電氣設備中SF6+CF4混氣比例檢測技術的研究

袁小芳　馬鳳翔　趙躍　宋玉梅　王海飛

摘 要：介紹了電氣設備中（SF6+CF4）混氣比例檢測技術，采用新型的微流量熱導傳感器，通過對氣路流程的改進以及對標氣的標定，研究了一種適合混合氣體（SF6+CF4）混氣比例的檢測技術，且檢測結果準確，誤差<5%。

關鍵詞：SF6+CF4 混氣比例 微流量熱導傳感器 氣路流程

中圖分類號：TM854 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（a）-0034-03

近年來，不少設備制造廠商開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，絕緣性能滿足要求，應用于滅弧設備時具有良好的滅弧性能，滿足電氣設備的運行需要。目前已在我國寒冷地區及氣體絕緣輸電管線（GIL）應用。但是目前國內還沒有專門針對混合氣體檢測技術研究的報導，應用于生產實踐的也多是SF6氣體的相關檢測技術，還沒有開展混合氣體檢測技術的相關研究，可見亟需開展混合氣體檢測技術的研究，包括混合氣體混合均勻性和混氣比檢測技術的研究，為電氣設備故障與混合氣體特征分解產物的關系提供技術支持。

1 混合氣體混氣比檢測技術的研究

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過程帶來困難，SF6氣體的部分檢測項目已不適用于混合氣體的檢測，主要從混合氣體混氣比探討混合氣體的檢測技術。

參考SF6純度檢測技術制定了混氣比檢測技術的研究方案，首先對混合氣體混氣比的檢測開展相關研究。

1.1 基于傳感器檢測原理的檢測技術

參考SF6純度檢測技術制定了混氣比檢測技術的研究方案：利用SF6傳感器純度儀開展混合氣體混氣比檢測技術的研究，首先對實驗室現有的SF6純度儀進行了標定，再對混合氣體的組分含量及混氣比進行檢測。

采用SMF06-5型動態配氣儀、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，利用軟件程序進行標定，根據不同的標定值測得的信號值分別為：15.1 V、15.1 V、15.2 V、15.6 V、15.2 V、16.2 V、16.8 V、15.9 V。從結果可以看出，不同混合比例的SF6和CF4的混合氣體響應的電信號值比較接近，該傳感器對SF6氣體和CF4氣體組分的選擇性較差，不能滿足CF4/SF6混合氣體中組分含量及混氣比檢測的要求。

1.2 混合氣體混氣比檢測技術研究

從前期的研究來看，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，主要是因為傳感器分辨率不夠，選擇性不好，因此應對傳感器進行改進和完善，提高檢測靈敏度，使其能分辨SF6、CF4等組分，滿足檢測要求。

1.2.1 檢測原理依據

因此，測得混合氣體的熱導率數值即可利用式（3）計算得出SF6氣體的含量，進而計算CF4的含量。

1.2.2 微流量熱導傳感器檢測原理

微流量熱導傳感器如圖1、2所示，主要利用氣體擴散特性進行檢測，不需要設計專用的熱導檢測池，當氣體進入檢測器的微型氣腔2（體積大約為100 μL）后，通過擴散作用進入氣室1（體積大約為0.2μL）中，進行氣體體積分數檢測。

1.2.3 氣路流程

在SF6氣體組分含量的檢測技術和檢測流程基礎上，設計了混合氣體中SF6和CF4組分含量及混氣比檢測的氣路流程，如圖3所示。

氣體檢測流程：混合絕緣氣體通過快速接頭從電氣設備流經針型閥，調節針型閥保證微量的混合絕緣氣體進入檢測系統，氣體經進氣管進入微流量傳感器后，經傳感器檢測電信號，通過檢測界面讀取檢測結果。檢測后的氣體進入氣體回收裝置。

1.2.4 標定試驗

為了保障混合氣體組分含量檢測結果的準確性和可靠性，對搭建的混合氣體的檢測模塊進行標定，并用動態配氣儀配制的不同濃度的混合氣體進行了檢測，檢測結果見表1。

分析表1的檢測結果，可以發現，設計的混合氣體各組分含量檢測的技術方案可對SF6和CF4組分進行定量檢測，且檢測誤差均<0.5%，檢測結果可靠準確，可用于現場檢測。

2 混合氣體混合均勻性研究

前期試驗，研究了混合氣體混氣比的檢測技術，考慮到SF6和CF4的分子比重不同，混合后是否存在分層現象，要對其混合的均勻性進行研究。

2.1 試驗方案

搭建試驗研究平臺，如圖4試驗設備示意圖，模擬現場設備中SF6氣體和CF4氣體現場充裝情況，向裝置中分別充入定量的SF6氣體和CF4氣體，至試驗裝置壓力為0.4 MPa。

2.2 試驗結果

按照試驗方案向試驗裝置充裝一定量的SF6和CF4氣體后，定期用混合氣體純度儀進行檢測，檢測結果見表2。待氣體穩定一定時間后，利用便攜式氣相色譜儀對試驗裝置的上部和下部兩個檢測口進行檢測，確定混合氣體中SF6、CF4氣體組分含量，檢測結束后間隔一定時間后再次檢測，并記錄試驗結果。

從表2中可以看出，在常溫下，SF6、CF4的混合氣體穩定1天后，下部SF6含量稍偏高，可能是因為SF6氣體的相對分子質量較大，在底部富集量相對較多；混合氣體穩定1周后，試驗裝置上部和下部取樣檢測結果基本一致，穩定2周后的檢測結果與1周后的檢測結果一致。試驗結果表明，在常溫下，對試驗裝置的高度范圍內不存在分層，SF6和CF4氣體已混合均勻。

為了進一步研究溫度對混合氣體分層情況的影響，通過外部制冷或制熱，對上述試驗裝置中穩定的混合氣體，分別從上下部取樣及檢測，檢測結果見表3。

從表3的檢測結果可以看出，溫度較高時，試驗裝置內混合氣體的分層情況不明顯，可能是因為溫度較高時，加速了分子的擴散運動，使得上下層分布均勻；當試驗溫度為-20 ℃時，試驗裝置下部檢測結果稍高，但變化值不明顯，可能是由于低溫下，微量SF6凝聚，向裝置地下運動；試驗結果表明，溫度變化對混合氣體分層影響不大，可忽略不計。

3 結語

通過開展對混合氣體混氣比例檢測技術的研究，研究一套適用于混合氣體混氣比的檢測技術，可保證混合氣體組分含量的檢測誤差<5%，檢測結果準確可靠，且便于現場快速檢測分析。

據統計，我國新疆、內蒙、東北及青海等低溫地區的SF6使用量近1 100 t，相應混合絕緣氣體中CF4氣體的用量也很大，如果再統計GIL中混合絕緣氣體的應用，其應用量將更大。隨著我國北方許多充混合氣體電氣設備運行年限的增長，對混合氣體特性分析及成分檢測、回收處理和循環利用技術的需要更加迫切。這將是我們今后工作的重點，若實現混合氣體的回收處理循環再利用將從節省氣體購置費用方面產生巨大的經濟、社會、環保效益。

參考文獻

[1] 宋邦申.N2/SF6混合氣體在金屬封閉輸電線路GIL中的應用[J].電工電氣，2012（7）：62-64.

[2] 周黎明，邱毓昌.用作絕緣介質的SF6混合氣體[J].高壓電器技術，1995（1）：48-52.

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