一种SF6微量恒压泄漏仿真装置及其方法与流程

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种sf6微量恒压泄漏仿真装置及其方法。

背景技术：

六氟化硫(sf6)检漏工作对于维持电气设备绝缘性能、保障设备与电网安全、稳定、绿色运行方面有着重要的作用。gb50150-2016《电气设备交接试验标准》第12.0.14条规定：“采用灵敏度不低于1×10^-6(体积比)的检漏仪对断路器各密封部位、管道接头等处进行检测时，检漏仪不应报警”。sf6气体定量检漏仪和sf6气体成像检漏仪缺少可行的实验室校验方法，其主要原因是缺少保证sf6微量泄漏仿真装置恒压泄漏的方法。

现有微量气体泄漏方法有：质量流量控制法和正压漏孔法等。质量流量控制法是控制sf6标准气体和空气的稀释比，输出不同流量的sf6与空气的混合气体，为常压状态的泄漏，无法模拟高压电气设备sf6纯气的带压泄漏情况。正压漏孔法是将原料气在一定压力下经过标准漏孔后进行释放，通过控制原料气的压力来控制其泄漏量，这种方法所控制的气体体积受压力变化影响明显，对压力控制的精度要求较高；且需采用多级调压阀调节压力，自动化程度低，控制复杂，不可避免地产生人为操作误差，重复性差，且无法输出量化的泄漏率。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提供一种sf6微量恒压泄漏仿真装置，可模拟不同压力的sf6纯气微量泄漏，也可以实现sf6微量恒压泄漏仿真。本发明还提供一种sf6微量恒压泄漏仿真方法，使用sf6微量恒压泄漏仿真装置，来实现上述不同压力的sf6纯气微量泄漏仿真以及sf6微量恒压泄漏仿真。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种sf6微量恒压泄漏仿真装置，包括有气缸、配套设置于所述气缸内的活塞以及用以驱动所述活塞运动的驱动装置，所述气缸的进气管路上设有减压阀和补气阀，所述气缸的出气管路的末端设有实验箱体，所述实验箱体上设有泄漏孔以及用以控制泄漏孔释放气体的释放阀，所述气缸或者所述气缸的管路上设有用以测量气缸和所述气缸的管路内的气体的温度的温度传感器。

进一步地，所述实验箱体上的泄漏孔为多个，且每个泄漏孔的孔径不同。

优选的，所述实验箱体上的泄漏孔为3个，孔径大小分别为1.2mm、2.5mm、4.6mm。

进一步地，所述气缸或者所述气缸的管路上设有用以测量气缸和所述气缸的管路内的气体的压力的压力传感器。

进一步地，所述驱动装置为直线步进电机或液压缸或气压缸。

进一步地，sf6微量恒压泄漏仿真装置还包括有一单片机控制系统，所述单片机控制系统分别与温度传感器、压力传感器和驱动装置连接。

本发明还提供一种sf6微量恒压泄漏仿真方法，使用上述sf6微量恒压泄漏仿真装置，包括有以下步骤：

s1补气阶段：将气缸的进气管路连接外部气源，调整减压阀至预设出口压力，闭合释放阀、开启补气阀，驱动装置驱动活塞往外侧运动直至气缸内充满sf6气体，闭合关闭补气阀；

s2调压阶段：通过温度传感器测出气体温度，根据一定温度下sf6气体的压力与密度关系，计算出调节至目标压力所需的活塞前进的距离，驱动装置推动活塞在气缸里运动，用以调节sf6气体压力至目标值；

s3恒压泄漏阶段：开启释放阀，sf6气体由泄漏孔释放，驱动装置匀速推进活塞保持气缸内压力稳定在目标压力值，从而实现恒压泄漏。

进一步地，一定温度下sf6气体的压力与密度关系由下式获得：

p＝56.2×10^-6γt(1+b)-γ²a

式中：a＝74.9×10^-6(1-0.727×10^-3γ)；

b＝2.51×10^-3γ(1-0.846×10^-3γ)；

p—气体压力，单位为mpa(绝对压力)；

γ—气体密度，单位为kg/m³；

t—气体的热力学温度，单位为k。

进一步地，驱动装置通过不同的速度匀速推进活塞以实现不同的压力下的恒压泄漏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的sf6微量恒压泄漏仿真装置，实现了不同压力的sf6纯气微量泄漏以及sf6微量恒压泄漏仿真，结构简单，控制简便，误差小，重复性好，能够输出可量化的泄漏率；

2、本发明提供的sf6微量恒压泄漏仿真装置也可用作各种气体泄漏检测仪器的试验标准发生源；

3、本发明提供的sf6微量恒压泄漏仿真方法，使用sf6微量恒压泄漏仿真装置，实现了不同压力的sf6纯气微量泄漏仿真以及sf6微量恒压泄漏仿真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明sf6微量恒压泄漏仿真装置的结构示意图；

图2为本发明中一定温度下sf6气体的压力与密度关系曲线图；

图3为不同泄漏孔孔径下采用本发明sf6微量恒压泄漏仿真装置及方法获得的各设定压力与泄漏率关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明提供一种sf6微量恒压泄漏仿真装置，包括有气缸3、配套设置于气缸3内的活塞2以及用以驱动活塞2运动的驱动装置1，气缸3的进气管路31上设有减压阀4和补气阀5，气缸3的出气管路32的末端设有实验箱体8，实验箱体8上设有泄漏孔以及用以控制泄漏孔释放气体的释放阀6，气缸3或者气缸3的管路上设有用以测量气缸3和气缸3的管路内的气体的温度的温度传感器7。

在优选的实施例中，驱动装置1可优选使用直线步进电机或液压缸或气压缸，本优选的实施例中，驱动装置1优选使用直线步进电机，直线步进电机运转可驱动气缸3的活塞2做直线往复运动。

气缸3配套有管路(进气管路31和出气管路32)，管路采用口径的管路，管路内径较小，内部空间体积较小。

本优选的实施例中，补气阀5位于减压阀4和气缸3入口之间，且离气缸3入口很近。实验箱体8也离气缸3入口很近，实验箱体8上设有泄漏孔，气缸3的出气管路32进入实验箱体8，并直接连接泄漏孔，释放阀6安装在实验箱体8内，位于气缸3的出气管路32上，通过释放阀6的开启可以控制泄漏孔释放气体。在优选的实施例中，实验箱体8上的泄漏孔为多个，且每个泄漏孔的孔径不同，具体为实验箱体8上的泄漏孔为3个，孔径大小分别为1.2mm、2.5mm、4.6mm，每个泄漏孔配备一个释放阀6以使得每个泄漏孔释放气体的控制是可以互相独立的。减压阀4、补气阀5和释放阀6为电磁阀或电动阀。

温度传感器7设在气缸3的管路上用以测量气缸3和气缸3的管路内的气体的温度，温度传感器7优选采用方壳贴片式pt100铂热电阻温度传感器。

在优选的实施例中，气缸3的管路上设有用以测量气缸3和气缸3的管路内的气体的压力的压力传感器9，压力传感器9优选使用setech的pms型气体压力传感器。在使用减压阀4向气缸3内充气时，理论上气缸3内充满气体时的初始气压等于设置的减压阀4的预设出口压力，但是为了能够进行实时监测，以及在实时获取、校正后续操作中气缸3内的气体压力，故可优选设置一个压力传感器9已实时监测气缸3内的各阶段的气体压力。

而在部分优选的实施例中，为了实现自动控制，可以引入一套单片机控制系统，单片机控制系统可采用现有技术中常用的单片机控制系统，单片机控制系统分别与温度传感器7、压力传感器9和驱动装置1连接。当引入单片机控制系统后，温度传感器7检测到的气体温度，压力传感器9检测到的气体压力可以传送到单片机控制系统中，单片机控制系统根据收到的信息，结合预设的相关程序，来控制驱动装置1，通过控制驱动装置1并改变驱动装置1驱动活塞2运动的速度，来改变气缸3内的气压。

使用上述sf6微量恒压泄漏仿真装置进行sf6微量恒压泄漏仿真的方法，包括有以下步骤：

s1补气阶段：将气缸3的进气管路31连接外部气源，调整减压阀4至预设出口压力，闭合释放阀6、开启补气阀5，驱动装置1驱动活塞2往外侧运动直至气缸内充满sf6气体，闭合关闭补气阀5。

在本优选的实施例中，进气管路31连接sf6纯气钢瓶，减压阀4输出初始压力为0.2mpa(绝对压力)的sf6气体，打开补气阀5，直线步进电机通过反向转动往回拉动活塞2直至气缸3内充满sf6气体，此时，设气缸的初始压力为p0，设气缸体积为初始体积v0。

s2调压阶段：通过温度传感器7测出气体温度，根据一定温度下sf6气体的压力与密度关系，计算出调节至目标压力所需的活塞2前进的距离，驱动装置1推动活塞2在气缸3里运动，用以调节sf6气体压力至目标值。

在本实施例中，sf6气体温度温度传感器测量。常用的gis电气设备内气体压力通常为0.4～0.8mpa，调压阶段的sf6气体的压力与密度关系中压力范围选择0.4mpa～0.8mpa范围(模拟gis电气设备内气体的压力)。

一定温度下sf6气体的压力与密度关系由下式获得：

p＝56.2×10^-6γt(1+b)-γ²a(1)

式中：a＝74.9×10^-6(1-0.727×10^-3γ)；

b＝2.51×10^-3γ(1-0.846×10^-3γ)；

p—气体压力，单位为mpa(绝对压力)；

γ—气体密度，单位为kg/m³；

t—气体的热力学温度，单位为k。

根据式(1)，得到该压力范围内，不同温度下气体压力和密度的关系曲线，如图2所示。从图2中可以看出，温度一定时，气体压力和密度呈线性关系，线性相关系数高于0.999。

以20℃时的气体压力和密度关系曲线为例，拟合得到直线方程(2)，线性相关系数为0.9996。

p＝0.0139γ+0.0479(2)

气体密度与体积的关系见式(3)，

γ＝m/v(3)

式中：m—气体质量，单位为kg；

v—气体体积，单位为m³。

将式(3)带入式(2)得到同一温度下，气体压力与体积的关系式(4)。

p＝0.0139m/v+0.0479(4)

气缸3内充气后初始压力为p0，体积为v0。气体质量不变，当要调节气缸3内压力至设定压力p1时，此时气缸3内的气体体积v1通过式(5)获得。

v1＝v0(p0-0.0479)/(p1-0.0479)(5)

此时，驱动装置1(本优选的实施例中为直线步进电机)推动活塞2前进的距离l1通过式(6)获得。

l1＝(v0-v1)/(πr²)(6)

式中：r—气缸3内壁的半径，单位为m。

s3恒压泄漏阶段：开启释放阀6，sf6气体由泄漏孔释放，驱动装置1匀速推进活塞2保持气缸3内压力稳定在目标压力值，从而实现恒压泄漏。

气体泄漏率可以由泄漏率标定装置标定，泄漏率标定装置一般包括标定工装、标准玻璃计量移液管(计量标识，量程0.2ml、2ml等)、秒表等，可标定泄漏率范围：0.001ml/s～1ml/s。在标准玻璃计量移液管中加入肥皂液并形成皂膜，sf6微量恒压泄漏仿真装置释放的sf6气体流入玻璃计量移液管时，推动皂膜在玻璃计量移液管中运动，其移动的距离即为泄漏气体的体积，测量在一定时间内泄漏的气体体积，带入式(7)，即可得到其泄漏率值。

v＝l·t·10^-6(7)

式中：v—泄漏气体体积，单位为m³；

l—泄漏率，单位为ml/s；

t—泄漏时间，单位为s。

在sf6气体泄漏过程中，若驱动装置1停止运动，也即活塞2停止向气缸3内移动，伴随着气体泄漏，气缸3内的压力会降低。为了保持气缸3内压力稳定在设定压力p1，驱动装置1需持续推动活塞2前进运动。

泄漏率标定装置测得的泄漏体积为大气压力下的泄漏体积，参照式(5)可换算为设定压力p1时的泄漏体积，得到式(8)。

v1＝v(pa-0.0479)/(p1-0.0479)(8)

式中：pa—大气压力，单位为mpa。

此时，得到驱动装置1需推动活塞2前进的距离l2为：

l2＝l·t·10^-6(pa-0.0479)/(p1-0.0479)/(πr²)(9)

由式(9)可知，活塞2的推进速率(l/t，l指活塞的推进距离)与泄漏率(l)和设定压力(p1)有关。气缸3内压力一定时，固定泄漏孔释放的气体泄漏率一定，所以，驱动装置1驱动活塞2的推进速率亦为定值。即，驱动装置1匀速推动活塞2时，可保持气缸3内压力不变，此时对应一定的气体泄漏率，因此，驱动装置1匀速推进活塞2可以保持气缸3内压力稳定在目标压力值，从而实现恒压泄漏。改变驱动装置1驱动活塞2的推进速度，即可改变气缸3内的压力，也即当驱动装置1通过不同的速度匀速推进活塞2时，可实现不同的压力下的恒压泄漏。

在一种具体的实施中，驱动装置1匀速推动活塞2，由泄漏孔释放sf6气体，在常温条件下，采用泄漏率标定装置测试sf6微量恒压泄漏仿真装置在0.8mpa压力下的泄漏率，泄漏孔径为1.2mm，试验结果见表1。

表1泄漏率标定装置试验结果

由表1可知，6次测量的泄漏率结果基本一致，验证了驱动装置1匀速推进活塞2可以保持气缸3内压力稳定在目标压力，以实现恒压泄漏。sf6微量恒压泄漏仿真装置也可以通过改变活塞2的推进速度(匀速推进)来模拟不同压力绝缘气室的sf6纯气微量恒压泄漏。

在优选的实施例中，sf6微量恒压泄漏仿真装置的出气管路上有三个释放阀6，每个释放阀6控制一个泄漏孔的释放，可实现一路或多路六氟化硫气体释放，从而模拟变电站现场电气设备中sf6气体泄漏的状态。

由式(9)可知，活塞的推进速度越快，气缸内压力越大，则经同一泄漏孔的泄漏率也越大。泄漏率大小还与泄漏孔的孔径有关，理论上，孔径越大，泄漏率越大。

参照上述的sf6微量恒压泄漏仿真的方法，进行不同压力下不同泄漏孔的泄漏率试验。在20℃条件下，先将设定压力调节为0.4mpa，逐次打开三个释放阀6(每次仅打开一个释放阀6)，释放阀6对应的泄漏孔a、b、c的孔径大小依次为1.2mm，2.5mm，4.6mm，通过泄漏率标定装置分别测试泄漏孔a、b、c的泄漏率；然后改变驱动装置1的推动速度，以调节活塞2的推进速度，使设定压力依次升至0.5mpa、0.6mpa、0.7mpa、0.8mpa，重复上一步骤分别对三个泄漏孔进行0.5mpa、0.6mpa、0.7mpa、0.8mpa压力下的恒压泄漏，测试每个泄漏孔的泄漏率变化，试验结果如图3所示。

图3表明，对于固定孔径的泄漏孔，其泄漏率随设定压力的增大而增大。相同压力下，不同孔径泄漏孔的泄漏率不同，呈现正相关趋势。通过推进速度和不同孔径泄漏孔的联合应用，可以得到连续可调的泄漏率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。