SF6/CF4氣體絕緣設備氣體泄漏率準確測試方法分析

楊文良，王振中，王 琰，王 瓊，劉 卓

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區高電壓與絕緣技術企業重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

2013—2019年，內蒙古西部地區發生低氣壓報警和閉鎖的220 kV氣體絕緣斷路器共計120臺，其中77臺故障原因是氣體泄漏。氣體泄漏直接影響氣體絕緣設備的安全運行，因此檢測絕緣氣體泄漏量是電網運維管理的重要工作之一。

目前，針對充裝純SF6氣體的設備，氣體泄漏定量檢測方法主要為扣罩法和局部包扎法，需采用塑料薄膜把試品整體罩住或在連接部位局部包扎，24 h后用檢漏儀測試罩內SF6氣體的質量分數，再計算其累計漏氣量和泄漏率[1]。采用上述方法進行氣體泄漏率檢測，只能測量充裝純SF6氣體的設備，并且需要被測設備處于停電狀態，無法作為日常監測手段。而且，塑料薄膜安裝存在風險、使用難度大，檢測方法也比較粗略，無法排除由于氣溫變化、扣罩體積等因素產生的測試誤差[2-5]。因此，GB/T 2423.23—2013《環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Q：密封》規定：“積累法測量泄漏率正確度大約為±50%[6]。”對于運行在日間溫度變化較大地區的氣體絕緣設備，該方法無法對絕緣氣體的間歇性微量泄漏進行有效定量檢測。

對此，本文提出了一種適用于SF6/CF4氣體絕緣設備氣體泄漏率準確測試方法，可有效排除氣溫變化和氣室體積因素的干擾，提高氣體泄漏率檢測的準確度，可對氣體絕緣設備運行狀態進行故障預測和報警。

1 新型SF6/CF4氣體泄漏率測試方法

新型SF6/CF4氣體絕緣設備氣體泄漏率測試方法流程見圖1。檢測裝置由絕緣氣體數據檢測元件、中央處理單元、離線數據輸入單元、信息儲存單元和氣體泄漏缺陷預測/報警單元組成。

圖1 新型SF6/CF4氣體泄漏率測試方法流程

裝置的數據檢測元件安裝在被測氣體絕緣設備充氣閥接口處，用于測取設備內氣體的溫度和壓力數據，中央處理單元提取數據進行計算。將所測氣體溫度下的壓力值PT轉換成氣體密度ρ，通過密度差Δρ計算出氣體年泄漏率Fy。

1.1 計算混合氣體密度

為了排除設備氣室體積的影響，準確計算氣體溫度下混合氣體的密度，在中央處理單元中加入了PT-ρ數據轉化模塊。通過提取氣體溫度和壓力的實時數據，以及混合氣體比例離線數據，可計算出設備內絕緣氣體的密度，計算原理如下[7-10]。

（1）根據道爾頓分壓定律，已知SF6/CF4混合氣體的壓力P，P（SF6）∶P（CF4）=k1∶k2，則SF6氣體壓力P1=k1P，CF4氣體壓力P2=k2P。

（2）利用Beattie-Bridgman經驗公式計算SF6氣體密度，見公式（1）。

式中：P1為SF6氣體的絕對壓力，MPa；d為SF6氣體密度，kg/m3；T1為SF6氣體的熱力學溫度，K；A、B為經驗公式系數，A=73.882×10-5-5.132 105×10-7d，B=2.506 95×10-3-2.122 83×10-6d；R1為常數，R1=56.950 2×10-5。

（3）計算CF4氣體密度，見公式（2）、（3）。

式中：P2為CF4氣體的絕對壓力，MPa；T為CF4氣體溫度，K；R2為氣體摩爾常數，R2=8.315 J/（mol·K）；V為CF4氣體的摩爾體積，m3/mol；M為CF4氣體的摩爾質量，kg/mol，查物性參數手冊M＝8.8×10-2kg/mol；γ為CF4氣體密度，kg/m3；a（T）、b分別為實際的CF4氣體與理想氣體之間的修正因子，其計算見公式（4）、（5）。

式中：Tc為CF4氣體的臨界溫度，K，查物性參數手冊Tc=227.5 K；Pc為CF4氣體的臨界壓力，MPa，物性參數手冊Pc=3.691 MPa；Tr為CF4氣體當前溫度與臨界溫度的對比溫度，Tr=T/Tc；ω為CF4氣體的偏心因子，查物性參數手冊ω=0.179 1；α（T）和m為中間變量。

（4）計算SF6/CF4混合氣體密度，見公式（6）。

式中：ρ為SF6/CF4混合氣體密度，kg/m3。

1.2 計算氣體年泄漏率

根據前后兩次的氣體密度數據，計算被測設備中氣體的年泄漏率Fy，見公式（7）、（8）。

式中：Δρ為前后兩次計算的混合氣體密度變化值，kg/m3；ρ1為第一次計算出的氣體密度，kg/m3；ρ2為第二次計算出的氣體密度，kg/m3；Δt為兩次測量的時間間隔，h；t為時間，年。

1.3 氣體泄漏缺陷預測與報警

結合計算出的泄漏率結果，根據GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定：“SF6設備氣體每年泄漏率不大于0.5%、每個氣室的不大于1%”[11]，與被測設備的額定氣體密度對比，超標則發出預測和報警指令。

2 新型氣體泄漏率測試方法應用

構建氣體絕緣設備模型平臺，如圖2所示，包括深冷恒溫箱、混合氣體充氣系統和4 L儲氣試驗裝置。模擬試驗分為兩部分，在20℃時分別向儲氣試驗裝置充入0.4 MPa和0.9 MPa、比例為53%和47%的SF6/CF4混合氣體，測試-30℃和-40℃下試驗裝置的氣體泄漏情況。為有效排除氣體低溫液化造成的干擾，低溫試驗結束后，將溫度回升至20℃，確定裝置內氣體減少量。

安裝檢測裝置時，在檢測元件接口螺紋處應涂抹厭氧膠，充氣閥與元件之間應加裝墊片并涂抹耐油硅酮密封膠，可有效解決檢測裝置的低溫漏氣問題。氣體絕緣設備模型在低氣溫條件下氣體泄漏試驗結果見表1。

表1 氣體絕緣設備模型低溫條件下氣體泄漏試驗數據

根據表1可知：

（1）試驗過程中，氣體壓力值隨著溫度降低而降低，2組試驗的氣體最大壓力差達到0.286 MPa，若使用壓力差進行泄漏率檢測會出現測試誤差。

（2）由模擬試驗一中數據可看出，0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體在20℃和-30℃時氣體密度未變化，裝置沒有發生泄漏；在-40℃時，裝置內的氣體密度逐步微量下降，該溫度下裝置的氣體年泄漏率為293.76%，判斷是由于密封性能下降造成氣體泄漏；當回溫至20℃時，氣體密度的變化停止，裝置密封性能恢復。由此可知，氣體密度值的逐步降低是設備發生氣體泄漏的特征表現。因此說明，測量設備的氣體密度可準確反映設備的氣體泄漏情況。

圖2 氣體絕緣設備模型平臺

（3）由模擬試驗二中數據可看出，0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體在20℃時氣體密度未變化，裝置沒有發生泄漏；在-30℃時，裝置內的氣體密度逐漸微量下降，由于密封性能下降造成了氣體泄漏，氣體年泄漏率為127.01%；在-40℃時，裝置內的氣體密度值突然大幅降低，通過對比混合氣體內相應密度的純SF6氣體狀態參數曲線，判斷混合氣體發生了低溫液化，氣體年泄漏率為3 932.42%；當回溫至20℃時，氣體密度值升高后不再發生變化，證實了-40℃時混合氣體發生了液化現象。由于氣體發生泄漏后，其密度值是不可逆變的，所以當氣體密度值發生突變或回溫后的密度值升高，均表明氣體發生了液化。由此說明，測量設備的氣體密度可有效反映設備的氣體液化情況。

（4）對比2組試驗的氣體年泄漏率，模擬試驗一中注入了0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體，氣體總體年泄漏率為104.97%；模擬試驗二中注入了0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合氣體，氣體總體年泄漏率為607.58%，說明高壓低溫環境會導致氣體泄漏情況加重，且該設備模型的氣體泄漏率超標。

3 新型測試方法特點

相比于傳統的扣罩法和局部包扎法，以及一些高精度密度表，本文提出的SF6/CF4氣體絕緣設備氣體泄漏率準確測試方法有以下特點。

3.1 不影響被測帶電運行氣體絕緣設備的內部絕緣性能

本文提出的氣體泄漏率測試方法可作為日常監測手段。在線數據獲取元件的安裝位置位于帶電設備的地電位處，測試過程不會產生絕緣氣體外排現象，從而不會影響被測設備的正常運行。新型檢測方法適用于所帶負荷較大、氣體泄漏間歇且微量、短時間不危及設備運行安全的不停電運行氣體絕緣設備。

3.2 可消除溫度因素造成的氣體密度測試誤差

（1）裝置使用的高精度數字壓力計，相比常用的高精度指針式壓力表，其結構材料的物理特性不易受環境溫度變化影響而造成測量準確度下降。

（2）計算采用了氣體密度差算法，可有效排除溫度變化對氣體壓力的影響。

（3）由于被測設備內部氣體溫度普遍高于外部環境溫度，若溫度值選取錯誤將導致氣體密度計算存在誤差。本文方法在運算過程中代入被檢氣體的溫度值，從而對被測設備中氣體的泄漏率和泄漏頻率計算進行溫度修正。

3.3 可消除設備氣室體積不明確造成的氣體密度測試誤差

本文方法在計算程序中解決了氣室體積變量對氣體密度計算結果的影響問題。測試時，中央處理單元只需提取被測絕緣氣體的溫度和壓力實時數據，以及SF6/CF4混合氣體額定比例離線數據，即可計算出設備中混合氣體的密度值。

3.4 超前預測及報警

新方法可在絕緣氣體設備內的氣體密度未降至設備運行報警密度前，預測出設備將不滿足運行狀態的缺陷發生時間，為生產管理人員判斷設備漏氣原因、提早制訂檢修計劃以及對設備運行模式進行動態調整提供依據。

3.5 利用率高、使用范圍廣

相對于高精度密度繼電器或傳統的定量檢漏方法的材料，新方法采用的測量裝置拆卸方便，利用效率高。且新方法不僅適用于測試SF6/CF4氣體絕緣設備的氣體泄漏率，也能對純SF6氣體絕緣設備進行測試。

4 結束語

本文提出了一種適用于SF6/CF4氣體絕緣設備氣體泄漏率準確測試方法，能夠有效排除氣溫和氣室體積因素的干擾，解決了在日間溫度變化較大地區對帶電運行SF6/CF4氣體絕緣設備、絕緣氣體間歇性微量泄漏的檢測問題。

生產管理人員能夠根據氣體變化數據和設備工作狀態，判斷設備是否漏氣，提早制訂檢修計劃以及對設備運行模式進行動態調整，從而保證設備的正常運行。