SF6/CF4气体绝缘设备气体泄漏率准确测试方法分析

2021-05-29杨文良王振中

内蒙古电力技术 2021年2期

杨文良，王振中，王琰，王琼，刘卓

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

2013—2019年，内蒙古西部地区发生低气压报警和闭锁的220 kV气体绝缘断路器共计120台，其中77台故障原因是气体泄漏。气体泄漏直接影响气体绝缘设备的安全运行，因此检测绝缘气体泄漏量是电网运维管理的重要工作之一。

目前，针对充装纯SF6气体的设备，气体泄漏定量检测方法主要为扣罩法和局部包扎法，需采用塑料薄膜把试品整体罩住或在连接部位局部包扎，24 h后用检漏仪测试罩内SF6气体的质量分数，再计算其累计漏气量和泄漏率[1]。采用上述方法进行气体泄漏率检测，只能测量充装纯SF6气体的设备，并且需要被测设备处于停电状态，无法作为日常监测手段。而且，塑料薄膜安装存在风险、使用难度大，检测方法也比较粗略，无法排除由于气温变化、扣罩体积等因素产生的测试误差[2-5]。因此，GB/T 2423.23—2013《环境试验第2部分：试验方法试验Q：密封》规定：“积累法测量泄漏率正确度大约为±50%[6]。”对于运行在日间温度变化较大地区的气体绝缘设备，该方法无法对绝缘气体的间歇性微量泄漏进行有效定量检测。

对此，本文提出了一种适用于SF6/CF4气体绝缘设备气体泄漏率准确测试方法，可有效排除气温变化和气室体积因素的干扰，提高气体泄漏率检测的准确度，可对气体绝缘设备运行状态进行故障预测和报警。

1 新型SF6/CF4气体泄漏率测试方法

新型SF6/CF4气体绝缘设备气体泄漏率测试方法流程见图1。检测装置由绝缘气体数据检测元件、中央处理单元、离线数据输入单元、信息储存单元和气体泄漏缺陷预测/报警单元组成。

图1 新型SF6/CF4气体泄漏率测试方法流程

装置的数据检测元件安装在被测气体绝缘设备充气阀接口处，用于测取设备内气体的温度和压力数据，中央处理单元提取数据进行计算。将所测气体温度下的压力值PT转换成气体密度ρ，通过密度差Δρ计算出气体年泄漏率Fy。

1.1 计算混合气体密度

为了排除设备气室体积的影响，准确计算气体温度下混合气体的密度，在中央处理单元中加入了PT-ρ数据转化模块。通过提取气体温度和压力的实时数据，以及混合气体比例离线数据，可计算出设备内绝缘气体的密度，计算原理如下[7-10]。

（1）根据道尔顿分压定律，已知SF6/CF4混合气体的压力P，P（SF6）∶P（CF4）=k1∶k2，则SF6气体压力P1=k1P，CF4气体压力P2=k2P。

（2）利用Beattie-Bridgman经验公式计算SF6气体密度，见公式（1）。

式中：P1为SF6气体的绝对压力，MPa；d为SF6气体密度，kg/m3；T1为SF6气体的热力学温度，K；A、B为经验公式系数，A=73.882×10-5-5.132 105×10-7d，B=2.506 95×10-3-2.122 83×10-6d；R1为常数，R1=56.950 2×10-5。

（3）计算CF4气体密度，见公式（2）、（3）。

式中：P2为CF4气体的绝对压力，MPa；T为CF4气体温度，K；R2为气体摩尔常数，R2=8.315 J/（mol·K）；V为CF4气体的摩尔体积，m3/mol；M为CF4气体的摩尔质量，kg/mol，查物性参数手册M＝8.8×10-2kg/mol；γ为CF4气体密度，kg/m3；a（T）、b分别为实际的CF4气体与理想气体之间的修正因子，其计算见公式（4）、（5）。

式中：Tc为CF4气体的临界温度，K，查物性参数手册Tc=227.5 K；Pc为CF4气体的临界压力，MPa，物性参数手册Pc=3.691 MPa；Tr为CF4气体当前温度与临界温度的对比温度，Tr=T/Tc；ω为CF4气体的偏心因子，查物性参数手册ω=0.179 1；α（T）和m为中间变量。

（4）计算SF6/CF4混合气体密度，见公式（6）。

式中：ρ为SF6/CF4混合气体密度，kg/m3。

1.2 计算气体年泄漏率

根据前后两次的气体密度数据，计算被测设备中气体的年泄漏率Fy，见公式（7）、（8）。

式中：Δρ为前后两次计算的混合气体密度变化值，kg/m3；ρ1为第一次计算出的气体密度，kg/m3；ρ2为第二次计算出的气体密度，kg/m3；Δt为两次测量的时间间隔，h；t为时间，年。

1.3 气体泄漏缺陷预测与报警

结合计算出的泄漏率结果，根据GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》规定：“SF6设备气体每年泄漏率不大于0.5%、每个气室的不大于1%”[11]，与被测设备的额定气体密度对比，超标则发出预测和报警指令。

2 新型气体泄漏率测试方法应用

构建气体绝缘设备模型平台，如图2所示，包括深冷恒温箱、混合气体充气系统和4 L储气试验装置。模拟试验分为两部分，在20℃时分别向储气试验装置充入0.4 MPa和0.9 MPa、比例为53%和47%的SF6/CF4混合气体，测试-30℃和-40℃下试验装置的气体泄漏情况。为有效排除气体低温液化造成的干扰，低温试验结束后，将温度回升至20℃，确定装置内气体减少量。

安装检测装置时，在检测元件接口螺纹处应涂抹厌氧胶，充气阀与元件之间应加装垫片并涂抹耐油硅酮密封胶，可有效解决检测装置的低温漏气问题。气体绝缘设备模型在低气温条件下气体泄漏试验结果见表1。

表1 气体绝缘设备模型低温条件下气体泄漏试验数据

根据表1可知：

（1）试验过程中，气体压力值随着温度降低而降低，2组试验的气体最大压力差达到0.286 MPa，若使用压力差进行泄漏率检测会出现测试误差。

（2）由模拟试验一中数据可看出，0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体在20℃和-30℃时气体密度未变化，装置没有发生泄漏；在-40℃时，装置内的气体密度逐步微量下降，该温度下装置的气体年泄漏率为293.76%，判断是由于密封性能下降造成气体泄漏；当回温至20℃时，气体密度的变化停止，装置密封性能恢复。由此可知，气体密度值的逐步降低是设备发生气体泄漏的特征表现。因此说明，测量设备的气体密度可准确反映设备的气体泄漏情况。

图2 气体绝缘设备模型平台

（3）由模拟试验二中数据可看出，0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体在20℃时气体密度未变化，装置没有发生泄漏；在-30℃时，装置内的气体密度逐渐微量下降，由于密封性能下降造成了气体泄漏，气体年泄漏率为127.01%；在-40℃时，装置内的气体密度值突然大幅降低，通过对比混合气体内相应密度的纯SF6气体状态参数曲线，判断混合气体发生了低温液化，气体年泄漏率为3 932.42%；当回温至20℃时，气体密度值升高后不再发生变化，证实了-40℃时混合气体发生了液化现象。由于气体发生泄漏后，其密度值是不可逆变的，所以当气体密度值发生突变或回温后的密度值升高，均表明气体发生了液化。由此说明，测量设备的气体密度可有效反映设备的气体液化情况。

（4）对比2组试验的气体年泄漏率，模拟试验一中注入了0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体，气体总体年泄漏率为104.97%；模拟试验二中注入了0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体，气体总体年泄漏率为607.58%，说明高压低温环境会导致气体泄漏情况加重，且该设备模型的气体泄漏率超标。