器53，继电器53通过通断电源31的方式控制加热棒2的温度至给定温度。加热棒2不具备自行调节至指定温度的功能，因此配备温度控制系统5实现该功能，温度调节方式简单，并且使用温度传感器51，能够实时监测到加热棒2的温度，保证温度控制准确。
还包括气体采集与检测系统6，其包括连通密闭气罐1采气口11的三通阀61，三通阀61的一个出口连通真空泵62、另一个出口连通气体采集袋63，气体采集袋63连通气体检测仪64，气体检测仪64检测密闭气罐1内气体的组分。真空泵62用于改变密封气罐内部压力，使密封气罐内部气体进入气体采集袋63中，气体检测仪64用于在实验过程中检测密封气罐内部气体的组分，进而根据密封气罐内部的温度变化得出密封气罐内部的气体组分变化情况。
加热棒2用于加热密封气罐内部温度，模拟电力绝缘设备的运行环境，温度控制系统5实时监测并控制加热棒2的温度，进而调节密封气罐内部的实验环境温度。密闭气罐1、加热棒2、温度控制系统5、气体采集与检测系统6相互配合形成一个加热故障模拟实验装置，用于对实验气体C5F10O过热故障进行模拟实验。
一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，应用于上述气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，包括以下步骤：
S01：使用无水乙醇完整擦拭密闭气罐内壁，清除可能残留水分和上一次实验后的残留产物，避免杂质干扰实验结果；
S02：洗气：使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，为充分排净密封气罐内部残留的杂质和废气，防止气体泄漏对实验人员安全造成威胁；使用纯度为99.999％He气体充入密闭气罐，直至密封气罐内部气压达到0.2MPa后，静置10min，再次使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，该步骤重复3次；
S03：先按照分压比向密封气罐内充入5％的C5F10O气体，再充入He气体使密封气罐内绝对气压值达到0.2MPa，静置12h以使气体充分混合均匀；
S04：设定加热棒温度为500℃，以开始加热时间为计时起点，每隔1h，开启真空泵从采气口采集50mL气体，并将气体通过气体采集袋输送至气体检测仪进行组分检测。采集50mL气体的原因为该容量的气体不会对密封气罐内部气压造成明显影响；
实验气体C5F10O和气体He的混合气体在过热温度下会分解出15种气体，它们含量均很小，浓度大多在10ppm～5000ppm之间，属于痕量分析。检测方法要求有很高的灵敏度和稳定性，因此经过大量调试工作，气体检测仪选用气相色谱质谱联用仪，以充分发挥气相色谱质谱的检测能力，使色谱峰互不重叠且各产物组分互相分离，对实验气体气体C5F10O分解组分进行最有效的定量检测：
气相色谱检测条件：使用纯度99.999％的高纯He气体作为载气，并利用载气过滤器滤除载气中的杂质气体，调整柱箱温度为32℃、进样量为300μL、进样口温度为200℃，采用分流进样模式进样，调整分流比为10:1、进样口压力为55kPa、总流量为16.6mL/min、柱流量为1.23mL/min、吹扫流量为3.0mL/min、线速度为28.2cm/s；质谱检测条件为：离子源使用EI离子源，调整离子源温度为200℃、进样口温度为200℃、容积延迟时间为1min、微扫描宽度为0u、检测电压为0.9kV、阀值为0；
气相质谱检测条件：离子源使用EI离子源，调整离子源温度为200℃、进样口温度为200℃、容积延迟时间为1min、微扫描宽度为0u、检测电压为0.9kV、阀值为0。
气体样品通过密闭气罐的采气口采集，然后通入分析检测系统，能够对采集的产物气体进行定性定量分析，能够分析各种组分的含量和浓度变化情况。经反复测试，实验系统能很好地满足上述对实验气体C5F10O局部过热分解实验系统的要求，能够进行准确、可重复的安全实验。
S05：为了保证密封气罐内部不整体升温，要求密封气罐向外部散热功率大于加热棒的发热功率。加热棒对周围环境的散热功率由辐射和对流散热功率组成，辐射散热功率根据斯特藩-玻尔兹曼定律计算：
Qr＝εσST4
其中，Qr为加热棒的辐射功率；ε为加热棒表面发热率，取值范围为0～1；σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，其值为5.6697×10-8W/(m2·K4)；S为加热棒的表面积；T为绝对温标；
对流散热功率，高温物体定性温度为：
其中，ts为加热棒表面温度；t∞为加热棒所处环境温度，通过查询气体物性表确定加热棒所处环境的气体物性值；
高温物体的自然对流平均换热系数Num为：
其中，νm为粘度，单位为m2/s；g为重力加速度；β为气体的膨胀系数；C，M的值通过查表得到；
从而得到加热棒表面对流散热功率QC为：
其中，λm为密封气罐中气体的导热系数；
此处以He气体为例做计算，单位为W/(m·K)：
根据加热源材料的表面状况，取表面发热率ε＝0.1；气室内气体温度为50℃；当加热棒表面650℃时，计算得辐射散热功率Qr1＝4.78W；
在最高设定温度932K下，室温20℃，tm＝639K；通过查表得到C，M的值为：C＝0.1，M＝0.333，计算得Num＝278.8，最后计算出热源对流散热功率Qc1＝58.87W。
为方便计算，设最高实验温度时密封气罐内部气体温度均匀为50℃，得到tm＝303K；通过查表得到C，M的值分别为：C＝0.59，M＝0.25，从而计算得Num＝79.9。对流散热功率Qc2＝36.3W；密闭气室近似为圆柱体，表面积测得S＝0.57m2，表面发热率ε＝0.3，实验环境温度为20℃，当密封气罐温度为50℃时，计算得辐射散热功率Qr2＝106.6W。
综上，在最极限的实验温度下，密闭气罐内部对外界散热功率为Qr2+Qc2＝142.9W，大于热源加热管散热功率Qr1+Qc1＝63.65W，满足实验要求，且其他缓冲气体CO2、Ar、N2的导热系数均小于气体He，所以所有局部过热实验中气室内不会持续整体升温。
设定控制器给定温度为500℃，温度传感器实时监测加热棒的温度并传输至控制器中，当控制器接收到的加热棒温度偏离给定温度时，控制器对接收到的加热棒温度与给定值的偏差进行PID运算，根据运算结果输出触发脉冲信号至继电器，继电器接收触发脉冲信号并控制加热棒的电源导通或关断，进而通过控制输出功率来使加热棒的表面温度恢复到给定值，实现加热棒与混合气体接触表面工作温度和给定温度的无差控制；
S06：持续实验7h，待本次实验的各项所需数据都检测完成后，使用真空泵将密封气罐抽至真空状态，静置12h以上。开始下一次实验。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，其特征在于，包括密闭气罐，密闭气罐为不锈钢材料，其上开设有采气口和充气口，采气口连通有气体采集与检测系统，其在预定时间间隔内对密闭气罐内部的气体进行采集并检测；密闭气罐内部固定有加热棒，加热棒不与密闭气罐内壁接触，加热棒电性连接有电源线和信号线，电源线穿出密闭气罐并与电源电性连接，电源为加热棒提供加热电源，信号线穿出密闭气罐并与温度控制系统电性连接，温度控制系统内预设有给定温度，其实时监测加热棒的温度，并调节加热棒的温度至给定温度。
2.如权利要求1所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，其特征在于，所述气体采集与检测系统包括连通密闭气罐采气口的三通阀，三通阀的一个出口连通真空泵、另一个出口连通气体采集袋，气体采集袋连通气体检测仪，气体检测仪检测密闭气罐内气体的组分。
3.如权利要求2所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括相互电性连接的温度传感器、控制器、继电器，温度传感器连接信号线，实时监测加热棒的温度，并将检测到的温度传输至控制器，控制器内预设有给定温度，判断加热棒的温度与给定温度偏离时，输出触发脉冲信号至继电器，继电器电性连接电源线，继电器通过通断电源的方式控制加热棒的温度至给定温度。
4.如权利要求1所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，其特征在于，所述密封气罐还连通有气压表；密封气罐的采气口、充气口处设置有密封圈，电源线、信号线穿出密封气罐的位置也设置有密封圈；密封圈采用丁腈橡胶材料。
5.如权利要求1所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置，其特征在于，所述加热棒包括热电偶，内部填充有MgO，两端封装有陶瓷。
6.如权利要求3所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、在密封气罐内充入5％的C5F10O气体，再充入He气体使密封气罐内绝对气压值达到0.2MPa，静置12h以使气体充分混合均匀；
S02、设定加热棒温度为500℃，以开始加热时间为计时起点，每隔预定时间，开启真空泵从采气口采集50mL气体，并将气体通过气体采集袋输送至气体检测仪进行组分检测。
7.如权利要求6所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S02后还包括步骤：设定控制器给定温度为500℃，温度传感器实时监测加热棒的温度并传输至控制器中，当控制器接收到的加热棒温度偏离给定温度时，控制器对接收到的加热棒温度与给定值的偏差进行PID运算，根据运算结果输出触发脉冲信号至继电器，继电器接收触发脉冲信号并控制加热棒的电源导通或关断，进而控制加热棒的温度至给定值。
8.如权利要求7所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S01前还包括步骤：使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，使用He气体充入密闭气罐，直至密封气罐内部气压达到0.2MPa后，静置10min，再次使用真空泵将密闭气罐内部抽至真空，该步骤重复3次。
9.如权利要求8所述的气体绝缘设备局部过热分解模拟实验装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S02中的气体检测仪为气相色谱质谱联用仪，色谱检测条件为：使用高纯He气体作为载气，并利用载气过滤器滤除载气中的杂质气体，调整柱箱温度为32℃、进样量为300μL、进样口温度为200℃，采用分流进样模式进样，调整分流比为10:1、进样口压力为55kPa、总流量为16.6mL/min、柱流量为1.23mL/min、吹扫流量为3.0mL/min、线速度为28.2cm/s；质谱检测条件为：离子源使用EI离子源，调整离子源温度为200℃、进样口温度为200℃、容积延迟时间为1min、微扫描宽度为0u、检测电压为0.9kV、阀值为0。
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