基于傅里葉變換的SF₆氣體過濾裝置研究

袁鏡江 吳樹平 李志鈿 曾憲文

摘? 要：傳統SF6氣體過濾裝置，在進行SF6氣體過濾時過濾效率低。針對這一問題，進行基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置研究。通過設計取樣管，在入口以及出口分別設有第一自封接頭和第二自封接頭，避免由于流量波動而引起過濾偏差。利用高效過濾器，實現SF6氣體取樣以及氣體檢測功能的整合，避免由于SF6氣體多次抽取以及輸入的過程中所造次的二次污染，進一步提高SF6氣體過濾效率。設計實驗，結果表明，設計的過濾裝置過濾效率明顯高于對照組，高出一半左右。

關鍵詞：傅里葉變換? SF6? 二次污染? 氣體過濾裝置

中圖分類號：TG115.28 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0083-03

Abstract： The traditional SF6 gas filtration device has low filtration efficiency when performing SF6 gas filtration. In response to this problem， the SF6 gas filter device based on Fourier transform was studied. By designing a sampling tube， a first self-sealing joint and a second self-sealing joint are provided at the inlet and the outlet， respectively， to avoid filtration deviation due to flow fluctuations. The use of high-efficiency filters enables the integration of SF6 gas sampling and gas detection functions to avoid secondary pollution caused by the multiple extraction and input of SF6 gas and further improve the SF6 gas filtration efficiency. The design experiment shows that the filtering efficiency of the designed filter device is significantly higher than that of the control group， and is about half higher.

Key Words： Fourier transform;SF6;Secondary pollution;Gas filter device

1? 基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置研究

基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置，其特征在于依次連通的真空泵、初效過濾器、取樣管、壓縮機以及FTIR分析儀[2]。SF6氣體過濾裝置具體電路情況，如圖1所示。

通過圖1可知，真空泵采用雙級旋片式真空泵，抽真空速率為4L/s。SF6壓縮機要求為CA-0300封閉壓縮機，理論排氣量：12m/h;最大排氣壓力：2.5MPa;最小吸氣壓力：50KPa;最大吸氣壓力：0.35～0.8MPa;功率為2.2kW;電源為380V。50Hz壓縮機可將SF6氣體直接壓縮成液態儲存SF6儲罐內（或采用輔助制冷壓縮儲存），從而實現SF6氣體的無油快速過濾。

1.1 設計取樣管

SF6氣體過濾裝置中的取樣管包括取樣管本體，基于傅里葉變換設計的取樣管在入口以及出口分別設有第一自封接頭和第二自封接頭[3]。由于傅里葉變換存在多種不同的變體形式，因此，設計的第一自封接頭和第二自封接頭分別與初效過濾器和流量調節閥連通。本發明所述基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置，根據分子篩和氧化鋁顆粒的大小選擇來提高過濾效果，針對吸附水或者吸附SF6分解產物，如何分配分子篩和氧化鋁的比例，使其吸附更理想效過濾器用于對外界環境中的氣體進行過濾，避免雜質進入到FTIR分析儀。取樣管用于采集SF6氣體樣品，該SF6氣體樣品在流量調節機構的控制下直接輸入到FTIR分析儀。這樣一來，還能夠避免由于流量波動而引起過濾偏差。在SF6氣體過濾前，需要用真空泵將氣罐中的氣體抽走，制造真空狀態，再將凈化后的SF6氣體充回氣室內，直到氣室壓力發到工作標準為止[4]。以上操作可通過兩步來實現，第一，巧妙運用SF6儲罐壓力，讓罐內氣體流向SF6開關，以預設的充氣壓力作為極限值，當達到該值時，即停止氣體傳遞;第二，當SF6儲罐壓力與SF6開關壓力平衡時，再采用壓縮機進行加壓充氣，直至達到預定充氣壓力。

1.2 完成SF6氣體過濾裝置設計

在SF6氣體進行過濾時，是采取用多少取樣多少的原則，不會浪費多余的取樣氣體，這樣的設計減少了所述基于傅里葉變換的全相位數據預處理步驟。SF6氣體分解產物過濾裝置檢測所需的氣體量[5]。根據所加窗函數的情況，全相位數據預處理可分為無窗全相位預處理、單窗全相位預處理和雙窗全相位預處理三種，其原理相同，但三者中無窗全相位預處理更簡易，因此文中采用無窗全相位數據預處理方法設計SF6氣體過濾裝置。SF6氣體過濾裝置在使用中，首先使用壓縮機高壓冷凝液化SF6氣體，再通過熱交換器輔助SF6氣體進行回收和回充操作[6]。在充氣時經緩沖，進行SF6氣體過濾。SF6氣體過濾裝置的主要性能及技術參數包括：

裝置極限真空度≤133Pa（特別要求可≤5Pa）;裝置抽真空速率55m³/h以及裝置充氣初壓力<133Pa[7]。

綜上所述，本文設計的基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置實現了氣體取樣和氣體檢測功能的整合，避免了氣體多次抽取和輸入的過程中所造次的二次污染，進一步提高SF6氣體過濾效率。在SF6氣體過濾裝置使用前，必須檢查各連接部分正確與否，接口密封;設備元件油位合適;真空泵不得反轉;設備有氣體壓力時不能看真空度開V9;過濾器濾芯工作5000h更換。分子篩10000h更換;回收氣體時可以提前15～30min開制冷系統以及制冷系統打開時會有少量冷凝水排出，可適當處理。

2? 對比實驗

2.1 實驗準備

本次對比實驗選擇10瓶50L鋼瓶SF6氣體為實驗對象，將每個鋼瓶按照1-10的順序進行排序。

結合表1信息，實驗所用SF6氣體的純度不能高于99.8%;露點不能超過-48.5℃。再準備一個真空的50L鋼瓶作為實驗檢測裝置，真空標準必須達到10Pa以下，分別使用傳統SF6氣體過濾裝置以及本文設計SF6氣體過濾裝置進行對比實驗，將兩種過濾裝置過濾后的SF6氣體裝入真空的50L鋼瓶，設置傳統的過濾裝置為實驗對照組。實驗主要內容為測試兩種過濾裝置的過濾效率，從而評定過濾效率更高的過濾裝置。

2.2 實驗結果分析與結論

根據上述設計的實驗步驟，采集實驗數據，將兩種過濾裝置下的過濾效率進行對比。為更加直觀地表現出兩種過濾裝置在過濾效率方面的差異，將兩種過濾裝置下得出的過濾效率以統計圖的形式進行對比，對比結果如圖2所示。

通過圖2可得出如下的結論：本文設計的過濾裝置過濾效率明顯高于實驗對照組，過濾效率相比對照組高出近一半左右。通過實驗結果證明，所設計的過濾裝置其各項功能均可以滿足設計總體要求，可以廣泛應用于SF6氣體過濾方面。

3? 結語

通過基于傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置研究，要求SF6氣體過濾必須充分發揮傅里葉變換優勢，提升高效過濾器精度。通過實驗證明，本文設計過濾裝置在過濾效率中的具體優勢已經顯現出來。過濾效率的高低是決定SF6氣體過濾裝置性能的主要衡量標準，而針對SF6氣體過濾裝置進行基于傅里葉變換的優化設計可以大幅度提高過濾效率。引進傅里葉變換的SF6氣體過濾裝置不但能夠完成傳統SF6氣體過濾裝置所不能完成的任務，還能以傅里葉變換為核心技術，為SF6氣體過濾裝置領域的研究提供學術意義。

參考文獻

[1] 龐培川，孫澤明，侯志強，等.直流電壓作用下極不均勻電場中SF_6/N_2混合氣體局部放電起始特性研究[J].西安交通大學學報，2019，53（4）：44-050.

[2] 龐培川，孫澤明，韓旭濤，等.負極性直流電壓作用下SF_6氣體中極不均勻電場局部放電特性研究[J]. 高電壓技術，2019，45（4）：1093-1100.

[3] 楊培遠，葛國偉，吳啟亮，等. 基于真空與SF_6氣體串聯間隙的新型高壓直流斷路器介質恢復特性[J].高電壓技術，2019，45（8）：2393-2402.

[4] 趙建勇，王靖瑞，李慶民，等.全封閉組合電器室SF6氣體泄漏分布規律與氣體檢測布置策略[J]. 科學技術與工程，2019，19（9）：99-107.

[5] 葛國偉，楊培遠，吳啟亮，等.基于真空斷路器與SF6斷路器串聯的新型混合式高壓直流斷路器理論分析[J].電力自動化設備，2019，39（6）：68-74.

[6] 趙朋朋.電氣絕緣設備中SF6氣體分解物SO2/CS2在線監測技術研究[D].北京：華北電力大學，2019.

[7] 葛言.基于氣旋原理的MEMS熱膜式氣體流量傳感器除塵裝置[D].南京：南京理工大學，2019.

[8] 包秀芬， 蘭馬， 陸大雄. 基于傅里葉變換紅外光譜的SF6氣體分解物檢測方法探討[C]// 電力行業化學檢測技術及中心化驗室建設論壇. 2015.