袁小芳　馬鳳翔　趙躍　宋玉梅　王海飛

摘 要：介紹了電氣設(shè)備中（SF6+CF4）混氣比例檢測(cè)技術(shù)，采用新型的微流量熱導(dǎo)傳感器，通過(guò)對(duì)氣路流程的改進(jìn)以及對(duì)標(biāo)氣的標(biāo)定，研究了一種適合混合氣體（SF6+CF4）混氣比例的檢測(cè)技術(shù)，且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，誤差<5%。

關(guān)鍵詞：SF6+CF4 混氣比例 微流量熱導(dǎo)傳感器 氣路流程

中圖分類(lèi)號(hào)：TM854 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（a）-0034-03

近年來(lái)，不少設(shè)備制造廠商開(kāi)始嘗試使用混合絕緣氣體替代純SF6氣體[1-7]。用混合氣體代替純SF6氣體的前提是混合氣體不液化，絕緣性能滿(mǎn)足要求，應(yīng)用于滅弧設(shè)備時(shí)具有良好的滅弧性能，滿(mǎn)足電氣設(shè)備的運(yùn)行需要。目前已在我國(guó)寒冷地區(qū)及氣體絕緣輸電管線(xiàn)（GIL）應(yīng)用。但是目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)混合氣體檢測(cè)技術(shù)研究的報(bào)導(dǎo)，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的也多是SF6氣體的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，還沒(méi)有開(kāi)展混合氣體檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究，可見(jiàn)亟需開(kāi)展混合氣體檢測(cè)技術(shù)的研究，包括混合氣體混合均勻性和混氣比檢測(cè)技術(shù)的研究，為電氣設(shè)備故障與混合氣體特征分解產(chǎn)物的關(guān)系提供技術(shù)支持。

1 混合氣體混氣比檢測(cè)技術(shù)的研究

混合氣體SF6+CF4中含有大量的CF4氣體，可能給混合氣體的特性分析及成分檢測(cè)過(guò)程帶來(lái)困難，SF6氣體的部分檢測(cè)項(xiàng)目已不適用于混合氣體的檢測(cè)，主要從混合氣體混氣比探討混合氣體的檢測(cè)技術(shù)。

參考SF6純度檢測(cè)技術(shù)制定了混氣比檢測(cè)技術(shù)的研究方案，首先對(duì)混合氣體混氣比的檢測(cè)開(kāi)展相關(guān)研究。

1.1 基于傳感器檢測(cè)原理的檢測(cè)技術(shù)

參考SF6純度檢測(cè)技術(shù)制定了混氣比檢測(cè)技術(shù)的研究方案：利用SF6傳感器純度儀開(kāi)展混合氣體混氣比檢測(cè)技術(shù)的研究，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的SF6純度儀進(jìn)行了標(biāo)定，再對(duì)混合氣體的組分含量及混氣比進(jìn)行檢測(cè)。

采用SMF06-5型動(dòng)態(tài)配氣儀、高純CF4氣體，以高純SF6氣體為底氣，配制混合氣體：40%SF6+60%CF4、50%SF6+50%CF4、60%SF6+40%CF4、80%SF6+20%CF4、90%SF6+10%CF4、100%SF6、100%CF4，分別通入SF6純度儀，利用軟件程序進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)不同的標(biāo)定值測(cè)得的信號(hào)值分別為：15.1 V、15.1 V、15.2 V、15.6 V、15.2 V、16.2 V、16.8 V、15.9 V。從結(jié)果可以看出，不同混合比例的SF6和CF4的混合氣體響應(yīng)的電信號(hào)值比較接近，該傳感器對(duì)SF6氣體和CF4氣體組分的選擇性較差，不能滿(mǎn)足CF4/SF6混合氣體中組分含量及混氣比檢測(cè)的要求。

1.2 混合氣體混氣比檢測(cè)技術(shù)研究

從前期的研究來(lái)看，SF6傳感器原理的純度儀不適用于混合氣體各組分及混氣比的檢測(cè)，主要是因?yàn)閭鞲衅鞣直媛什粔?，選擇性不好，因此應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)和完善，提高檢測(cè)靈敏度，使其能分辨SF6、CF4等組分，滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

1.2.1 檢測(cè)原理依據(jù)

因此，測(cè)得混合氣體的熱導(dǎo)率數(shù)值即可利用式（3）計(jì)算得出SF6氣體的含量，進(jìn)而計(jì)算CF4的含量。

1.2.2 微流量熱導(dǎo)傳感器檢測(cè)原理

微流量熱導(dǎo)傳感器如圖1、2所示，主要利用氣體擴(kuò)散特性進(jìn)行檢測(cè)，不需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的熱導(dǎo)檢測(cè)池，當(dāng)氣體進(jìn)入檢測(cè)器的微型氣腔2（體積大約為100 μL）后，通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入氣室1（體積大約為0.2μL）中，進(jìn)行氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)。

1.2.3 氣路流程

在SF6氣體組分含量的檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)流程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了混合氣體中SF6和CF4組分含量及混氣比檢測(cè)的氣路流程，如圖3所示。

氣體檢測(cè)流程：混合絕緣氣體通過(guò)快速接頭從電氣設(shè)備流經(jīng)針型閥，調(diào)節(jié)針型閥保證微量的混合絕緣氣體進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，氣體經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入微流量傳感器后，經(jīng)傳感器檢測(cè)電信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)界面讀取檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)后的氣體進(jìn)入氣體回收裝置。

1.2.4 標(biāo)定試驗(yàn)

為了保障混合氣體組分含量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)搭建的混合氣體的檢測(cè)模塊進(jìn)行標(biāo)定，并用動(dòng)態(tài)配氣儀配制的不同濃度的混合氣體進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

分析表1的檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的混合氣體各組分含量檢測(cè)的技術(shù)方案可對(duì)SF6和CF4組分進(jìn)行定量檢測(cè)，且檢測(cè)誤差均<0.5%，檢測(cè)結(jié)果可靠準(zhǔn)確，可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

2 混合氣體混合均勻性研究

前期試驗(yàn)，研究了混合氣體混氣比的檢測(cè)技術(shù)，考慮到SF6和CF4的分子比重不同，混合后是否存在分層現(xiàn)象，要對(duì)其混合的均勻性進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)方案

搭建試驗(yàn)研究平臺(tái)，如圖4試驗(yàn)設(shè)備示意圖，模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中SF6氣體和CF4氣體現(xiàn)場(chǎng)充裝情況，向裝置中分別充入定量的SF6氣體和CF4氣體，至試驗(yàn)裝置壓力為0.4 MPa。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方案向試驗(yàn)裝置充裝一定量的SF6和CF4氣體后，定期用混合氣體純度儀進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。待氣體穩(wěn)定一定時(shí)間后，利用便攜式氣相色譜儀對(duì)試驗(yàn)裝置的上部和下部?jī)蓚€(gè)檢測(cè)口進(jìn)行檢測(cè)，確定混合氣體中SF6、CF4氣體組分含量，檢測(cè)結(jié)束后間隔一定時(shí)間后再次檢測(cè)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

從表2中可以看出，在常溫下，SF6、CF4的混合氣體穩(wěn)定1天后，下部SF6含量稍偏高，可能是因?yàn)镾F6氣體的相對(duì)分子質(zhì)量較大，在底部富集量相對(duì)較多；混合氣體穩(wěn)定1周后，試驗(yàn)裝置上部和下部取樣檢測(cè)結(jié)果基本一致，穩(wěn)定2周后的檢測(cè)結(jié)果與1周后的檢測(cè)結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，在常溫下，對(duì)試驗(yàn)裝置的高度范圍內(nèi)不存在分層，SF6和CF4氣體已混合均勻。

為了進(jìn)一步研究溫度對(duì)混合氣體分層情況的影響，通過(guò)外部制冷或制熱，對(duì)上述試驗(yàn)裝置中穩(wěn)定的混合氣體，分別從上下部取樣及檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的檢測(cè)結(jié)果可以看出，溫度較高時(shí)，試驗(yàn)裝置內(nèi)混合氣體的分層情況不明顯，可能是因?yàn)闇囟容^高時(shí)，加速了分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使得上下層分布均勻；當(dāng)試驗(yàn)溫度為-20 ℃時(shí)，試驗(yàn)裝置下部檢測(cè)結(jié)果稍高，但變化值不明顯，可能是由于低溫下，微量SF6凝聚，向裝置地下運(yùn)動(dòng)；試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度變化對(duì)混合氣體分層影響不大，可忽略不計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展對(duì)混合氣體混氣比例檢測(cè)技術(shù)的研究，研究一套適用于混合氣體混氣比的檢測(cè)技術(shù)，可保證混合氣體組分含量的檢測(cè)誤差<5%，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且便于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)分析。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)新疆、內(nèi)蒙、東北及青海等低溫地區(qū)的SF6使用量近1 100 t，相應(yīng)混合絕緣氣體中CF4氣體的用量也很大，如果再統(tǒng)計(jì)GIL中混合絕緣氣體的應(yīng)用，其應(yīng)用量將更大。隨著我國(guó)北方許多充混合氣體電氣設(shè)備運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，對(duì)混合氣體特性分析及成分檢測(cè)、回收處理和循環(huán)利用技術(shù)的需要更加迫切。這將是我們今后工作的重點(diǎn)，若實(shí)現(xiàn)混合氣體的回收處理循環(huán)再利用將從節(jié)省氣體購(gòu)置費(fèi)用方面產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益。

參考文獻(xiàn)

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[3] 閆向鵬，戚瑋，何寶林.SF6/N2混合氣體電氣性能研究及應(yīng)用綜述[J].科技視界，2015（28）：243-244.