电气设备中SF6+CF4混气比例检测技术的研究

袁小芳　马凤翔　赵跃　宋玉梅　王海飞

摘 要：介绍了电气设备中（SF6+CF4）混气比例检测技术，采用新型的微流量热导传感器，通过对气路流程的改进以及对标气的标定，研究了一种适合混合气体（SF6+CF4）混气比例的检测技术，且检测结果准确，误差<5%。

关键词：SF6+CF4 混气比例 微流量热导传感器 气路流程

中图分类号：TM854 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（a）-0034-03

近年来，不少设备制造厂商开始尝试使用混合绝缘气体替代纯SF6气体[1-7]。用混合气体代替纯SF6气体的前提是混合气体不液化，绝缘性能满足要求，应用于灭弧设备时具有良好的灭弧性能，满足电气设备的运行需要。目前已在我国寒冷地区及气体绝缘输电管线（GIL）应用。但是目前国内还没有专门针对混合气体检测技术研究的报导，应用于生产实践的也多是SF6气体的相关检测技术，还没有开展混合气体检测技术的相关研究，可见亟需开展混合气体检测技术的研究，包括混合气体混合均匀性和混气比檢测技术的研究，为电气设备故障与混合气体特征分解产物的关系提供技术支持。

1 混合气体混气比检测技术的研究

混合气体SF6+CF4中含有大量的CF4气体，可能给混合气体的特性分析及成分检测过程带来困难，SF6气体的部分检测项目已不适用于混合气体的检测，主要从混合气体混气比探讨混合气体的检测技术。

参考SF6纯度检测技术制定了混气比检测技术的研究方案，首先对混合气体混气比的检测开展相关研究。

1.1 基于传感器检测原理的检测技术

参考SF6纯度检测技术制定了混气比检测技术的研究方案：利用SF6传感器纯度仪开展混合气体混气比检测技术的研究，首先对实验室现有的SF6纯度仪进行了标定，再对混合气体的组分含量及混气比进行检测。

采用SMF06-5型动态配气仪、高纯CF4气体，以高纯SF6气体为底气，配制混合气体：40%SF6+60%CF4、50%SF6+50%CF4、60%SF6+40%CF4、80%SF6+20%CF4、90%SF6+10%CF4、100%SF6、100%CF4，分别通入SF6纯度仪，利用软件程序进行标定，根据不同的标定值测得的信号值分别为：15.1 V、15.1 V、15.2 V、15.6 V、15.2 V、16.2 V、16.8 V、15.9 V。从结果可以看出，不同混合比例的SF6和CF4的混合气体响应的电信号值比较接近，该传感器对SF6气体和CF4气体组分的选择性较差，不能满足CF4/SF6混合气体中组分含量及混气比检测的要求。

1.2 混合气体混气比检测技术研究

从前期的研究来看，SF6传感器原理的纯度仪不适用于混合气体各组分及混气比的检测，主要是因为传感器分辨率不够，选择性不好，因此应对传感器进行改进和完善，提高检测灵敏度，使其能分辨SF6、CF4等组分，满足检测要求。

1.2.1 检测原理依据

因此，测得混合气体的热导率数值即可利用式（3）计算得出SF6气体的含量，进而计算CF4的含量。

1.2.2 微流量热导传感器检测原理

微流量热导传感器如图1、2所示，主要利用气体扩散特性进行检测，不需要设计专用的热导检测池，当气体进入检测器的微型气腔2（体积大约为100 μL）后，通过扩散作用进入气室1（体积大约为0.2μL）中，进行气体体积分数检测。

1.2.3 气路流程

在SF6气体组分含量的检测技术和检测流程基础上，设计了混合气体中SF6和CF4组分含量及混气比检测的气路流程，如图3所示。

气体检测流程：混合绝缘气体通过快速接头从电气设备流经针型阀，调节针型阀保证微量的混合绝缘气体进入检测系统，气体经进气管进入微流量传感器后，经传感器检测电信号，通过检测界面读取检测结果。检测后的气体进入气体回收装置。

1.2.4 标定试验

为了保障混合气体组分含量检测结果的准确性和可靠性，对搭建的混合气体的检测模块进行标定，并用动态配气仪配制的不同浓度的混合气体进行了检测，检测结果见表1。

分析表1的检测结果，可以发现，设计的混合气体各组分含量检测的技术方案可对SF6和CF4组分进行定量检测，且检测误差均<0.5%，检测结果可靠准确，可用于现场检测。

2 混合气体混合均匀性研究

前期试验，研究了混合气体混气比的检测技术，考虑到SF6和CF4的分子比重不同，混合后是否存在分层现象，要对其混合的均匀性进行研究。

2.1 试验方案

搭建试验研究平台，如图4试验设备示意图，模拟现场设备中SF6气体和CF4气体现场充装情况，向装置中分别充入定量的SF6气体和CF4气体，至试验装置压力为0.4 MPa。

2.2 试验结果

按照试验方案向试验装置充装一定量的SF6和CF4气体后，定期用混合气体纯度仪进行检测，检测结果见表2。待气体稳定一定时间后，利用便携式气相色谱仪对试验装置的上部和下部两个检测口进行检测，确定混合气体中SF6、CF4气体组分含量，检测结束后间隔一定时间后再次检测，并记录试验结果。

从表2中可以看出，在常温下，SF6、CF4的混合气体稳定1天后，下部SF6含量稍偏高，可能是因为SF6气体的相对分子质量较大，在底部富集量相对较多；混合气体稳定1周后，试验装置上部和下部取样检测结果基本一致，稳定2周后的检测结果与1周后的检测结果一致。试验结果表明，在常温下，对试验装置的高度范围内不存在分层，SF6和CF4气体已混合均匀。

为了进一步研究温度对混合气体分层情况的影响，通过外部制冷或制热，对上述试验装置中稳定的混合气体，分别从上下部取样及检测，检测结果见表3。

从表3的检测结果可以看出，温度较高时，试验装置内混合气体的分层情况不明显，可能是因为温度较高时，加速了分子的扩散运动，使得上下层分布均匀；当试验温度为-20 ℃时，试验装置下部检测结果稍高，但变化值不明显，可能是由于低温下，微量SF6凝聚，向装置地下运动；试验结果表明，温度变化对混合气体分层影响不大，可忽略不计。

3 结语

通过开展对混合气体混气比例检测技术的研究，研究一套适用于混合气体混气比的检测技术，可保证混合气体组分含量的检测误差<5%，检测结果准确可靠，且便于现场快速检测分析。

据统计，我国新疆、内蒙、东北及青海等低温地区的SF6使用量近1 100 t，相应混合绝缘气体中CF4气体的用量也很大，如果再统计GIL中混合绝缘气体的应用，其应用量将更大。随着我国北方许多充混合气体电气设备运行年限的增长，对混合气体特性分析及成分检测、回收处理和循环利用技术的需要更加迫切。这将是我们今后工作的重点，若实现混合气体的回收处理循环再利用将从节省气体购置费用方面产生巨大的经济、社会、环保效益。

参考文献

[1] 宋邦申.N2/SF6混合气体在金属封闭输电线路GIL中的应用[J].电工电气，2012（7）：62-64.

[2] 周黎明，邱毓昌.用作绝缘介质的SF6混合气体[J].高压电器技术，1995（1）：48-52.

[3] 闫向鹏，戚玮，何宝林.SF6/N2混合气体电气性能研究及应用综述[J].科技视界，2015（28）：243-244.