CN109737305A - 一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置及其操作方法，包括：四通阀组的四个端口分别连通充气单元、待充气电力设备腔体、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元；充气单元包括：SF6配气支路、N2配气支路和反馈控制调节模块；SF6配气支路和N2配气支路的出气口分别与反馈控制调节模块的进气口相连通；SF6配气支路和N2配气支路均包括储气瓶、减压阀、气压表和气体流量控制阀；气体状态参数检测单元用于检测待充气电力设备腔体内的混合气体气压和混合比；气体均匀缓冲单元包括压缩机和缓冲罐。本发明为一种便携式充气装置，具备较高的混合比控制精度，且能够减小混合气体混合均匀所需时间。
Description
技术领域
本发明属于混合气体充气技术领域，特别涉及一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置及其操作方法。
背景技术
SF6是强电负性气体，其分子具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，因而其耐电强度很高，在较均匀的电场中约为空气耐电强度的2.5倍左右。SF6的沸点比较高，大多数工程应用情况下不必担心SF6气体的液化问题。纯净的SF6气体是一种无色、无嗅、无毒和不燃的惰性气体，温度在180℃以下时它与电气设备中材料的相容性和氮气相似。SF6的最大优点是它不含碳，因此不会分解出影响绝缘性能的碳粒子；且其大部分气态分解物的绝缘性能与SF6相当，分解不会使气体绝缘性能下降；故迄今为止，SF6气体是最理想的绝缘和灭弧介质。
然而，六氟化硫气体的温室效应是二氧化碳的2.2万倍，是《京都议定书》中被禁止排放的6种温室气体之一，因而在使用过程中需要严格加以控制。为适应新的国际环保要求，减少温室气体排放，国内外开始采用混合绝缘气体替代纯六氟化硫绝缘气体，减少六氟化硫气体的用量。
国内外关于SF6混合气体研究较多的是SF6/N2、SF6/CO2、SF6/空气以及SF6/CF4混合气体。SF6/N2混合气体作为绝缘介质的电力设备在实际工程得到了部分应用，世界上第一条SF6/N2混合气体绝缘传输线于本世纪初期在瑞士日内瓦国际机场投入运行，其绝缘气体中SF6含量仅为20％，减少了对环境的影响并大幅度降低了GIL的建设成本。法国电力公司与ABB公司合作开发长距离的SF6/N2混合气体GIL来替代该国420kV架空输电线路。西安交通大学曾与国内生产厂家合作先后开发了SF6混合气体绝缘变压器、电容器以及开关柜等电力设备，但SF6含量在混合气体中所占的比例至少为85％。目前，尚无针对SF6气体绝缘电力设备SF6/N2混气现场改造所需的便携式混合气体充气装置。现有混合气体充气装置采用质量流量法原理，以气体流量计控制气体质量流量比，利用工控机单元将气体质量之比计算为摩尔浓度之比，控制气体混合比例。在使用前，通常需要设定充气体积，充入气体进入缓冲腔内进行混合。然而，由于无法预先获知电流互感器腔体内部充入混合气体总量，故无法在缓冲腔内进行预混合，精准控制混合气体比例及压力准确度的难度大；另外，现有混合气体充气装置体积较大，难以满足现场改造所需的便携、快速和精确灌充要求。
综上，研发针对气体绝缘电力设备使用的便携式混合气体充气装置具备重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明为一种便携式充气装置，具备较高的混合比控制精度，且能够减小混合气体混合均匀所需时间。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，包括：充气单元、四通阀组、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元；四通阀组的四个端口分别连通充气单元、待充气电力设备腔体、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元；充气单元包括：SF6配气支路、N2配气支路和反馈控制调节模块；SF6配气支路和N2配气支路的出气口分别与反馈控制调节模块的进气口相连通，反馈控制调节模块的出气口作为充气单元的出气口；SF6配气支路和N2配气支路均包括储气瓶、减压阀、气压表和气体流量控制阀；气体状态参数检测单元用于检测待充气电力设备腔体内的混合气体气压和混合比；气体均匀缓冲单元包括压缩机和缓冲罐，用于将待充气电力设备腔体内的混合气体抽入缓冲罐，均匀混合后再次送入待充气电力设备腔体。
本发明的进一步改进在于，四通阀组包括四个端口；充气单元的出气口与四通阀组的第一端口相连通，气体状态参数检测单元的进气口与四通阀组的第二端口相连通，四通阀组的第三端口与待充气电力设备腔体的进气口相连通，气体均匀缓冲单元与四通阀组的第四端口相连通；四通阀组的每个端口处均设置有开关阀。
本发明的进一步改进在于，充气单元中SF6配气支路具体包括：SF6气瓶；SF6气瓶的出气口通过第一配气管路与反馈控制调节模块的进气口相连通，第一配气管路上沿气体流动方向依次设置有减压阀、气压表和气体流量控制阀；充气单元中N2配气支路具体包括：N2气瓶；N2气瓶的出气口通过第二配气管路与反馈控制调节模块的进气口相连通，第二配气管路上沿气体流动方向依次设置有减压阀、气压表和气体流量控制阀。
本发明的进一步改进在于，气体状态参数检测单元包括：
压力监控检测模块，用于实时检测待充气电力设备腔体内的混合气体气压；
混合比例监控检测模块，用于实时检测待充气电力设备腔体内的混合气体的混合比。
本发明的进一步改进在于，气体均匀缓冲单元包括：压缩机、第一主管路、第二主管路、缓冲罐、第一旁路气路和第二旁路气路；压缩机通过第一主管路与四通阀组相连通，通过第二主管路与缓冲罐相连通；第一主管路上设置有第一开关阀和第二开关阀，第二开关阀位于第一开关阀和压缩机之间；第二主管路上设置有第三开关阀；第一主管路通过第一旁路气路与第二主管路相连通，第一旁路气路上设置有第四开关阀；第一旁路气路的一端口连通第一开关阀和第二开关阀之间的第一主管路，另一端口连通压缩机和第三开关阀之间的第二主管路；第一主管路通过第二旁路气路与缓冲罐相连通，第二旁路气路上设置有第五开关阀，第二旁路气路的一端口连通缓冲罐，另一端口连通第二开关阀和压缩机之间的第一主管路。
本发明的进一步改进在于，还包括：抽真空单元；
抽真空单元包括泵组和抽真空管路；
泵组的抽气口与抽真空管路的一端相连通，抽真空管路的另一端经开关阀与四通阀端口和第一开关阀之间的管路相连通。
本发明的进一步改进在于，反馈控制调节模块包括压力变送器和流量控制模块；压力变送器的信号输出端与流量控制模块的信号接收端相连接，流量控制模块包括多档位电磁阀以及信号比较电路；其中，压力变送器用于检测气压，并将气压值转化为数字信号，传递给流量控制模块；数字信号经信号比较电路处理，当到达多档位电磁阀各档位设定信号阈值时，触发电磁阀档位调节，实现充气管路流量调节。
本发明的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置的操作方法，包括以下步骤：
打开SF6配气支路气体流量控制阀，使得SF6配气支路通过反馈控制调节模块与四通阀组连通，对电力设备腔体进行SF6充气；SF6配气支路的气压表实时监测腔体内气体压力；当SF6气压达到预设分压50％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当SF6气压达到预设分压的75％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为25％流量，当SF6气压达到预设分压的90％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为10％流量，直至SF6充气完成；
关闭SF6配气支路的气体流量控制阀，打开N2配气支路的气体流量控制阀，使得N2配气支路通过反馈控制调节模块与四通阀组连通，对电力设备腔体进行N2充气；N2配气支路的气压表实时监测电力设备腔体内气体压力；当气压达到预设气压50％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当气压达到预设气压的75％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为25％流量，当气压达到预设气压的90％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为10％流量，直至N2充气完成；
在待充气的电力设备腔体内获得预设气压和混合比的六氟化硫与氮气混合气体。
其中，通过反馈控制调节模块控制气体流量的具体步骤包括：反馈控制调节模块包括压力变送器和流量控制模块；通过压力变送器检测气压，并将气压值转化为数字信号，然后传递给流量控制模块；流量控制模块包括多档位电磁阀和信号比较电路，接收的数字信号通过信号比较电路进行处理，当到达多档位电磁阀各档位设定信号阈值时，触发电磁阀档位调节，实现充气管路流量调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的充气装置，利用分压控制原理，通过各组分气体分压控制混合比例控制，利用压力传感器实时监测各组分气体压力值和电流互感器内部气体压力值，十分直观，并可根据最终压力进行反馈控制调节，能够精准控制混合气体比例及压力；本发明为便携式充气装置，采用压力检测的控制方法，控制混合气体混合比，无需预先设定充气总体积，可以更加方便的拓展其应用范围，且体积较小，便于现场使用。本发明利用充气电力设备腔体作为一级缓冲腔体，直接灌充获得混合气体；充气完毕后，利用二级缓冲腔进一步充分混合气体，能够大大减小混合气体混合均匀所需时间。
附图说明
图1为本发明实施例的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置的连接结构示意框图；
图2为本发明实施例的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置中四通阀组的连接结构示意图；
图3为本发明实施例的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置中充气单元的连接结构示意框图；
图4为本发明实施例的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置中气体均匀缓冲单元的连接示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置，主要包括：充气单元、四通阀组、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元。
请参阅图1和图2，四通阀组主要用于连通充气单元、待充气电力设备腔体、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元。充气单元的出气端与四通阀组的第一端口相连通，混合气体监控检测单元的进气端与四通阀组的第二端口相连通，四通阀组的第三端口与待充气电力设备腔体的进气端相连通，气体均匀缓冲单元与四通阀组的第四端口相连通。四通阀组的每个端口处均设置有开关阀。其中，四通阀结构类似于世伟洛克swagelok(SS-6M0-4)结构。本发明中，出于体积和气压强度的考虑，为了便于管路弯折连接，适应充气装置内部其他部件的安装布置，将四通阀端口位置进行了适应性调整。此外，考虑到装置强度和可靠性，将四通阀机械强度也进行加强。
请参阅图1和图3，充气单元主要包括：SF6配气支路、N2配气支路和反馈控制调节模块。SF6配气支路包括SF6气瓶、减压阀、气压表、气体流量控制阀，N2配气支路N2气瓶、减压阀、气压表和气体流量控制阀。两条支路的气体流量控制阀通过反馈控制调节模块与四通阀的第一端口连接。具体的，SF6气瓶通过第一管路与反馈控制调节模块连通，第一管路上依次设置有减压阀、气压表、气体流量控制阀；N2气瓶通过第二管路与反馈控制调节模块连通，第二管路上依次设置有减压阀、气压表、气体流量控制阀；反馈控制单元的端口作为充气单元的出口与后续的四通阀组相连通。
反馈调节模块主要包括压力变送器、温度传感器和信号处理单元(自行利用单片机开发)。压力变送器将气压信号转化为数字信号，温度传感器实时监测环境温度，对气压信号监测结果进行补偿。补偿计算在信号处理单元进行，最终结果反馈给流量控制单元，实现流量控制和充气速度的档位调节。例如，反馈控制调节模块中，利用压力变送器(元件类似北京昆仑，KZY-K0-H)检测气压，将气压值转化为数字信号，传递给流量控制模块。流量控制模块中包含多档位电磁阀，信号比较电路。压力变送器输出数字信号经信号比较电路处理，当到达多档位电磁阀各档位设定信号阈值时，触发电磁阀档位调节，实现充气管路流量调节。
请参阅图1，气体状态参数检测单元包括：电流互感器气体压力监控检测模块和混合比例监控检测模块。
气体状态参数检测单元主要包括气体压力监控检测模块，混合比监控检测模块。气压检测模块包含SF6/N2混合气体密度表，具备温度补偿、参数远传功能，可以实时监测设备腔体内混合气体气压并传输显示在装置界面上；压力监控检测模块中包含有压力变送器(北京昆仑，KZY-K0-H)，和温度传感器(北京昆仑，KZW-JPT-A)，利用温度传感器测量温度，对压力变送器测量得到压力结果进行实时温度补偿，作为最终实际检测结果。混合比检测装置可以实时检测腔体内混合比，可以选择上海凡伟的FV3320在线色谱监测仪。
请参阅图1和图4，气体均匀缓冲单元包括：压缩机，充气和抽气切换管路，高压缓冲罐构成。在电力设备腔体中充气完成后，为了缩短腔体内混合气体混合均匀静置时间，利用缓冲模块对混合气体加速混合。
四通阀的第四端口与缓冲模块气体主管路连接，在缓冲模块气体主管路上依次设置第一开关阀和第二开关阀。所述主管路与压缩机进气口相连接。压缩机出口与管路连接，经第三开关阀与缓冲腔体相连接。为了改变气体流向，在第一开关阀、第二开关阀之间与压缩机、第三开关阀之间设计第一旁路气路，在该气路上安装第四开关阀；在第二开关阀、压缩机入口之间与缓冲腔体上设计第二旁路气路，在该气路上安装第五开关阀。
高压缓冲罐主要用于对充入电力设备腔体内部混合气体进行二次混合，减小获得均匀混合气体所需时间。
气体均匀缓冲单元的工作过程为：首先，打开第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀，利用压缩机将设备腔体中气体压缩至缓冲腔中，当缓冲腔中压力达到预设压力值后，关闭第二开关阀和第三开关阀，静置一段时间后，打开第四开关阀和第五开关阀，再次利用压缩机将缓冲中气体回充至设备腔体中；反复操作改变中数次，加速设备腔体中气体混合均匀。
本发明的装置还集成有抽真空单元；抽真空单元包括双级旋片真空泵(陕西艾克森)和抽气管路。真空泵抽气口与抽气管路的一端口连接，抽气管路另一端口经开关阀与四通阀端口和第一开关阀之间的管路连接。压力变送器和温度传感器分别安装在抽气管路上。抽真空单元主要用于在充气装置灌充混合气体前，排空充气装置中的残余空气。具体操作为，在充气前，关闭SF6/N2充气支路减压阀，打开剩余所有开关阀门。打开真空泵，对管路和腔体抽真空。当真空度达到预设值后，关闭所有阀门，关闭真空泵。进行充气操作。
本发明的一种六氟化硫与氮气混合气体的便携式充气装置的操作方法，具体包括以下步骤：
利用本发明的充气装置进行充气时，首先将高纯SF6与高纯N2分别与配气管路相连。利用减压阀可以灵活调整配气过程中充气速率。由于SF6密度大于N2密度，为了获得更好的初始混合效果，首先充入SF6气体。打开SF6配气支路气体流量控制阀，使得SF6气路通过反馈控制模块与四通阀连通进行充气。SF6气体直接充入电力设备腔体中，气压表(西安华伟)实时监测腔体内气体压力。
当SF6气压达到预设分压50％时，反馈控制调节单元控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当SF6气压达到预设分压的75％时，反馈调节单元调节气体流量控制阀流量为25％流量，当分压达到预设值90％时，设置为10％流量。利用反馈控制调节模块和气体流量控制阀单元可实现到达准确分压。
SF6纯气完成后，关闭SF6支路流量控制阀门，打开N2支路流量控制阀门，使得N2充气管路与反馈调节模块，四通阀联通，开始充入N2。气压表实时监测电力设备腔体内气体压力。当气压达到预设气压50％时，反馈控制调节单元控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当气压达到预设气压的75％时，反馈调节单元调节气体流量控制阀流量为25％流量，当气压达到预设值90％时，设置为10％流量，直至充气结束。最终在气体绝缘电力设备腔体内获得预设气压和混合比的混合气体。
其中，气压与流量的调节为：压力信号通过反馈控制调节单元中压力变送器检测；预设分压是存储在流量调节模块中，信号比较电路中的一个阈值，用于比较的。当达到这个预设阈值时，调节流量控制阀档位，以实现流量调节。
当充气过程完成后，打开缓冲罐单元缓冲管路，设备内部混合气体将经由缓冲罐路，压缩机进入高压气瓶中。当设备腔体中气体全部转移至缓冲罐中后，关闭缓冲管路阀门。打开充气管路阀门，此时，缓冲罐内混合气体将经由充气管路，压缩机重新进入设备腔体内部。充气缓冲过程反复进行数次，保证气体混合均匀。
综上所述，针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种便携式充气装置，利用分压控制原理，通过各组分气体分压控制混合比例控制，利用压力传感器实时监测各组分气体压力值和电流互感器内部气体压力值，十分直观，并可根据最终压力进行反馈控制调节，能够精准控制混合气体比例及压力；本发明为便携式充气装置，采用压力检测的控制方法，控制混合气体混合比，无需预先设定充气总体积，可以更加方便的拓展其应用范围，且体积较小，便于现场使用。本发明利用充气电力设备腔体作为一级缓冲腔体，直接灌充获得混合气体；充气完毕后，利用二级缓冲腔进一步充分混合气体，能够大大减小混合气体混合均匀所需时间。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，包括：充气单元、四通阀组、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元；
四通阀组的四个端口分别连通充气单元、待充气电力设备腔体、气体状态参数检测单元和气体均匀缓冲单元；
充气单元包括：SF6配气支路、N2配气支路和反馈控制调节模块；SF6配气支路和N2配气支路的出气口分别与反馈控制调节模块的进气口相连通，反馈控制调节模块的出气口作为充气单元的出气口；SF6配气支路和N2配气支路均包括储气瓶、减压阀、气压表和气体流量控制阀；
气体状态参数检测单元用于检测待充气电力设备腔体内的混合气体气压和混合比；
气体均匀缓冲单元包括压缩机和缓冲罐，用于将待充气电力设备腔体内的混合气体抽入缓冲罐，均匀混合后再次送入待充气电力设备腔体。
2.根据权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，四通阀组包括四个端口；
充气单元的出气口与四通阀组的第一端口相连通，气体状态参数检测单元的进气口与四通阀组的第二端口相连通，四通阀组的第三端口与待充气电力设备腔体的进气口相连通，气体均匀缓冲单元与四通阀组的第四端口相连通；四通阀组的每个端口处均设置有开关阀。
3.根据权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，充气单元中SF6配气支路具体包括：SF6气瓶；SF6气瓶的出气口通过第一配气管路与反馈控制调节模块的进气口相连通，第一配气管路上沿气体流动方向依次设置有减压阀、气压表和气体流量控制阀；
充气单元中N2配气支路具体包括：N2气瓶；N2气瓶的出气口通过第二配气管路与反馈控制调节模块的进气口相连通，第二配气管路上沿气体流动方向依次设置有减压阀、气压表和气体流量控制阀。
4.根据权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，气体状态参数检测单元包括：
压力监控检测模块，用于实时检测待充气电力设备腔体内的混合气体气压；
混合比例监控检测模块，用于实时检测待充气电力设备腔体内的混合气体的混合比。
5.根据权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，气体均匀缓冲单元包括：压缩机、第一主管路、第二主管路、缓冲罐、第一旁路气路和第二旁路气路；
压缩机通过第一主管路与四通阀组相连通，通过第二主管路与缓冲罐相连通；第一主管路上设置有第一开关阀和第二开关阀，第二开关阀位于第一开关阀和压缩机之间；第二主管路上设置有第三开关阀；第一主管路通过第一旁路气路与第二主管路相连通，第一旁路气路上设置有第四开关阀；第一旁路气路的一端口连通第一开关阀和第二开关阀之间的第一主管路，另一端口连通压缩机和第三开关阀之间的第二主管路；第一主管路通过第二旁路气路与缓冲罐相连通，第二旁路气路上设置有第五开关阀，第二旁路气路的一端口连通缓冲罐，另一端口连通第二开关阀和压缩机之间的第一主管路。
6.根据权利要求5所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，还包括：抽真空单元；
抽真空单元包括泵组和抽真空管路；
泵组的抽气口与抽真空管路的一端相连通，抽真空管路的另一端经开关阀与四通阀端口和第一开关阀之间的管路相连通。
7.根据权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置，其特征在于，
反馈控制调节模块包括压力变送器和流量控制模块；压力变送器的信号输出端与流量控制模块的信号接收端相连接，流量控制模块包括多档位电磁阀以及信号比较电路；其中，压力变送器用于检测气压，并将气压值转化为数字信号，传递给流量控制模块；数字信号经信号比较电路处理，当到达多档位电磁阀各档位设定信号阈值时，触发电磁阀档位调节，实现充气管路流量调节。
8.权利要求1所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
打开SF6配气支路气体流量控制阀，使得SF6配气支路通过反馈控制调节模块与四通阀组连通，对电力设备腔体进行SF6充气；SF6配气支路的气压表实时监测腔体内气体压力；当SF6气压达到预设分压50％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当SF6气压达到预设分压的75％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为25％流量，当SF6气压达到预设分压的90％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为10％流量，直至SF6充气完成；
关闭SF6配气支路的气体流量控制阀，打开N2配气支路的气体流量控制阀，使得N2配气支路通过反馈控制调节模块与四通阀组连通，对电力设备腔体进行N2充气；N2配气支路的气压表实时监测电力设备腔体内气体压力；当气压达到预设气压50％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为50％流量，当气压达到预设气压的75％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为25％流量，当气压达到预设气压的90％时，通过反馈控制调节模块控制气体流量控制阀流通流量为10％流量，直至N2充气完成；
在待充气的电力设备腔体内获得预设气压和混合比的六氟化硫与氮气混合气体。
9.根据权利要求8所述的一种六氟化硫与氮气混合气体的充气装置的操作方法，其特征在于，通过反馈控制调节模块控制气体流量的具体步骤包括：反馈控制调节模块包括压力变送器和流量控制模块；通过压力变送器检测气压，并将气压值转化为数字信号，然后传递给流量控制模块；流量控制模块包括多档位电磁阀和信号比较电路，接收的数字信号通过信号比较电路进行处理，当到达多档位电磁阀各档位设定信号阈值时，触发电磁阀档位调节，实现充气管路流量调节。
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