六氟化硫氣體低溫液化特性試驗研究

李國興,姜子秋,關(guān)艷玲,付麗君

(國網(wǎng)黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

六氟化硫氣體低溫液化特性試驗研究

李國興,姜子秋,關(guān)艷玲,付麗君

(國網(wǎng)黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

為了了解 SF6氣體的低溫液化特性,保證寒冷地區(qū)SF6電氣設(shè)備冬季運行安全,筆者利用 SF6氣體低溫試驗裝置,在實驗室和戶外分別對SF6氣體的低溫液化特性進(jìn)行了試驗,并參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)曲線和經(jīng)驗公式,繪制了SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線,得到了簡明實用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)公式。試驗結(jié)果表明,在低溫條件下,SF6氣體很容易液化,而且氣體壓力越高,其液化溫度也越高,SF6電氣設(shè)備在低溫環(huán)境中運行的SF6氣體液化溫度不應(yīng)高于該區(qū)域環(huán)境最低溫度,否則必須采取防止SF6氣體液化的措施。

六氟化硫;低溫液化;特性;試驗

SF6氣體具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性、較強(qiáng)的負(fù)電性、優(yōu)異的絕緣性能、滅弧性能,廣泛被應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中。由于SF6氣體的絕緣強(qiáng)度隨氣體壓力的升高而增大,其臨界溫度較高(45.6 ℃),通常條件下很容易液化,而且液態(tài)和固態(tài)的SF6氣體幾乎沒有滅弧能力,因此其不適于在低溫、高氣體壓力下使用[1]。在黑龍江省的大部分地區(qū),尤其高緯度地區(qū)(緯度在北緯47°以上),冬季最低氣溫可達(dá)到-50 ℃,根據(jù)SF6氣體的液化溫度,當(dāng)環(huán)境氣溫不低于-30 ℃,SF6氣體額定壓力為0.4 MPa時,斷路器可以正常工作;當(dāng)環(huán)境氣溫很低時,SF6氣體將產(chǎn)生液化,使設(shè)備中氣體壓力降低,有時會出現(xiàn)報警、閉鎖的情況,嚴(yán)重影響了SF6氣體的絕緣和滅弧性能。在東北、內(nèi)蒙和新疆等地區(qū)的變電站,SF6氣體額定壓力為0.6 MPa 的設(shè)備在冬季都出現(xiàn)過氣體壓力降低甚至液化現(xiàn)象[2-3],低溫環(huán)境極大地威脅了SF6斷路器的安全運行。因此,本文針對高寒地區(qū)SF6斷路器冬季運行安全問題,在實驗室和戶外分別進(jìn)行了SF6氣體低溫液化特性試驗,并據(jù)此得到的特性可以對高壓電氣設(shè)備中SF6氣體壓力進(jìn)行監(jiān)測和控制,以免SF6氣體在低溫條件下液化而影響電氣設(shè)備的絕緣和滅弧性能。

1 實驗室SF6 氣體的低溫液化特性試驗

1.1 試驗裝置

實驗室低溫液化試驗裝置如圖1所示,裝置主要由氣體儲罐、溫度傳感器、壓力傳感器、低溫試驗箱及其控制系統(tǒng)組成。

圖1 低溫液化裝置示意圖

試驗裝置技術(shù)參數(shù)為

低溫試驗箱:-60 ℃～室溫,控溫精度±0.1 ℃。

精密壓力傳感器: 0～1.00 MPa,測量精度0.5%FS。

溫度傳感器:-200～20 ℃,精度±0.1 ℃。

氣體儲罐:8.22 L,鋁合金材質(zhì)。

電子臺秤:精度±0.2 g。

1.2 低溫液化試驗方法

將容積V為8.22 L的罐體置于感量為0.2 g的

電子秤上,向內(nèi)充入一定壓力P的SF6氣體,用差減法稱得充入罐體內(nèi)的SF6氣體質(zhì)量m,然后將其放入低溫試驗箱中。啟動試驗箱制冷系統(tǒng),控制降溫速度為0.1 ℃/min,監(jiān)測和記錄罐體內(nèi)SF6氣體的溫度和壓力[4]。在試驗過程中,密閉不發(fā)生氣體泄漏的試驗系統(tǒng)中的SF6氣體密度保持恒定不變;當(dāng)溫度降低,出現(xiàn)SF6氣體液化時,一部分氣體變成液態(tài),保持氣態(tài)的SF6氣體質(zhì)量降低,因此罐體內(nèi)的SF6氣體密度降低,即氣體壓力與溫度的比值r發(fā)生變化(拐點)時的溫度為該條件下SF6氣體的液化溫度。

根據(jù)罐體容積V和充氣質(zhì)量m,計算出罐體內(nèi)的SF6氣體密度ρ。在20 ℃時,通常運行的電氣設(shè)備中的額定SF6氣體絕對壓力為0.15 MPa、0.30 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa、0.70 MPa、0.80 MPa,通過稱量,計算相應(yīng)的氣體密度值為9.0 kg/m3、18.4 kg/m3、24.8 kg/m3、28.1 kg/m3、31.5 kg/m3、34.9 kg/m3、38.4 kg/m3、41.9 kg/m3、45.5 kg/m3、52.9 kg/m3,因此選定以上氣體密度條件進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 SF6 氣體低溫液化試驗結(jié)果

表2 SF6 氣體低溫液化試驗結(jié)果

從表1、表2可以看出,當(dāng)溫度降低時,SF6氣體會出現(xiàn)液化,而且氣體壓力和密度都有較明顯的變化。通過低溫液化試驗測得的不同壓力的SF6氣體的液化溫度結(jié)果如表3所示。

表3 SF6 氣體的液化溫度測試結(jié)果

1.3 六氟化硫氣體液化曲線及氣體狀態(tài)參數(shù)公式

Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)曲線

Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)經(jīng)驗公式為

P=0.57×10-4ρT(1+B) -0.1ρ2A

(1)

A=0.764×10-3(1-0.727×10-3ρ)

B=2.51×I0-3ρ(1- 0.846×10-3ρ)

式中:P為六氟化硫氣體的壓力,MPa;ρ為六氟化硫氣體的密度,kg/m3;T為 六氟化硫氣體的溫度,K。

根據(jù)表1、表2、表3試驗結(jié)果,參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)經(jīng)驗公式(1)和曲線(圖2),繪制SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線,如圖3所示。

圖3 低溫液化試驗繪制的六氟化硫狀態(tài)參數(shù)曲線

通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析處理,可得簡明實用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)經(jīng)驗公式為

P=(5.8ρT-3.56ρ2)×10-5

(2)

式中:P為六氟化硫氣體的壓力,MPa;ρ為六氟化硫氣體的密度,kg/m3;T為 六氟化硫氣體的溫度,K。

在實際應(yīng)用中,通過電氣設(shè)備的額定充氣壓力(環(huán)境溫度20 ℃)計算出氣體密度,然后可計算出任意非液化溫度下的氣體壓力。目前設(shè)備廠家規(guī)定的設(shè)備額定充氣壓力(環(huán)境溫度20 ℃)如表4所示。

2 大氣環(huán)境條件下SF6 氣體的低溫液化特性試驗

為了分析低溫大氣環(huán)境條件下六氟化硫電氣設(shè)備中SF6氣體的的液化性能,利用罐式試驗裝置,在低溫試驗站進(jìn)行了SF6氣體在大氣環(huán)境條件下的低溫液化試驗。

表4 電氣設(shè)備SF6氣體額定充氣壓力

2.1 試驗裝置

大氣環(huán)境條件下低溫試驗裝置如圖4所示,裝置主要由移動式氣體罐、溫度傳感器、壓力傳感器和密度檢測器[5-6]組成。

圖4 大氣環(huán)境條件下低溫試驗裝置示意圖

試驗裝置技術(shù)參數(shù)為

精密壓力傳感器: 0～1.00 MPa,測量精度±0.3%FS。

氣體密度壓力傳感器: 0～80 kg/m3,測量精度±0.3%FS。

溫度傳感器:-200～420 ℃,精度±0.1 ℃。

氣體儲罐:50.05 L,鋁合金材質(zhì)。

2.2 低溫試驗

在戶內(nèi)(氣溫為15～23 ℃)向容積V為50.05 L的試驗裝置中充入一定壓力P的SF6氣體,記錄SF6氣體的初始壓力和密度,然后將裝置移到戶外,監(jiān)測和記錄裝置中SF6氣體的溫度、壓力和密度。對于密閉不發(fā)生氣體泄漏的試驗系統(tǒng),在試驗過程中將SF6氣體密度保持恒定不變,當(dāng)溫度降低出現(xiàn)SF6氣體液化時,一部分氣體變成液態(tài),保持氣態(tài)的SF6氣體質(zhì)量降低,因此裝置中的SF6氣體密度降低,此時的溫度,即為該條件下SF6氣體的液化溫度。

根據(jù)戶外環(huán)境的最低溫度范圍(-35～42 ℃),選擇額定SF6氣體絕對壓力0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa、0.70 MPa進(jìn)行試驗,試驗結(jié)果如表5所示。

表5 SF6氣體在大氣環(huán)境條件下的低溫液化試驗結(jié)果

從表5可以看出,在戶外的低溫環(huán)境中,SF6氣體會出現(xiàn)液化,此時氣體壓力和密度明顯降低,而且SF6氣體壓力越高,其液化溫度也越高。由于戶外環(huán)境溫度很低,不可控制,試驗裝置移到戶外后溫度下降很快,SF6氣體溫度很快達(dá)到液化溫度,因此測得的氣體剛剛開始液化時的準(zhǔn)確溫度與實驗室條件下測得的液化溫度有0.3～0.6 ℃的偏差。

3 結(jié) 論

1) SF6氣體低溫液化特性試驗結(jié)果表明,低溫條件下SF6氣體很容易液化,而且氣體壓力越高,其液化溫度也越高,因此在六氟化硫電氣設(shè)備運行維護(hù)工作中,尤其是在高緯度和高寒地區(qū),應(yīng)重視環(huán)境溫度使設(shè)備中SF6氣體液化的問題,及時采取措施,防止氣體液化,保證設(shè)備在低溫環(huán)境下安全運行。

2) 通過試驗,參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態(tài)參數(shù)曲線和經(jīng)驗公式,繪制了SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線,得到簡明實用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)公式,更適于實際工作中應(yīng)用。

3) 對于低溫環(huán)境中運行的SF6電氣設(shè)備,其最低使用環(huán)境溫度不應(yīng)高于該區(qū)域環(huán)境最低溫度,否則必須采取防止SF6氣體液化的措施。通常把SF6電氣設(shè)備的報警氣體壓力或最低功能氣體壓力(設(shè)備閉鎖氣體壓力)的液化溫度作為其最低使用環(huán)境溫度。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Research on characteristic test of SF6gas low-temperature liquefaction

LI Guoxing, JIANG Ziqiu, GUAN Yanling, FU Lijun

(State Grid Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin 150030,China)

In order to understand the characteristics of SF6gas low-temperature liquefaction so as to guarantee the safe operation of SF6electrical equipment in cold area in winter, the author tested the characteristics of SF6gas low-temperature liquefaction separately in the laboratory and in the open air by using SF6gas low-temperature testing device, drew the SF6state parameter curve according to the Beattie-Bridgman SF6state parameter curve and experience function commonly used in projects, and worked out the simple and practical SF6state parameter function. The result of test showed that SF6gas easily liquefies under low temperature. Besides, if the gas pressure is higher, its liquefaction temperature is higher. The SF6gas liquefaction temperature, therefore, operating in low temperature, must be lower than the lowest environment temperature. Otherwise, measures should be taken to prevent SF6gas from liquefaction.

SF6; low-temperature liquefaction; characteristics; test

2015-01-07。

李國興(1972—),男,碩士,高級工程師,主要從事絕緣潤滑介質(zhì)的監(jiān)督檢測工作。

TQ 026

A

2095-6843(2015)05-0399-05