电气工程学报, 2020, 15(3): 150-154 doi: 10.11985/2020.03.020

变温环境下SF6混合气体0.6 MPa压力特征曲线研究

陆旭锋, 陈雅蓝

国网上海市电力公司 上海 201800

Study on 0.6 MPa Pressure Characteristic Curve of SF6 Mixed Gas in Variable Temperature Environment

LU Xufeng, CHEN Yalan

State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 201800

收稿日期: 2020-03-6   修回日期: 2020-06-12   网络出版日期: 2020-09-25

Received: 2020-03-6   Revised: 2020-06-12   Online: 2020-09-25

作者简介 About authors

陆旭锋,男,1977年生,工程师。主要研究方向为电力系统SF6组合电器自动化

陈雅蓝,女,1992年生,助理工程师。主要研究方向为电力系统SF6组合电器自动化

摘要

为了解在变温环境下,SF6混合气体在压强为0.6 MPa的压力特征曲线,设计试验并测定了SF6/N2、SF6/CF4两种混合气体在SF6不同体积分数下的压力特征曲线。设置实验室的温度变化范围为-30~40℃,准备检测器具及设备,分别配置SF6体积占比为28%、30%、32%的两种混合气体,推导混合气体的状态方程。在试验中测出实际的温度和压力值,代入状态方程得到理论计算值,计算出相对误差,验证状态方程的适用性,绘制出变温环境下SF6混合气体在0.6 MPa环境下压力特征曲线。经试验发现,在该曲线中压力与试验温度呈一定的线性关系,为SF6混合气体制备以及相关的研发提供了理论依据。

关键词： SF6混合气体 ; 变温环境 ; 压力特征曲线 ; 状态方程 ; 压力值

Abstract

In order to understand the pressure characteristic curve of SF6 mixed gas at pressure of 0.6 MPa under the condition of variable temperature, the pressure characteristic curves of SF6/N2 and SF6/CF4 are designed and measured. The temperature range of the laboratory is set to -30-40℃, and the testing instruments and equipment are prepared. The two mixed gases with SF6 volume fraction of 28%, 30% and 32% are configured respectively, and the equation of state of the mixed gas is deduced. The actual temperature and pressure values are measured in the experiment, and the theoretical values are substituted into the equation of state to obtain the relative error. The applicability of the equation of state is verified, and the pressure characteristic curve of SF6 mixed gas in the environment of 0.6 MPa is drawn. It is found that the pressure in this curve has a certain linear relationship with the experimental temperature, which provides a theoretical basis for the preparation of SF6 mixture system and related research and development.

Keywords： SF6 mixed gas ; variable temperature environment ; pressure characteristic curve ; equation of state ; pressure value

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本文引用格式

陆旭锋, 陈雅蓝. 变温环境下SF6混合气体0.6 MPa压力特征曲线研究. 电气工程学报[J], 2020, 15(3): 150-154 doi:10.11985/2020.03.020

LU Xufeng, CHEN Yalan. Study on 0.6 MPa Pressure Characteristic Curve of SF6 Mixed Gas in Variable Temperature Environment. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(3): 150-154 doi:10.11985/2020.03.020

1 引言

六氟化硫(SF6)气体是一种人工合成的惰性气体,由于它具有优良的绝缘和灭弧性能而被广泛地应用于高压设备绝缘[1,2]。但是SF6气体在低气温地区使用设备中气体的压强受到限制,影响了绝缘性能。且SF6气体的温室效应系数非常高,由于国际上对环保问题越来越重视,SF6气体导致的温室效应问题逐渐受到人们的关注[3,4]。

为了减少SF6气体的使用和排放,提出了围绕SF6与一定比例其他气体的混合气体展开研究。其中重要的研究方向是使用SF6气体与氮气(N2)、SF6气体与四氟甲烷(CF4)的混合气体作为SF6的替代气体应用于电气设备。为了解在变温环境下,SF6混合气体在压强为0.6 MPa的压力特征曲线,设计试验并测定了SF6/N2、SF6/CF4两种混合气体在SF6不同体积分数下的压力特征曲线。首先设置试验环境,准备检测器具及设备,配置SF6的两种混合气体,推导混合气体的状态方程。在试验中测出实际的温度和压力值,进一步计算出相对误差,验证状态方程的适用性。并绘制出变温环境下SF6混合气体在0.6 MPa环境下压力特征曲线,并对其进行分析。

2 试验材料与方法

2.1 试验准备

变温环境下,SF6/N2、SF6/CF4混合气体压力会发生明显变化,调整SF6/N2、SF6/CF4混合气体配置,对此进行验证。设定混合气体中SF6体积占比分别为28%、30%、32%。

2.1.1 试验环境条件

在实验室条件下,固定气压为0.6 MPa,在该气压下,SF6气体的液化温度为-25℃。根据该温度,设置实验室变温环境下的温度变化范围为-30~40℃,环境湿度为15%~90%。

2.1.2 检测器具及设备

在试验准备的器具中,主要包括：气体物质用99.999% 50 kg SF6气体一瓶;99.999% 40 L的N2气体一瓶;99.999% 40 L的CF4气体一瓶;

2.2 推导混合气体状态方程

在压力的作用下,混合气体原子中所带电子与SF6分子互相作用,产生电子激发、电离、动量传输和吸附等反应过程[5,6],SF6的激发和电离有助于产生新的电子。压强作用下气体的电子崩离过程如图1所示。

图1

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图1   压强作用下气体的电子崩离过程


根据道尔顿分压定律[7,8],电子崩离过程中,混合气体内不同成分之间不会继续产生化学反应。该定律在原则上适用于现实存在的气体混合物,在试验中,混合气体的压力环境为0.6 MPa。在设备正常工作情况下,适用于分压定律,可得

$\left\{ \begin{align} & {{P}_{\text{Mixed gas}}}={{P}_{\text{S}{{\text{F}}_{\text{6}}}}}+{{P}_{{{\text{N}}_{\text{2}}}}} \\ & {{P}_{\text{Mixed gas}}}={{P}_{\text{S}{{\text{F}}_{\text{6}}}}}+{{P}_{\text{C}{{\text{F}}_{4}}}} \\ \end{align} \right.$

式中,${{\text{N}}_{2}}$与$\text{C}{{\text{F}}_{4}}$可以近似看成理想气体[9],因此${{\text{N}}_{2}}$和$\text{C}{{\text{F}}_{4}}$的理想气体状态方程可以表示为

$PV=nRT$

式中,$P$为气体压力;$V$是气体体积;$n$为物质的量;$R$为理想状态的气体常数,取值为 8.314 m³·Pa·mol-1·K-1;$T$为温度。SF6作为真实气体来进行计算,可以采用方程组式(3)进行计算

$\left\{ \begin{align} & P=(RTB-A){{d}^{2}}+RTd \\ & A=73.541\times {{10}^{-5}}-5.152\ 44\times {{10}^{-7}}d \\ & B=2.514\ 125\ {{10}^{-3}}-2.354\ 151\times {{10}^{3}}d \\ & R=5.702\ 485\times {{10}^{-4}} \\ \end{align} \right.$

式中,$P$为压力;$d$为气体密度;$T$为温度;$R$为常数。在得到混合气体的混气比、初始压力和初始温度后,代入式(2)和(3)中,得到了在初始状态下的混合气体状态方程。

2.3 试验方法与过程

在试验过程中,需要将SF6、N2各自的纯净气体按照比例进行配气,配气装置示意图如图2所示。

图2

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图2   配气装置示意图


SF6、N2混合气体通入动态配气仪进气口,出门连接4 L空钢瓶,配置比例为30%SF6和70%N2。空钢瓶中混合气体充到1.5 MPa后,利用混气比检测仪进行配比含量检测[10]。检测结果如图3所示。

图3

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图3   混气体积比检测图


按照上述方法,分别配置SF6的体积分数分别为28%、32%的N2混合气体与SF6/CF4的混合气体,配置完成后备用。处理后的气体钢瓶放置在高低温箱中,在箱体外部安装测温设备[11,12]。在安装测温探头的过程中,将探头紧贴钢瓶,如图4所示。

图4

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图4   试验示意图


记录钢瓶压力和温度后,将高低温箱的温度分别调至-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、30 ℃、40 ℃,每个温度点保持4 h,记录压力和温度。直到瓶中的气压达到0.6 MPa,将此压力作为初始压力[13,14,15]。分别配置体积分数为28% SF6和32% SF6的混合气体,配置体积分数为28% SF6、30% SF6、32% SF6的SF6/CF4混合气体,按照上述步骤进行试验并记录数据。

3 试验结果与分析

3.1 试验数据的分析比较

将SF6/N2混合气体中,体积分数为28%、30%、32%时,初始温度为20 ℃、气压为0.6 MPa的情况下,其压力随温度变化的实测压力值见表1~3。

表1   28%SF6+72%N2混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.840.599 9
-30-29.640.501 2
-20-19.350.531 6
-10-9.050.543 1
0-0.860.564 1
109.360.580 2
3029.360.619 6
4039.650.642 1

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表2   30%SF6+70%N2混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.910.599 7
-30-29.950.486 1
-20-19.550.512 4
-10-9.180.529 4
0-0.120.560 9
109.860.593 6
3029.640.614 5
4039.780.643 3

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表3   32%SF6+68%N2混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.780.599 8
-30-29.840.499 5
-20-19.640.524 4
-10-9.670.538 9
0-0.150.568 7
109.610.593 7
3029.570.615 8
4039.450.632 2

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将SF6/N2混合气体中,体积分数为28%、30%、32%时,初始温度为20 ℃、气压为0.6 MPa的情况下,其压力随温度变化的实测压力值见表4~6。

表4   28%SF6+72%CF4混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.690.599 6
-30-29.890.510 3
-20-19.760.532 6
-10-9.040.545 9
0-0.930.564 2
109.630.579 5
3029.580.620 6
4039.660.641 3

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表5   30%SF6+70%CF4混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.760.599 7
-30-29.460.493 6
-20-19.590.520 8
-10-9.260.536 8
0-0.460.560 9
109.930.586 9
3029.260.618 9
4039.410.640 3

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表6   32%SF6+68%CF4混合气体试验数据

设定温度/℃实测温度/℃实测压力值/MPa
2019.850.599 8
-30-29.560.496 9
-20-19.390.528 4
-10-9.780.540 6
0-0.590.566 9
109.630.590 1
3029.450.619 7
4039.920.639 7

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根据表1~6中的数据,根据试验中设置的混合气体中的体积分数、初始温度以及实际温度的测试结果,将其带入到混合气体状态方程中,可以得到不同温度下相对应的压力理论计算值。根据实际值和理论值,能够求出相对误差

$R=\frac{{{T}_{v}}-{{M}_{v}}}{{{M}_{v}}}\times 100%$

式中,${{T}_{v}}$为压力的理论计算值;${{M}_{v}}$为实测压力值。在初始温度为20 ℃、初始压力为0.6 MPa的条件下,列出混合气体中SF6不同体积分数下的实测压力、压力理论计算值和相对误差表(表7)。

表7   不同体积比的SF6/N2混合气体理论压力值与实测压力值的比较

数据情况温度/℃实测压力/MPa压力理论计算值/MPa相对
误差(%)
初始状态20.000.600 0—
SF6体积分数(28%)-29.640.501 20.502 30.22
-19.350.531 60.530 7-0.17
-9.050.543 10.544 90.33
-0.860.564 10.561 1-0.53
9.360.580 20.583 60.59
29.360.619 60.620 90.21
39.650.642 10.643 90.28
SF6体积分数(30%)19.440.599 70.596 2-0.58
-29.950.486 10.483 9-0.45
-19.550.512 40.514 30.37
-9.180.529 40.531 40.38
-0.120.560 90.562 20.23
9.860.593 60.590 0-0.61
29.640.614 50.616 80.37
39.780.643 30.645 90.40
SF6体积分数(32%)-29.840.499 50.502 30.56
-19.640.524 40.526 80.46
-9.670.538 90.536 1-0.52
-0.150.568 70.564 7-0.70
9.610.593 70.596 70.51
29.570.615 80.618 00.36
39.450.632 20.634 90.43

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从上表可以看出,三种不同的SF6体积分数下,SF6/N2与SF6/CF4混合气体的实测压力与压力理论计算值的相对误差的绝对值均没有超过0.8%,因此可以认为混合气体状态方程可以用于工程应用。

3.2 SF6混合气体变温环境下压力特性曲线

根据第2.1节中的试验数据,绘制SF6/N2与SF6/CF4混合气体中SF6的不同体积比的压力特性曲线,见图5~7。

图5

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图5   体积分数为28%的SF6与两种不同气体的温度压力特性曲线


图6

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图6   体积分数为30%的SF6与两种不同气体的温度压力特性曲线


图7

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图7   体积分数为32%的SF6与两种不同气体的温度压力特性曲线


至此完成了SF6混合气体变温环境下压力特性曲线的绘制。

4 结论

(1) 本文分别配置SF6不同体积分数的两种混合气体,推导出符合适用性的混合气体的状态方程,以此绘制出变温环境下SF6混合气体在0.6 MPa环境下压力特征曲线。

(2) 本次研究为SF6混合气体制备以及相关的研发提供了理论依据,便于开展有关于SF6混合气体产品的生产、保存以及监测工作。

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