专利名称：非干扰监测具有至少两种组分的气体混合物的混合比率的方法
技术领域：
本发明涉及一种非干扰监测具有至少两种组分的、并且处于封闭容器内数巴压力下的气体混合物的混合比率的方法。
更确切地说，本发明涉及监测气体绝缘的高压电开关齿轮内的绝缘气体。
在该开关齿轮内典型使用的绝缘气体是六氟化硫(SF6)。为抵御因温室气体排放而造成的全球变暖，现在的趋势是将SF6与一些诸如氮气(N2)或诸如氟化碳(CF4)之类的其它气体相混合。两组分混合物的类型也改善了电开关齿轮在很低温度(-50℃)下的断开性能。在将来有可能使用具有两种组分以上的混合物。
SF6/N2或SF6/CF4的混合物的比率大约在50/50～80/20的范围内。为了在用N2/SF6或CF4/SF6类型的气体混合物绝缘的电开关齿轮中维持满意的断开能力，对于气体混合物中N2或CF4的比率甚至是在泄漏的情况下也有必要维持恒定。混合物的两种组分之间的差示损失能够导致断开能力方面的性能损失。
另外生产气体绝缘的电开关齿轮也需更充注后准确标明混合物的比率，特别是为了满足开关齿轮的调速条件。
为了测定混合比率或者是两组分气体混合物中一种组分的比例，公知可以使用色谱法或声学技术。但是，那些技术保持在限于实验室内使用的水平，而且不能将它们用于原位监测电开关齿轮内的绝缘气体。另外，因为那些方法需要将气体混合物排出，这与气体绝缘的电开关齿轮的操作条件不相容，所以那些方法是“干扰”的。
因此本发明的目的是提供一种用于准确检测具有至少两种组分的气体混合物中一种组分相对于其它组分的比率的简单的、廉价的、非干扰的解决方法。
更确切地说，本发明的一个目的是能够准确监测用作高压开关齿轮绝缘气体的N2/SF6或CF4/SF6气体混合物中的N2或CF4的比率。
本发明的监测方法特别利用了热力学方程式来测定混合物中组分的比率。已公知由分子量差别足够大的至少两种组分组成的混合物可由通过四种量值完全确定温度、压力、密度和混合比率。实验表明使用商业上可得的工业传感器来测量温度、压力和密度，通过计算或查表可以相对准确地从得到的测量结果推断出混合比率。
因此本发明提供了一种监测具有至少两种组分的、包含在电开关齿轮封闭容器内的气体混合物中的组分的比率的方法，所述方法的特征是该方法包括利用安装在所述封闭容器上的传感器来测量气体混合物的压力、温度和密度，并通过处理数据处理单元中的测量值来确定所述比率，从而能够非干扰地监测混合物。
利用振动叶片传感器可以测量表示气体混合物的密度的量值，该类型的传感器有两个振动叶片，一个在真空中，另一个处于气体混合物中，并且该传感器传递两叶片之间振动频率的差异，该频率差异表示了气体混合物的密度。气体混合物的密度也可以得自利用电容器或类似的仪器测量的气体混合物的介电常数，这对于本领域的技术人员是公知的。气体混合物的密度也可以得自利用干涉仪或类似的仪器测量的气体混合物的折射指数。
下面参照唯一的附图
详细描述本发明的方法。
唯一的附图是图解式视图，其表示用于监测气体绝缘的高压电流断开器中具有两种组分的(例如N2/SF6)绝缘气体混合物以及用于连续监测气体混合物中N2比率的系统。
如图所示，由高压电流断路器的金属衬里形成的气密封闭容器1内充注数巴压力下(典型的是4巴-8巴)的N2/SF6混合物。压力传感器2和密度传感器3安装在封闭容器1的外壁上。
压力传感器2连续传递表示封闭容器内气体混合物的绝对压力的信号P。密度传感器3连续传递表示气体混合物密度的信号ρ以及表示气体混合物温度的信号T。
将这三个信号传递到处理单元4，该处理单元能够以输出形式传递混合物中N2比率或以类似方式传递混合物的比率。
混合物比率，即混合物中N2和SF6分压之间的比率首先可通过解两组分混合物的热力学状态方程式(Beattie和Bridgman方程式)来测定。
如果P、T和ρ是传感器测量的变量，X是要测定的混合物比率，用于两组分混合物的Beattie和Bridgman方程给出下面的关系式
PSF6＝A1·ρSF6+A2·(ρSF6)2+A3·(ρSF6)3PN2＝A4·(ρN2)P＝X·PN2+(1-X)·PSF6ρ＝ρN2+ρSF6其中A1、A2、A3和A4是公知的T的函数；P SF6和P N2是N2和SF6的分压；和ρN2和ρSF6是N2和SF6的密度。
在这些方程式的基础上，数据处理单元4连续以输出形式传递混合物比率X。
在一个变体中，基于在测试过程中预先编辑的数据表可以得到气体混合物中N2与SF6的相对比率。更具体地说，将测试体积充满其混合物比率是已知的气体混合物。使测试体积的温度分阶段进行变化，例如-40℃～+60℃。对于每个阶段，测量混合物的温度、压力和密度，并在表中对应于混合物比率来记录所得到的三种数值对于各种各样的混合物比率重复进行这些操作。然后为了测定与由温度、压力和密度构成的三个测量的量值呈函数关系的混合物比率，将得到的数据表加载并且存储于单元4的存储器内。
如上所示，可使用能够测量表示气体混合物密度的物理量值的振动叶片传感器。在这种情况下，由于用于测量压力的现代工业传感器可以传递正被监测的气体的温度和压力，所以温度可以得自压力传感器。
所述测量有利地用于数据处理系统4，该数据处理系统是永久地或暂时地安装在电开关齿轮的封闭容器上的任选的手提微电脑的形式。单元4还可以是具有微处理器或微控制器的电路，并与带有一个或多个传感器的设备结合。传感器可以是完全分开的，或者组合在同一种多功能测量仪器中。在附图中，传感器3同时具有压力感知功能和密度感知功能。
当数据处理单元4是手提微型计算机时，对于所述的单元来说存储大量的上面所示类型的数据表是有利的，各个表针对的是对应的气体混合物。另外，可以将单元4有利地程序化来进行动算用于校正传感器的误差和特定漂移。
因此能够利用商业上可得的工业传感器来实施本发明的方法。这些传感器一般能够提供良好的测量准确性(一般地好于1％)，因此与混合物比率有关的误差能够小于1％，按照本发明的方法，测量是采用非干扰的，没有排出任何气体。该方法用于很宽的温度范围，特别是-50℃～90℃，其对应于在某种气体绝缘的高压开关齿轮操作条件下的极限操作。
自然地，只要选择的传感器的准确性适当的是两种组分的分子量的差值的函数，就可将本发明的方法用于具有两种不同于N2/SF6或CF4/SF6的组分的气体混合物。本发明也可应用于具有两种以上不同组分的气体混合物。
权利要求
1.一种监测气体混合物中组分的比率的方法，该气体混合物具有至少两种组分并包含于电开关齿轮封闭容器内，所述方法的特征在于其包括利用安装在所述封闭容器(1)上的传感器(2，3)测量气体混合物的压力(P)、温度(T)和密度(ρ)，并且通过在处理数据单元(4)中处理所述的测量值来确定所述比率，从而能够非干扰地监测所述混合物。
2.根据权利要求1的方法，其中通过数据处理单元(4)计算所述的混合物中组分的比率，将数据处理单元(4)程序化来解所述组分的热力学状态方程式。
3.根据权利要求1的方法，其中通过在存储器内存储了数据表的数据处理单元(4)来测定混合物中组分的所述比率，所述的数据表含有大量的表示所述组分的各种比率的数据项，该组分的各种比率数据项对应于表示含有所述组分的气体混合物的压力、温度和密度的测量值的数据项。
4.根据权利要求1、2或3的方法，其中利用振动叶片传感器测量密度。
5.根据权利要求1、2或3的方法，其中利用其电容是气体混合物的介电常数的函数的电容器。
6.根据权利要求1、2或3的方法，其中利用干涉仪测量密度。
7.根据权利要求2或3的方法，其中数据处理单元(4)是微型计算机
8.根据权利要求2或3的方法，其中数据处理单元(4)由微处理器或微控制器组成。
9.具有封闭容器(1)的电开关齿轮，该封闭容器含有至少两种电介质气体的加压的混合物，所述的开关齿轮特征在于通过实施根据权利要求1-8任何一项的方法来测定混合物中电介质气体的比率。
10.根据权利要求9的电开关齿轮，其中气体混合物由N2和SF6或CF4和SF6构成的两种组分组成。
全文摘要
一种非干扰监测具有至少两种组分的、并包含于电开关齿轮封闭容器内的气体混合物的组分的比率的方法,该方法包括利用安装在所述封闭容器(1)上的传感器(2,3)来测量气体混合物的压力(P)、温度(T)和密度(ρ),并且通过处理数据处理单元(4)内的测量值来测定所述比率。
文档编号H01H33/56GK1366176SQ02105269
公开日2002年8月28日 申请日期2002年1月8日 优先权日2001年1月8日
发明者O·查泰, J－P·杜普拉兹, L·卢克特, D·塔伯纳特 申请人:阿尔斯托姆公司