CN110058086B - 气体电导率测量装置及方法 - Google Patents

气体电导率测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及气体电导率测量装置及方法，所述装置包括：反应器，该反应器包括密闭的气体腔室，用于实现所述气体腔室充气及抽气的进排气***，以及位于所述气体腔室内的三电极***，所述三电极***包括接地电极、高压电极和测量电极，所述高压电极和所述测量电极相对设置且相对距离可调，所述测量电极通过绝缘支撑部件固定于所述接地电极上；高压直流发生器，用于向所述高压电极提供持续稳定可调的直流电；和数据采集分析***，与所述测量电极连接，在高压直流发生器对三电极***施加直流高压后，对数据进行测量、采集和处理。利用本公的气体电导率测量装置够测量不同温度、湿度、极间距离、电极大小、电极表面粗糙度等条件下气体的电导特性。

Description

气体电导率测量装置及方法
技术领域
本公开属于电导率测量技术领域，特别涉及气体电导率测量装置及方法。
背景技术
直流气体绝缘组合电器(GIS)将高压设备密闭组合，并充以绝缘性能优异的绝缘气体作为绝缘介质，能够极大地减小设备尺寸、提高***可靠性，对于缓解城市变电站用地紧张、降低海上风电场建设成本具有无可比拟的优势。但是由于直流条件下GIS绝缘子表面会大量积聚电荷造成绝缘子周围电场畸变，从而导致其沿面耐受能力下降。直流条件下，GIS内部的电场分布与气体的电导率存在着密切的关系，测量气体的电导率有助于厘清直流条件下GIS内部的恒定电流场分布，从而为绝缘子表面电荷的积聚特性研究提供理论支撑。
发明内容
本公开提供一种气体电导率测量装置及方法，能够测量不同温度、湿度、极间距离、电极大小、电极表面粗糙度等条件下气体的电导特性。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种气体电导率测量装置，包括：
反应器，该反应器包括密闭的气体腔室，用于实现所述气体腔室充气及抽气的进排气***，以及位于所述气体腔室内的三电极***，所述三电极***包括接地电极、高压电极和测量电极，所述高压电极和所述测量电极相对设置且相对距离可调，所述测量电极通过绝缘支撑部件固定于所述接地电极上；
高压直流发生器，用于向所述高压电极提供持续稳定可调的直流电；和
数据采集分析***，与所述测量电极连接，采集分析所述测量电极的电流信息。
可选地，所述反应器上设有密封所述气体腔室的盆式绝缘子，该盆式绝缘子中心导体的一端通过高压套管与所述高压直流发生器连接，所述中心导体的另一端通过位于所述气体腔室内的高压导体与所述高压电极连接。
可选地，所述接地电极固定在伸缩部件上。
可选地，所述测量电极靠近所述接地电极的一侧设有发热部件。
可选地，所述气体腔室设有温湿度传感器，该温湿度传感器与所述数据采集分析***连接。
可选地，输出侧端依次串联高压硅堆和保护电阻，并和滤波电容并联。
可选地，所述高压直流发生器并联有电压测量部件。
可选地，所述进排气***包括真空泵和与所述气体腔室连通的气体管道，所述气体管道上设有气压测量部件，所述气体管道的进气口设有进气口阀门，所述真空泵通过真空泵阀门与所述气体管道连接。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种气体电导率测量方法，利用所述的气体电导率测量装置对气体的电导率进行测量，所述测量方法包括：
步骤1，排出所述气体腔室的杂质气体；
步骤2，向所述气体腔室内充入待测气体；
步骤3，通过所述直流电压发生器对所述三电极***施加所需要的实验电压；调节所述测量电极和所述高压电极之间的距离，绘制电流和电场强度之间的关系；保持所述三电极***极间距离不变，改变所述直流电压发生器输出的电压等级，测量不同电压等级下电流随时间的变化规律。
可选地，所述方法还包括：
对所述三电极***周围的气体以及测量电极进行加热，然后重复所述步骤3的过程；
和/或，
改变所述待测气体的含水量，然后重复所述步骤2～3的过程；
和/或，
改变所述高压电极、测量电极和接地电极的大小，然后重复所述步骤1～3的过程；
和/或，
改变所述高压电极、测量电极和接地电极的表面粗糙度，然后重复所述步骤1～3的过程。
本发明的有益效果是：解决了现有技术中对于气体电导特性研究缺乏的问题，为厘清直流条件下表面电荷积聚的影响因素提供理论支撑。本公开够测量不同温度、湿度、极间距离、电极大小、电极表面粗糙度等条件下气体的电导特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细的说明。
图1是本公开实施例示出的一种气体电导率测量装置的结构示意图。
图2是本公开实施例示出的一种反应器的结构示意图。
图3是本公开实施例示出的一种三电极***的结构示意图。
附图标记说明：
1-高压直流发生器 18-反应器底部的法兰
2-变压器 19-观察窗
3-高压硅堆 20-反应器左侧的法兰
4-保护电阻 21-气室腔体
5-滤波电容 22-反应器右侧的法兰
6-电阻分压器 23-压力表
7-高压套管 24-压力表阀门
8-筒体 25-进气口阀门
9-盆式绝缘子 26-进气口
10-高压导体 27-真空泵阀门
11-三电极*** 28-真空泵
12-温湿度传感器 29-出线法兰盘
13-伸缩部件 30-高压电极
14-反应器 31-接地电极
15-小车 32-绝缘支撑部件
16-keithley 6517B高电阻/低电流 33-发热部件
静电计 34-出线孔
17-计算机 35-测量电极
具体实施方式
图1示出了一种气体电导率测量装置，该测量装置包括高压直流发生器1、反应器14和数据采集分析***。高压直流发生器1位于反应器14外，用于输出施加于反应器14的持续稳定可调的直流电压。高压直流发生器1包括变压器2、高压硅堆3、保护电阻4、滤波电容5。变压器2的输入端可连接380V/50Hz市电，变压器2的二次侧输出侧端依次串联高压硅堆3和保护电阻4，并和滤波电容5并联。高压直流发生器1并联有测量其输出电压的电压测量部件，该电压测量部件可以是电阻分压器6。
参考图2，反应器14包括气体腔室21和用于实现气体腔室21充气及抽气的进排气***，进排气***包括真空泵28和与气体腔室21连通的气体管道。真空泵28通过真空泵阀门27连接到气体管道，可将气体腔室21抽至预定真空度。气体管道上设有压力表23和压力表阀门24组成的气压测量装置，气体管道的进气口26设有进气口阀门25。
气体腔室21内设有三电极***11、温湿度传感器12等，为了方便气体腔室21内零部件的安装，气体腔室21可设置开口。开口需使用密封件密封，以保证进行气体电导率测量时气体腔室21能够承受至少0.8MPa的大气压强。本公开并不对气体腔室21上开口的位置、数量以及对应密封件的选择进行限定，参考图2，气体腔室21可在左侧、右侧、底部和顶部设置开口。其中左侧开口可通过法兰20密封，法兰20上嵌有观察窗19，以便观测实验过程。右侧开口可通过法兰22密封，法兰22上可设置出线法兰盘29，出线法兰盘29用于三电极***11、温湿度传感器12等器件与外部数据采集分析***的连接，连接线采用704硅橡胶密封。气体腔室21底部的开口可通过法兰18密封。气体腔室21顶部的开口可通过盆式绝缘子9密封。
高压直流发生器1经高压套管7与盆式绝缘子9的中心导体连接，其中高压套管7可采用72.5kVSF6/空气套管。在一种可能的实施方式中，反应器14上紧密固定有筒体8，盆式绝缘子9位于筒体8内，高压套管7外部的绝缘部分与筒体8紧密连接，使筒体8内形成相对密闭的空间，高压套管7内的导体穿过筒体8后与盆式绝缘子9的中心导体连接，由此形成高压通路。为了进一步将高压通路延伸至气体腔室21的内部，位于气体腔室21内的高压导体10与盆式绝缘子9中心导体连接。
密闭封装于气体腔室21内的三电极***11包括三个平板电极：高压电极30、接地电极31和测量电极35。高压电极30与高压导体10相连，测量电极35和高压电极30相对设置且相对距离可调，测量电极35通过多个绝缘支撑部件32固定在接地电极31上，绝缘支撑部件32可采用环氧树脂，作用是隔离接地电极31和测量电极35，保证二者之间的绝缘强度。接地电极31固定在伸缩部件13(绝缘材质)上，伸缩部件13可固定在法兰18上，通过伸缩部件13的伸缩实现测量电极35和高压电极30相对距离的调节。测量电极35靠近接地电极31的一侧可设置发热部件33，对三电极***11周围的气体以及测量电极35进行加热，以研究不同温度下气体的电导特性，其中发热部件33可采用发热电阻。
在一种可能的实施方式中，高压电极30、接地电极31的直径均为120mm，测量电极35的直径为100mm，接地电极31和测量电极35在水平方向存在着宽度为0.2mm的缝隙。
此外，接地电极31上设有出线孔34，测量电极35的导线穿过出线孔34后经出线法兰盘29连接数据采集分析***。气体腔室21内的温湿度传感器12也经出线法兰盘29连接数据采集分析***。本公开并不对数据采集分析***的具体结构进行限定，可以是keithley6517B高电阻/低电流静电计16和计算机17，keithley 6517B高电阻/低电流静电计16读取电流数据和温湿度数据，计算机17对电流和温度数据进行处理、存储。
利用本公开的气体电导率测量装置测量气体的导电率时，可将反应器14放置在小车15上，保证搬运及移动过程中的便捷性，具体测量方法如下。
S1.用无水乙醇对高压电极30、测量电极31、接地电极32以及气体腔室21内壁进行擦拭，以除去残留杂质。
S2.关闭压力表阀门24和进气口阀门25，并打开真空泵阀门27，真空泵28通电运行，将气体腔室21抽至真空，当气体腔室21真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭真空泵28和真空泵阀门27，按设定的时长(可以是24小时)静止放置，观察气体腔室21密封性。
S3.首先，采用S2中所示的步骤再次将气体腔室21抽至真空，当气体腔室21真空度为0.005～0.01MPa时，依次关闭真空泵28和真空泵阀门27；然后，打开进气口阀门25，从进气口26充入气体，按设定的时长(可以是10分钟)静止放置，再采用同样的方法将气体腔室21抽至真空，多次重复这一充气及抽气过程，充分排出气体腔室21的杂质气体。
S4.打开进气口阀门25，并从进气口26充入待测气体，直至气体腔室21内压强达到实验条件所需要的气压。
S5.调节直流电压发生器1，对三电极***11施加所需要的实验电压，在达到设定的时间(可以是30min)后，即在电场达到恒定电流场后，再测量测量电极35的暗电流，通过keithley 6517B高电阻/低电流静电计16读取电流大小。
S6.通过伸缩部件13调节测量电极31和高压电极30之间的距离，根据实验需求重复步骤S5，测取多组数据，绘制电流和电场强度之间的关系。
S7.保持极间距离不变，改变电压等级，重复步骤S5，测量不同电压等级下电流随时间的变化规律，从而分析电导特性。
S8.通过发热部件33对三电极***11周围的气体以及测量电极31按设定的时长(可以是30min)进行加热，保证气体腔室21温度分布均匀，重复步骤S1～S7实现不同温度下气体电导率的测量。
S9.通过改变充入气体中的含水量，改变待测气体的湿度，重复步骤S1～S7实现不同湿度下气体电导率的测量。
S10.改变三电极***11中高压电极30、测量电极31和接地电极35的大小，重复步骤S1～S7实现不同电极大小下气体电导率的测量。
S11.改变高压电极30、测量电极31和接地电极35的表面粗糙度，重复步骤S1～S7实现不同电极表面粗糙度下气体电导率的测量。
S12.步骤S8～S11中的条件可以通过多种组合相互配合实现不同条件下气体电导率的测量。

Claims (8)

1.一种气体电导率测量方法，其特征在于，使用气体电导率测量装置进行测量，所述装置包括：
反应器，该反应器包括密闭的气体腔室，用于实现给所述气体腔室充气及抽气的进排气***，以及位于所述气体腔室内的三电极***，所述三电极***包括接地电极、高压电极和测量电极，所述高压电极和所述测量电极相对设置且相对距离可调，所述测量电极通过绝缘支撑部件固定于所述接地电极上，所述接地电极固定在伸缩部件上，并通过所述伸缩部件的伸缩实现所述测量电极和所述高压电极相对距离的调节；
高压直流发生器，用于向所述高压电极提供持续稳定可调的直流电；和
数据采集分析***，与所述测量电极连接，采集分析所述测量电极的电流信息；
所述测量方法包括：
步骤1，排出所述气体腔室的杂质气体；
步骤2，向所述气体腔室内充入待测气体；
步骤3，通过所述高压直流发生器对所述三电极***施加所需要的实验电压，调节所述测量电极和所述高压电极之间的距离得到电流和电场强度之间的关系，保持所述三电极***极间距离不变，改变所述高压直流发生器输出的电压等级，测量不同电压等级下电流随时间的变化规律，以此分析得到待测气体电导率。
2.根据权利要求1所述的气体电导率测量方法，其特征在于，还包括：
对所述三电极***周围的气体以及测量电极进行加热，然后重复所述步骤3的过程；
和/或，
改变所述待测气体的含水量，然后重复所述步骤2～3的过程；
和/或，
改变所述高压电极、测量电极和接地电极的大小，然后重复所述步骤1～3的过程；
和/或，
改变所述高压电极、测量电极和接地电极的表面粗糙度，然后重复所述步骤1～3的过程。
3.根据权利要求1所述的气体电导率测量方法，其特征在于，所述反应器上设有密封所述气体腔室的盆式绝缘子，该盆式绝缘子中心导体的一端通过高压套管与所述高压直流发生器连接，所述中心导体的另一端通过位于所述气体腔室内的高压导体与所述高压电极连接。
4.根据权利要求2所述的气体电导率测量方法，其特征在于，对所述三电极***周围的气体以及测量电极进行加热的发热部件设置在所述测量电极靠近所述接地电极的一侧。
5.根据权利要求2所述的气体电导率测量方法，其特征在于，所述气体腔室设有温湿度传感器，该温湿度传感器与所述数据采集分析***连接。
6.根据权利要求1所述的气体电导率测量方法，其特征在于，所述高压直流发生器包括变压器、高压硅堆、保护电阻和滤波电容，所述变压器的二次侧输出侧端依次串联高压硅堆和保护电阻，并和滤波电容并联。
7.根据权利要求1或6所述的气体电导率测量方法，其特征在于，所述高压直流发生器并联有电压测量部件。
8.根据权利要求1所述的气体电导率测量方法，其特征在于，所述进排气***包括真空泵和与所述气体腔室连通的气体管道，所述气体管道上设有气压测量部件，所述气体管道的进气口设有进气口阀门，所述真空泵通过真空泵阀门与所述气体管道连接。
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