六氟化硫气体低温液化特性试验研究

李国兴,姜子秋,关艳玲,付丽君

(国网黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

六氟化硫气体低温液化特性试验研究

李国兴,姜子秋,关艳玲,付丽君

(国网黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

为了了解 SF6气体的低温液化特性,保证寒冷地区SF6电气设备冬季运行安全,笔者利用 SF6气体低温试验装置,在实验室和户外分别对SF6气体的低温液化特性进行了试验,并参考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数曲线和经验公式,绘制了SF6气体状态参数曲线,得到了简明实用的SF6气体状态参数公式。试验结果表明,在低温条件下,SF6气体很容易液化,而且气体压力越高,其液化温度也越高,SF6电气设备在低温环境中运行的SF6气体液化温度不应高于该区域环境最低温度,否则必须采取防止SF6气体液化的措施。

六氟化硫;低温液化;特性;试验

SF6气体具有优良的热稳定性、热传导性、较强的负电性、优异的绝缘性能、灭弧性能,广泛被应用于高压电气设备中。由于SF6气体的绝缘强度随气体压力的升高而增大,其临界温度较高(45.6 ℃),通常条件下很容易液化,而且液态和固态的SF6气体几乎没有灭弧能力,因此其不适于在低温、高气体压力下使用[1]。在黑龙江省的大部分地区,尤其高纬度地区(纬度在北纬47°以上),冬季最低气温可达到-50 ℃,根据SF6气体的液化温度,当环境气温不低于-30 ℃,SF6气体额定压力为0.4 MPa时,断路器可以正常工作;当环境气温很低时,SF6气体将产生液化,使设备中气体压力降低,有时会出现报警、闭锁的情况,严重影响了SF6气体的绝缘和灭弧性能。在东北、内蒙和新疆等地区的变电站,SF6气体额定压力为0.6 MPa 的设备在冬季都出现过气体压力降低甚至液化现象[2-3],低温环境极大地威胁了SF6断路器的安全运行。因此,本文针对高寒地区SF6断路器冬季运行安全问题,在实验室和户外分别进行了SF6气体低温液化特性试验,并据此得到的特性可以对高压电气设备中SF6气体压力进行监测和控制,以免SF6气体在低温条件下液化而影响电气设备的绝缘和灭弧性能。

1 实验室SF6 气体的低温液化特性试验

1.1 试验装置

实验室低温液化试验装置如图1所示,装置主要由气体储罐、温度传感器、压力传感器、低温试验箱及其控制系统组成。

图1 低温液化装置示意图

试验装置技术参数为

低温试验箱:-60 ℃～室温,控温精度±0.1 ℃。

精密压力传感器: 0～1.00 MPa,测量精度0.5%FS。

温度传感器:-200～20 ℃,精度±0.1 ℃。

气体储罐:8.22 L,铝合金材质。

电子台秤:精度±0.2 g。

1.2 低温液化试验方法

将容积V为8.22 L的罐体置于感量为0.2 g的

电子秤上,向内充入一定压力P的SF6气体,用差减法称得充入罐体内的SF6气体质量m,然后将其放入低温试验箱中。启动试验箱制冷系统,控制降温速度为0.1 ℃/min,监测和记录罐体内SF6气体的温度和压力[4]。在试验过程中,密闭不发生气体泄漏的试验系统中的SF6气体密度保持恒定不变;当温度降低,出现SF6气体液化时,一部分气体变成液态,保持气态的SF6气体质量降低,因此罐体内的SF6气体密度降低,即气体压力与温度的比值r发生变化(拐点)时的温度为该条件下SF6气体的液化温度。

根据罐体容积V和充气质量m,计算出罐体内的SF6气体密度ρ。在20 ℃时,通常运行的电气设备中的额定SF6气体绝对压力为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,通过称量,计算相应的气体密度值为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,因此选定以上气体密度条件进行试验,试验结果如表1、表2所示。

表1 SF6 气体低温液化试验结果

表2 SF6 气体低温液化试验结果

从表1、表2可以看出,当温度降低时,SF6气体会出现液化,而且气体压力和密度都有较明显的变化。通过低温液化试验测得的不同压力的SF6气体的液化温度结果如表3所示。

表3 SF6 气体的液化温度测试结果

1.3 六氟化硫气体液化曲线及气体状态参数公式

Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数曲线如图2所示。

图2 Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数曲线

Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数经验公式为

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为六氟化硫气体的压力,MPa;ρ为六氟化硫气体的密度,kg/m3;T为 六氟化硫气体的温度,K。

根据表1、表2、表3试验结果,参考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数经验公式(1)和曲线(图2),绘制SF6气体状态参数曲线,如图3所示。

图3 低温液化试验绘制的六氟化硫状态参数曲线

通过对试验数据进行统计分析处理,可得简明实用的SF6气体状态参数经验公式为

P=(5.8ρT-3.56ρ2)×10-5

(2)

式中:P为六氟化硫气体的压力,MPa;ρ为六氟化硫气体的密度,kg/m3;T为 六氟化硫气体的温度,K。

在实际应用中,通过电气设备的额定充气压力(环境温度20 ℃)计算出气体密度,然后可计算出任意非液化温度下的气体压力。目前设备厂家规定的设备额定充气压力(环境温度20 ℃)如表4所示。

2 大气环境条件下SF6 气体的低温液化特性试验

为了分析低温大气环境条件下六氟化硫电气设备中SF6气体的的液化性能,利用罐式试验装置,在低温试验站进行了SF6气体在大气环境条件下的低温液化试验。

表4 电气设备SF6气体额定充气压力

2.1 试验装置

大气环境条件下低温试验装置如图4所示,装置主要由移动式气体罐、温度传感器、压力传感器和密度检测器[5-6]组成。

图4 大气环境条件下低温试验装置示意图

试验装置技术参数为

精密压力传感器: 0～1.00 MPa,测量精度±0.3%FS。

气体密度压力传感器: 0～80 kg/m3,测量精度±0.3%FS。

温度传感器:-200～420 ℃,精度±0.1 ℃。

气体储罐:50.05 L,铝合金材质。

2.2 低温试验

在户内(气温为15～23 ℃)向容积V为50.05 L的试验装置中充入一定压力P的SF6气体,记录SF6气体的初始压力和密度,然后将装置移到户外,监测和记录装置中SF6气体的温度、压力和密度。对于密闭不发生气体泄漏的试验系统,在试验过程中将SF6气体密度保持恒定不变,当温度降低出现SF6气体液化时,一部分气体变成液态,保持气态的SF6气体质量降低,因此装置中的SF6气体密度降低,此时的温度,即为该条件下SF6气体的液化温度。

根据户外环境的最低温度范围(-35～42 ℃),选择额定SF6气体绝对压力0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa、0.70 MPa进行试验,试验结果如表5所示。

表5 SF6气体在大气环境条件下的低温液化试验结果

从表5可以看出,在户外的低温环境中,SF6气体会出现液化,此时气体压力和密度明显降低,而且SF6气体压力越高,其液化温度也越高。由于户外环境温度很低,不可控制,试验装置移到户外后温度下降很快,SF6气体温度很快达到液化温度,因此测得的气体刚刚开始液化时的准确温度与实验室条件下测得的液化温度有0.3～0.6 ℃的偏差。

3 结 论

1) SF6气体低温液化特性试验结果表明,低温条件下SF6气体很容易液化,而且气体压力越高,其液化温度也越高,因此在六氟化硫电气设备运行维护工作中,尤其是在高纬度和高寒地区,应重视环境温度使设备中SF6气体液化的问题,及时采取措施,防止气体液化,保证设备在低温环境下安全运行。

2) 通过试验,参考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫状态参数曲线和经验公式,绘制了SF6气体状态参数曲线,得到简明实用的SF6气体状态参数公式,更适于实际工作中应用。

3) 对于低温环境中运行的SF6电气设备,其最低使用环境温度不应高于该区域环境最低温度,否则必须采取防止SF6气体液化的措施。通常把SF6电气设备的报警气体压力或最低功能气体压力(设备闭锁气体压力)的液化温度作为其最低使用环境温度。

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(责任编辑 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。

李国兴(1972—),男,硕士,高级工程师,主要从事绝缘润滑介质的监督检测工作。

TQ 026

A

2095-6843(2015)05-0399-05