六氟化硫氣體低溫液化特性試驗研究

李國興,姜子秋,關艷玲,付麗君

(國網黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

六氟化硫氣體低溫液化特性試驗研究

李國興,姜子秋,關艷玲,付麗君

(國網黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

為了了解 SF6氣體的低溫液化特性,保證寒冷地區SF6電氣設備冬季運行安全,筆者利用 SF6氣體低溫試驗裝置,在實驗室和戶外分別對SF6氣體的低溫液化特性進行了試驗,并參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數曲線和經驗公式,繪制了SF6氣體狀態參數曲線,得到了簡明實用的SF6氣體狀態參數公式。試驗結果表明,在低溫條件下,SF6氣體很容易液化,而且氣體壓力越高,其液化溫度也越高,SF6電氣設備在低溫環境中運行的SF6氣體液化溫度不應高于該區域環境最低溫度,否則必須采取防止SF6氣體液化的措施。

六氟化硫;低溫液化;特性;試驗

SF6氣體具有優良的熱穩定性、熱傳導性、較強的負電性、優異的絕緣性能、滅弧性能,廣泛被應用于高壓電氣設備中。由于SF6氣體的絕緣強度隨氣體壓力的升高而增大,其臨界溫度較高(45.6 ℃),通常條件下很容易液化,而且液態和固態的SF6氣體幾乎沒有滅弧能力,因此其不適于在低溫、高氣體壓力下使用[1]。在黑龍江省的大部分地區,尤其高緯度地區(緯度在北緯47°以上),冬季最低氣溫可達到-50 ℃,根據SF6氣體的液化溫度,當環境氣溫不低于-30 ℃,SF6氣體額定壓力為0.4 MPa時,斷路器可以正常工作;當環境氣溫很低時,SF6氣體將產生液化,使設備中氣體壓力降低,有時會出現報警、閉鎖的情況,嚴重影響了SF6氣體的絕緣和滅弧性能。在東北、內蒙和新疆等地區的變電站,SF6氣體額定壓力為0.6 MPa 的設備在冬季都出現過氣體壓力降低甚至液化現象[2-3],低溫環境極大地威脅了SF6斷路器的安全運行。因此,本文針對高寒地區SF6斷路器冬季運行安全問題,在實驗室和戶外分別進行了SF6氣體低溫液化特性試驗,并據此得到的特性可以對高壓電氣設備中SF6氣體壓力進行監測和控制,以免SF6氣體在低溫條件下液化而影響電氣設備的絕緣和滅弧性能。

1 實驗室SF6 氣體的低溫液化特性試驗

1.1 試驗裝置

實驗室低溫液化試驗裝置如圖1所示,裝置主要由氣體儲罐、溫度傳感器、壓力傳感器、低溫試驗箱及其控制系統組成。

圖1 低溫液化裝置示意圖

試驗裝置技術參數為

低溫試驗箱:-60 ℃～室溫,控溫精度±0.1 ℃。

精密壓力傳感器: 0～1.00 MPa,測量精度0.5%FS。

溫度傳感器:-200～20 ℃,精度±0.1 ℃。

氣體儲罐:8.22 L,鋁合金材質。

電子臺秤:精度±0.2 g。

1.2 低溫液化試驗方法

將容積V為8.22 L的罐體置于感量為0.2 g的

電子秤上,向內充入一定壓力P的SF6氣體,用差減法稱得充入罐體內的SF6氣體質量m,然后將其放入低溫試驗箱中。啟動試驗箱制冷系統,控制降溫速度為0.1 ℃/min,監測和記錄罐體內SF6氣體的溫度和壓力[4]。在試驗過程中,密閉不發生氣體泄漏的試驗系統中的SF6氣體密度保持恒定不變;當溫度降低,出現SF6氣體液化時,一部分氣體變成液態,保持氣態的SF6氣體質量降低,因此罐體內的SF6氣體密度降低,即氣體壓力與溫度的比值r發生變化(拐點)時的溫度為該條件下SF6氣體的液化溫度。

根據罐體容積V和充氣質量m,計算出罐體內的SF6氣體密度ρ。在20 ℃時,通常運行的電氣設備中的額定SF6氣體絕對壓力為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,通過稱量,計算相應的氣體密度值為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,因此選定以上氣體密度條件進行試驗,試驗結果如表1、表2所示。

表1 SF6 氣體低溫液化試驗結果

表2 SF6 氣體低溫液化試驗結果

從表1、表2可以看出,當溫度降低時,SF6氣體會出現液化,而且氣體壓力和密度都有較明顯的變化。通過低溫液化試驗測得的不同壓力的SF6氣體的液化溫度結果如表3所示。

表3 SF6 氣體的液化溫度測試結果

1.3 六氟化硫氣體液化曲線及氣體狀態參數公式

Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數曲線如圖2所示。

圖2 Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數曲線

Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數經驗公式為

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為六氟化硫氣體的壓力,MPa;ρ為六氟化硫氣體的密度,kg/m3;T為 六氟化硫氣體的溫度,K。

根據表1、表2、表3試驗結果,參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數經驗公式(1)和曲線(圖2),繪制SF6氣體狀態參數曲線,如圖3所示。

圖3 低溫液化試驗繪制的六氟化硫狀態參數曲線

通過對試驗數據進行統計分析處理,可得簡明實用的SF6氣體狀態參數經驗公式為

P=(5.8ρT-3.56ρ2)×10-5

(2)

式中:P為六氟化硫氣體的壓力,MPa;ρ為六氟化硫氣體的密度,kg/m3;T為 六氟化硫氣體的溫度,K。

在實際應用中,通過電氣設備的額定充氣壓力(環境溫度20 ℃)計算出氣體密度,然后可計算出任意非液化溫度下的氣體壓力。目前設備廠家規定的設備額定充氣壓力(環境溫度20 ℃)如表4所示。

2 大氣環境條件下SF6 氣體的低溫液化特性試驗

為了分析低溫大氣環境條件下六氟化硫電氣設備中SF6氣體的的液化性能,利用罐式試驗裝置,在低溫試驗站進行了SF6氣體在大氣環境條件下的低溫液化試驗。

表4 電氣設備SF6氣體額定充氣壓力

2.1 試驗裝置

大氣環境條件下低溫試驗裝置如圖4所示,裝置主要由移動式氣體罐、溫度傳感器、壓力傳感器和密度檢測器[5-6]組成。

圖4 大氣環境條件下低溫試驗裝置示意圖

試驗裝置技術參數為

精密壓力傳感器: 0～1.00 MPa,測量精度±0.3%FS。

氣體密度壓力傳感器: 0～80 kg/m3,測量精度±0.3%FS。

溫度傳感器:-200～420 ℃,精度±0.1 ℃。

氣體儲罐:50.05 L,鋁合金材質。

2.2 低溫試驗

在戶內(氣溫為15～23 ℃)向容積V為50.05 L的試驗裝置中充入一定壓力P的SF6氣體,記錄SF6氣體的初始壓力和密度,然后將裝置移到戶外,監測和記錄裝置中SF6氣體的溫度、壓力和密度。對于密閉不發生氣體泄漏的試驗系統,在試驗過程中將SF6氣體密度保持恒定不變,當溫度降低出現SF6氣體液化時,一部分氣體變成液態,保持氣態的SF6氣體質量降低,因此裝置中的SF6氣體密度降低,此時的溫度,即為該條件下SF6氣體的液化溫度。

根據戶外環境的最低溫度范圍(-35～42 ℃),選擇額定SF6氣體絕對壓力0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa、0.70 MPa進行試驗,試驗結果如表5所示。

表5 SF6氣體在大氣環境條件下的低溫液化試驗結果

從表5可以看出,在戶外的低溫環境中,SF6氣體會出現液化,此時氣體壓力和密度明顯降低,而且SF6氣體壓力越高,其液化溫度也越高。由于戶外環境溫度很低,不可控制,試驗裝置移到戶外后溫度下降很快,SF6氣體溫度很快達到液化溫度,因此測得的氣體剛剛開始液化時的準確溫度與實驗室條件下測得的液化溫度有0.3～0.6 ℃的偏差。

3 結 論

1) SF6氣體低溫液化特性試驗結果表明,低溫條件下SF6氣體很容易液化,而且氣體壓力越高,其液化溫度也越高,因此在六氟化硫電氣設備運行維護工作中,尤其是在高緯度和高寒地區,應重視環境溫度使設備中SF6氣體液化的問題,及時采取措施,防止氣體液化,保證設備在低溫環境下安全運行。

2) 通過試驗,參考工程中常用的Beattie-Bridgman六氟化硫狀態參數曲線和經驗公式,繪制了SF6氣體狀態參數曲線,得到簡明實用的SF6氣體狀態參數公式,更適于實際工作中應用。

3) 對于低溫環境中運行的SF6電氣設備,其最低使用環境溫度不應高于該區域環境最低溫度,否則必須采取防止SF6氣體液化的措施。通常把SF6電氣設備的報警氣體壓力或最低功能氣體壓力(設備閉鎖氣體壓力)的液化溫度作為其最低使用環境溫度。

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(責任編輯 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。

李國興(1972—),男,碩士,高級工程師,主要從事絕緣潤滑介質的監督檢測工作。

TQ 026

A

2095-6843(2015)05-0399-05