SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備氣體泄漏率準(zhǔn)確測(cè)試方法分析

楊文良，王振中，王 琰，王 瓊，劉 卓

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

2013—2019年，內(nèi)蒙古西部地區(qū)發(fā)生低氣壓報(bào)警和閉鎖的220 kV氣體絕緣斷路器共計(jì)120臺(tái)，其中77臺(tái)故障原因是氣體泄漏。氣體泄漏直接影響氣體絕緣設(shè)備的安全運(yùn)行，因此檢測(cè)絕緣氣體泄漏量是電網(wǎng)運(yùn)維管理的重要工作之一。

目前，針對(duì)充裝純SF6氣體的設(shè)備，氣體泄漏定量檢測(cè)方法主要為扣罩法和局部包扎法，需采用塑料薄膜把試品整體罩住或在連接部位局部包扎，24 h后用檢漏儀測(cè)試罩內(nèi)SF6氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再計(jì)算其累計(jì)漏氣量和泄漏率[1]。采用上述方法進(jìn)行氣體泄漏率檢測(cè)，只能測(cè)量充裝純SF6氣體的設(shè)備，并且需要被測(cè)設(shè)備處于停電狀態(tài)，無法作為日常監(jiān)測(cè)手段。而且，塑料薄膜安裝存在風(fēng)險(xiǎn)、使用難度大，檢測(cè)方法也比較粗略，無法排除由于氣溫變化、扣罩體積等因素產(chǎn)生的測(cè)試誤差[2-5]。因此，GB/T 2423.23—2013《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)Q：密封》規(guī)定：“積累法測(cè)量泄漏率正確度大約為±50%[6]?！睂?duì)于運(yùn)行在日間溫度變化較大地區(qū)的氣體絕緣設(shè)備，該方法無法對(duì)絕緣氣體的間歇性微量泄漏進(jìn)行有效定量檢測(cè)。

對(duì)此，本文提出了一種適用于SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備氣體泄漏率準(zhǔn)確測(cè)試方法，可有效排除氣溫變化和氣室體積因素的干擾，提高氣體泄漏率檢測(cè)的準(zhǔn)確度，可對(duì)氣體絕緣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和報(bào)警。

1 新型SF6/CF4氣體泄漏率測(cè)試方法

新型SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備氣體泄漏率測(cè)試方法流程見圖1。檢測(cè)裝置由絕緣氣體數(shù)據(jù)檢測(cè)元件、中央處理單元、離線數(shù)據(jù)輸入單元、信息儲(chǔ)存單元和氣體泄漏缺陷預(yù)測(cè)/報(bào)警單元組成。

圖1 新型SF6/CF4氣體泄漏率測(cè)試方法流程

裝置的數(shù)據(jù)檢測(cè)元件安裝在被測(cè)氣體絕緣設(shè)備充氣閥接口處，用于測(cè)取設(shè)備內(nèi)氣體的溫度和壓力數(shù)據(jù)，中央處理單元提取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。將所測(cè)氣體溫度下的壓力值PT轉(zhuǎn)換成氣體密度ρ，通過密度差Δρ計(jì)算出氣體年泄漏率Fy。

1.1 計(jì)算混合氣體密度

為了排除設(shè)備氣室體積的影響，準(zhǔn)確計(jì)算氣體溫度下混合氣體的密度，在中央處理單元中加入了PT-ρ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊。通過提取氣體溫度和壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及混合氣體比例離線數(shù)據(jù)，可計(jì)算出設(shè)備內(nèi)絕緣氣體的密度，計(jì)算原理如下[7-10]。

（1）根據(jù)道爾頓分壓定律，已知SF6/CF4混合氣體的壓力P，P（SF6）∶P（CF4）=k1∶k2，則SF6氣體壓力P1=k1P，CF4氣體壓力P2=k2P。

（2）利用Beattie-Bridgman經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算SF6氣體密度，見公式（1）。

式中：P1為SF6氣體的絕對(duì)壓力，MPa；d為SF6氣體密度，kg/m3；T1為SF6氣體的熱力學(xué)溫度，K；A、B為經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)，A=73.882×10-5-5.132 105×10-7d，B=2.506 95×10-3-2.122 83×10-6d；R1為常數(shù)，R1=56.950 2×10-5。

（3）計(jì)算CF4氣體密度，見公式（2）、（3）。

式中：P2為CF4氣體的絕對(duì)壓力，MPa；T為CF4氣體溫度，K；R2為氣體摩爾常數(shù)，R2=8.315 J/（mol·K）；V為CF4氣體的摩爾體積，m3/mol；M為CF4氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol，查物性參數(shù)手冊(cè)M＝8.8×10-2kg/mol；γ為CF4氣體密度，kg/m3；a（T）、b分別為實(shí)際的CF4氣體與理想氣體之間的修正因子，其計(jì)算見公式（4）、（5）。

式中：Tc為CF4氣體的臨界溫度，K，查物性參數(shù)手冊(cè)Tc=227.5 K；Pc為CF4氣體的臨界壓力，MPa，物性參數(shù)手冊(cè)Pc=3.691 MPa；Tr為CF4氣體當(dāng)前溫度與臨界溫度的對(duì)比溫度，Tr=T/Tc；ω為CF4氣體的偏心因子，查物性參數(shù)手冊(cè)ω=0.179 1；α（T）和m為中間變量。

（4）計(jì)算SF6/CF4混合氣體密度，見公式（6）。

式中：ρ為SF6/CF4混合氣體密度，kg/m3。

1.2 計(jì)算氣體年泄漏率

根據(jù)前后兩次的氣體密度數(shù)據(jù)，計(jì)算被測(cè)設(shè)備中氣體的年泄漏率Fy，見公式（7）、（8）。

式中：Δρ為前后兩次計(jì)算的混合氣體密度變化值，kg/m3；ρ1為第一次計(jì)算出的氣體密度，kg/m3；ρ2為第二次計(jì)算出的氣體密度，kg/m3；Δt為兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，h；t為時(shí)間，年。

1.3 氣體泄漏缺陷預(yù)測(cè)與報(bào)警

結(jié)合計(jì)算出的泄漏率結(jié)果，根據(jù)GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“SF6設(shè)備氣體每年泄漏率不大于0.5%、每個(gè)氣室的不大于1%”[11]，與被測(cè)設(shè)備的額定氣體密度對(duì)比，超標(biāo)則發(fā)出預(yù)測(cè)和報(bào)警指令。

2 新型氣體泄漏率測(cè)試方法應(yīng)用

構(gòu)建氣體絕緣設(shè)備模型平臺(tái)，如圖2所示，包括深冷恒溫箱、混合氣體充氣系統(tǒng)和4 L儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置。模擬試驗(yàn)分為兩部分，在20℃時(shí)分別向儲(chǔ)氣試驗(yàn)裝置充入0.4 MPa和0.9 MPa、比例為53%和47%的SF6/CF4混合氣體，測(cè)試-30℃和-40℃下試驗(yàn)裝置的氣體泄漏情況。為有效排除氣體低溫液化造成的干擾，低溫試驗(yàn)結(jié)束后，將溫度回升至20℃，確定裝置內(nèi)氣體減少量。

安裝檢測(cè)裝置時(shí)，在檢測(cè)元件接口螺紋處應(yīng)涂抹厭氧膠，充氣閥與元件之間應(yīng)加裝墊片并涂抹耐油硅酮密封膠，可有效解決檢測(cè)裝置的低溫漏氣問題。氣體絕緣設(shè)備模型在低氣溫條件下氣體泄漏試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 氣體絕緣設(shè)備模型低溫條件下氣體泄漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1可知：

（1）試驗(yàn)過程中，氣體壓力值隨著溫度降低而降低，2組試驗(yàn)的氣體最大壓力差達(dá)到0.286 MPa，若使用壓力差進(jìn)行泄漏率檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)測(cè)試誤差。

（2）由模擬試驗(yàn)一中數(shù)據(jù)可看出，0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體在20℃和-30℃時(shí)氣體密度未變化，裝置沒有發(fā)生泄漏；在-40℃時(shí)，裝置內(nèi)的氣體密度逐步微量下降，該溫度下裝置的氣體年泄漏率為293.76%，判斷是由于密封性能下降造成氣體泄漏；當(dāng)回溫至20℃時(shí)，氣體密度的變化停止，裝置密封性能恢復(fù)。由此可知，氣體密度值的逐步降低是設(shè)備發(fā)生氣體泄漏的特征表現(xiàn)。因此說明，測(cè)量設(shè)備的氣體密度可準(zhǔn)確反映設(shè)備的氣體泄漏情況。

圖2 氣體絕緣設(shè)備模型平臺(tái)

（3）由模擬試驗(yàn)二中數(shù)據(jù)可看出，0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體在20℃時(shí)氣體密度未變化，裝置沒有發(fā)生泄漏；在-30℃時(shí)，裝置內(nèi)的氣體密度逐漸微量下降，由于密封性能下降造成了氣體泄漏，氣體年泄漏率為127.01%；在-40℃時(shí)，裝置內(nèi)的氣體密度值突然大幅降低，通過對(duì)比混合氣體內(nèi)相應(yīng)密度的純SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線，判斷混合氣體發(fā)生了低溫液化，氣體年泄漏率為3 932.42%；當(dāng)回溫至20℃時(shí)，氣體密度值升高后不再發(fā)生變化，證實(shí)了-40℃時(shí)混合氣體發(fā)生了液化現(xiàn)象。由于氣體發(fā)生泄漏后，其密度值是不可逆變的，所以當(dāng)氣體密度值發(fā)生突變或回溫后的密度值升高，均表明氣體發(fā)生了液化。由此說明，測(cè)量設(shè)備的氣體密度可有效反映設(shè)備的氣體液化情況。

（4）對(duì)比2組試驗(yàn)的氣體年泄漏率，模擬試驗(yàn)一中注入了0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體，氣體總體年泄漏率為104.97%；模擬試驗(yàn)二中注入了0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體，氣體總體年泄漏率為607.58%，說明高壓低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏情況加重，且該設(shè)備模型的氣體泄漏率超標(biāo)。

3 新型測(cè)試方法特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的扣罩法和局部包扎法，以及一些高精度密度表，本文提出的SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備氣體泄漏率準(zhǔn)確測(cè)試方法有以下特點(diǎn)。

3.1 不影響被測(cè)帶電運(yùn)行氣體絕緣設(shè)備的內(nèi)部絕緣性能

本文提出的氣體泄漏率測(cè)試方法可作為日常監(jiān)測(cè)手段。在線數(shù)據(jù)獲取元件的安裝位置位于帶電設(shè)備的地電位處，測(cè)試過程不會(huì)產(chǎn)生絕緣氣體外排現(xiàn)象，從而不會(huì)影響被測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行。新型檢測(cè)方法適用于所帶負(fù)荷較大、氣體泄漏間歇且微量、短時(shí)間不危及設(shè)備運(yùn)行安全的不停電運(yùn)行氣體絕緣設(shè)備。

3.2 可消除溫度因素造成的氣體密度測(cè)試誤差

（1）裝置使用的高精度數(shù)字壓力計(jì)，相比常用的高精度指針式壓力表，其結(jié)構(gòu)材料的物理特性不易受環(huán)境溫度變化影響而造成測(cè)量準(zhǔn)確度下降。

（2）計(jì)算采用了氣體密度差算法，可有效排除溫度變化對(duì)氣體壓力的影響。

（3）由于被測(cè)設(shè)備內(nèi)部氣體溫度普遍高于外部環(huán)境溫度，若溫度值選取錯(cuò)誤將導(dǎo)致氣體密度計(jì)算存在誤差。本文方法在運(yùn)算過程中代入被檢氣體的溫度值，從而對(duì)被測(cè)設(shè)備中氣體的泄漏率和泄漏頻率計(jì)算進(jìn)行溫度修正。

3.3 可消除設(shè)備氣室體積不明確造成的氣體密度測(cè)試誤差

本文方法在計(jì)算程序中解決了氣室體積變量對(duì)氣體密度計(jì)算結(jié)果的影響問題。測(cè)試時(shí)，中央處理單元只需提取被測(cè)絕緣氣體的溫度和壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及SF6/CF4混合氣體額定比例離線數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出設(shè)備中混合氣體的密度值。

3.4 超前預(yù)測(cè)及報(bào)警

新方法可在絕緣氣體設(shè)備內(nèi)的氣體密度未降至設(shè)備運(yùn)行報(bào)警密度前，預(yù)測(cè)出設(shè)備將不滿足運(yùn)行狀態(tài)的缺陷發(fā)生時(shí)間，為生產(chǎn)管理人員判斷設(shè)備漏氣原因、提早制訂檢修計(jì)劃以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整提供依據(jù)。

3.5 利用率高、使用范圍廣

相對(duì)于高精度密度繼電器或傳統(tǒng)的定量檢漏方法的材料，新方法采用的測(cè)量裝置拆卸方便，利用效率高。且新方法不僅適用于測(cè)試SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備的氣體泄漏率，也能對(duì)純SF6氣體絕緣設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)束語

本文提出了一種適用于SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備氣體泄漏率準(zhǔn)確測(cè)試方法，能夠有效排除氣溫和氣室體積因素的干擾，解決了在日間溫度變化較大地區(qū)對(duì)帶電運(yùn)行SF6/CF4氣體絕緣設(shè)備、絕緣氣體間歇性微量泄漏的檢測(cè)問題。

生產(chǎn)管理人員能夠根據(jù)氣體變化數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)，判斷設(shè)備是否漏氣，提早制訂檢修計(jì)劃以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行。