一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置及方法与流程

本发明属于高压电试验技术领域，具体涉及一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置及方法。

背景技术：

自20世纪60年代开始，SF₆气体因具有较高的绝缘能力和优良的灭弧性能被广泛使用在电力工业中，如气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、气体断路器(GCB)、气体输电管线(GIL)等。然而，SF₆在实际应用中存在着一些不如人意之处：SF₆气体在压力较大，环境温度过低的情况下容易液化，这使在高寒地区冬季寒冷季节使用受到限制，对电力设备的安全运行构成严重威胁；此外，SF₆气体的大量使用会对全球的温室效应产生影响，在《京都议定书》中，SF₆被列为受限制的六种温室气体之一，其全球变暖系数(GWP)是CO₂气体的23900倍。长期以来，人们为寻找SF₆的替代气体进行了大量研究，但尚未发现一种在绝缘性能和灭弧性能方面可以完全替代SF₆的气体，于是人们开始寻求使用SF₆混合气体(如SF₆/N₂、SF₆/CF₄混合气体)作为绝缘灭弧介质，不仅可以降低绝缘气体的液化温度，而且可以减少SF₆气体的使用量。目前，对混合气体在高压开关中的应用还处于理论探索阶段，已有的实验研究也是局限于常温状态下的混合气体击穿特性研究，对于低温条件下混合气体击穿绝缘特性及等离子体光谱的问题，有待进一步研究。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置及方法。

本发明的技术方案：

一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置，包括：SF₆混合气体充放与回收装置、低温环境设定装置、混合气体击穿电压检测装置和光谱采集装置；

所述SF₆混合气体充放与回收装置包括：用于存放SF₆气体的高压气瓶、用于存放另一种气体的高压气瓶、混合气体储气罐、压缩机1、过滤吸收装置、真空泵、气体连接管路、气体流量计G₁、气阀K₁、气体流量计G₂、气阀K₂、电接点压力表G₄和气阀K₃；

所述低温环境设定装置包括：温度控制系统、压缩机2、热交换器、冷凝器、膨胀阀、电动机和存储器；

所述混合气体击穿电压检测装置包括：气体密封系统、用于测量瞬态高电压的阻容分压器、用于显示阻容分压器低压端输出电压的示波器、高压电产生装置和第一电阻；所述气体密封系统包括：封闭容器、密封气室、正电极、负电极、温度传感器和调距旋钮；

所述光谱采集装置包括：上位机、光同步触发探头、光纤探头和光纤光谱仪；

所述高压气瓶分别与混合气体储气罐的两个进气口相连，所述气体流量计G₁和气阀K₁设置在存放SF₆气体的高压气瓶与混合气体储气罐的气体连接管路上，气体流量计G₂和气阀K₂设置在存放另一种气体的高压气瓶与混合气体储气罐的气体连接管路上，可实现SF₆气体与另一气体以任意比例混合，所述混合气体储气罐上设置有电接点压力表G₄，用于检测混合气体储气罐中两种气体的分压力，混合气体储气罐出气口通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置，压缩机1通过气体连接管路与热交换器的混合气体输入端连接，气体连接管路上设置有气阀K₃；所述压缩机1用于将混合气体储气罐中的混合气体充入气体密封系统，或者将气体密封系统中的混合气体回收至混合气体储气罐中；

所述热交换器的气体出口连接压缩机2气体输入端，压缩机2驱动端连接电动机，压缩机2气体输出端连接冷凝器一端，冷凝器另一端连接存储器，存储器连接膨胀阀，膨胀阀连接交换器的气体入口，热交换器和膨胀阀分别与温度控制系统输出端连接，温度控制系统输入端连接温度传感器；

所述密封气室放在封闭容器内，密封气室侧壁上设有窗口，封闭容器侧面设置有温度传感器，密封气室一端设有调距旋钮，正电极和负电极设置在密封气室内，正电极和负电极之间的距离可以通过密封气室上方的调节旋钮调节，密封气室通过气体连接管道连接热交换器的混合气体输出端，气体连接管道上设置有压力表G₃，正电极和负电极分别与高压电产生装置正输出端和负输出端连接，阻容分压器的高压端连接用于保护线路的第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接高压电产生装置正输出端，阻容分压器的低压端连接示波器，阻容分压器的接地端接地；

所述光纤光谱仪和上位机通过数据线连接，用于采集气体密封系统中光谱信息光同步触发探头和光纤探头分别与光纤光谱仪连接，所述光同步触发探头和光纤探头分别通过密封气室侧面窗口对准正电极和负电极之间的中心处。

利用混合气体低温击穿电压及光谱检测装置的击穿电压及光谱检测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过调节旋钮调节密封气室内正电极与负电极之间的距离；

步骤2：开启压缩机1将密封气室中的混合气体回收至混合气体储气罐中，除去密封气室内残余的气体，开启真空泵将混合气体储气罐抽真空，并通过过滤吸收装置排放抽取的残余气体；

步骤3：调节气阀K₁和气阀K₂，观察电接点压力表G₄，控制高压气瓶向混合气体储气罐中充气；

步骤4：混合气体储气罐将气体混合后，打开气阀K₃，混合气体通过压缩机1传输给低温环境设定装置；

步骤5：混合气体通过低温环境设定装置冷却后，传输给密封气室；

当混合气体低温击穿电压及光谱检测装置中包括温度设定系统和温度传感器时，在温度控制系统中设定所需低温的温度，温度控制系统通过温度传感器获取密封气室温度，并控制流过低温环境设定装置的混合气体冷却速度，使密封气室内温度达到设定值；

当密封气室连接有压力表G₃时，压力表G₃实时监测密封气室内压强是否达到设定压强值，是，闭合K3，执行步骤6，否则，继续向密封气室输入混合气体；

步骤6：高压电产生装置对密封气室中的正电极与负电极施加持续升高的电压；

步骤7：当封闭室中的正电极与负电极间隙击穿时，正电极与负电极间形成电弧等离子体，高压电产生装置停止加压；

步骤8：击穿电压经阻容分压器在示波器中显示并记录；

步骤9：光同步触发探头探测到弧光后，光纤光谱仪开始通过光纤探头采集电弧等离子体的光谱信息，发送到上位机；

步骤10：上位机分析光谱信息。

有益效果：本发明的一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置及方法与现有技术相比，具有如下优势：

(1)测量低温环境下混合气体的击穿电压，弥补低温环境下实验测量的空缺，对严寒地区电力设备应用有一定的研究意义；

(2)测量低温环境下混合气体的等离子体光谱，对研究低温混合气体微观参量具有突破；

(3)混合气体储气罐可认为零泄漏，不同气体由不同的进气口进入，极大的保证了混合气体可以充分混合，防止分层现象，通过储气罐表面安有的电接点压力表、流量计控制气体流速，方便准确控制混合气体混合比；

(4)可完成混合气体的回收循环利用，提高资源利用和节约实验成本，可基本实现SF₆向大气中的零排放；

(5)低温环境设定装置可以很好的设定混合气体的温度实验不受外界环境温度影响，保证了实验的可靠性；

(6)光纤探头及光同步触发探头可以在产生电弧的一瞬间采集光谱信息并保存到上位机，具有实时性。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的混合气体低温击穿电压及光谱检测装置示意图，其中，1为SF₆混合气体充放与回收装置，2为低温环境设定装置，3为混合气体击穿电压检测装置，4为光谱采集装置，5为用于存放SF6气体的高压气瓶，6为用于存放另一种气体的高压气瓶，7为混合气体储气罐，8为压缩机，9为过滤吸收装置，10为真空泵，11为气体连接管路，12为压缩机，13为热交换器，14为冷凝器，15为膨胀阀，16为电动机，17为存储器，18为温度控制系统，19为阻容分压器，20为示波器，21为高压电产生装置，22为第一电阻，23为封闭容器，24为密封气室，25为正电极，26为负电极，27为温度传感器，28为窗口，29为调距旋钮，30为上位机，31为光同步触发探头，32为光纤探头，33为光纤光谱仪；

图2为本发明一种实施方式的混合气体低温击穿电压及光谱检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

SF₆和另一种不会与其发生反应的气体，如氮气、四氟化碳、二氧化碳等混合后，根据Dalton分压定律，通过控制混合气体中SF₆气体的分压从而调节SF₆和另一气体的混合比，即

式中：n_A、n_B为两种气体的摩尔数；p_A、p_B为两种气体的分压力，即两种气体混合后承担的压强，因此可以通过控制两种气体的压强比来控制混合气体中SF₆气体的含量。

如图1所示，本实施方式的一种混合气体低温击穿电压及光谱检测装置，包括：SF₆混合气体充放与回收装置1、低温环境设定装置2、混合气体击穿电压检测装置3和光谱采集装置4；

所述SF₆混合气体充放与回收装置1包括：用于存放SF₆气体的高压气瓶5、用于存放另一种气体的高压气瓶6、混合气体储气罐7、压缩机8、过滤吸收装置9、真空泵10、气体连接管路11、气体流量计G₁、气阀K₁、气体流量计G₂、气阀K₂、气阀K₃和电接点压力表G₄。

所述另一种气体为液化点在-50℃以下的气体，包括氮气、二氧化碳、四氟化碳、惰性气体。

所述低温环境设定装置2包括：压缩机12、热交换器13、冷凝器14、膨胀阀15、电动机16、存储器17和温度控制系统18。

所述混合气体击穿电压检测装置3包括：气体密封系统、用于测量瞬态高电压的阻容分压器19、用于显示阻容分压器低压端输出电压的示波器20、高压电产生装置21、第一电阻22和压力表G₃；所述气体密封系统包括：封闭容器23、密封气室24、正电极25、负电极26、温度传感器27和调距旋钮29，密封气室24侧面设置有窗口28，温度传感器27设置在封闭容器23侧面。密封气室24一端设有调距旋钮29。封闭容器23将密封气室24与外界环境隔离，保持短时间实验低温环境。

所述光谱采集装置4包括：上位机30、光同步触发探头31、光纤探头32和光纤光谱仪33。

所述高压气瓶5和高压气瓶6分别与混合气体储气罐7的两个进气口相连，并且气体连接管路11上分别设有气体流量计G₁、气阀K₁和气体流量计G₂、气阀K₂，可实现SF₆气体与另一气体以任意比例混合；混合气体储气罐7上设置有电接点压力表G₄，混合气体储气罐7出气口通过气体连接管路11分别连接压缩机8和真空泵10，真空泵10连接过滤吸收装置9；压缩机8通过气体连接管路11与热交换器13的混合气体输入端连接，气体连接管路11上设置有气阀K₃。所述混合气体储气罐7上设有保护装置，用于当混合气体储气罐7中气体压力超过设定值时控制压缩机8自动断开。所述有电接点压力表G₄用于检测混合气体储气罐中两种气体的分压力，所述压缩机8用于将混合气体储气罐7中的混合气体充入密封气室24中，或者将密封气室24中的混合气体回收至混合气体储气罐7中。所述真空泵10用于将密封气室24或者混合气体储气罐7进行抽真空。

所述热交换器13的气体出口连接压缩机12气体输入端，压缩机12驱动端连接电动机16，压缩机12气体输出端连接冷凝器14一端，冷凝器14另一端连接存储器17，存储器17连接膨胀阀15，膨胀阀15连接交换器13的气体入口，热交换器13和膨胀阀15分别与温度控制系统18输出端连接。

当混合气体流经低温环境设定装置前，开启低温环境设定装置，压缩机开始压缩该装置中用于产生低温环境的气体，将压缩后的气体送至与压缩机连接的冷凝器，冷凝器将压缩后的气体转化成液体存放在储存器中，储存器将液体通过膨胀阀送至热交换器，热交换器通过蒸发吸热对流经热交换器的混合气体降温后，传输给混合气体密封气室。

所述混合气体密封气室24放在封闭容器23内，密封气室24为圆柱形，地面直径100mm，高500mm，侧壁由有机玻璃构成，且密封气室24侧壁上设有石英视窗即窗口28，正电极25和负电极26可以采用平板电极、棒-板电极或针-板电极，电极的边缘有倒角以防止边缘效应。正电极25和负电极26设置在密封气室24内，正电极25和负电极26之间的距离可以通过密封气室24上方的调节旋钮29调节，密封气室24通过气体管道连接热交换器13的混合气体输出端。密封气室与热交换器相连接的气体管道上在靠近密封气室下端处设有压力表G₃，用于监控进入密封气室的气体压力情况。温度控制系统18输入端连接温度传感器27，正电极25和负电极26分别与高压电产生装置21正输出端和负输出端连接；阻容分压器19的高压端连接用于保护线路的第一电阻22的一端，第一电阻22的另一端连接高压电产生装置21正输出端，阻容分压器19的低压端连接示波器20，阻容分压器19的接地端接地。所述第一电阻22采用水电阻。

所述高压电产生装置包括：ZDFI-1200kV/50mA型直流电压发生器、TZF400-400型电阻分压器、TCF400-200型冲击分压器及MWF400-0.25型脉冲电容器。

所述光纤光谱仪33和上位机30通过数据线连接，光同步触发探头31和光纤探头32分别与光纤光谱仪33连接，光同步触发探头31和光纤探头32分别通过石英视窗28对准正电极25和负电极26之间的中心处。

如图2所示，利用混合气体低温击穿电压及光谱检测装置的混合气体低温击穿电压及光谱检测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过调节旋钮调节密封气室内正电极与负电极之间的距离；

步骤2：压缩机将密封气室中的混合气体回收至混合气体储气罐中，除去密封气室内残余的气体，开启真空泵将混合气体储气罐抽真空，并通过过滤吸收装置排放抽取的残余气体；

步骤3：调节气阀K₁和气阀K₂，观察电接点压力表G₄，控制高压气瓶向混合气体储气罐中充气；

步骤4：混合气体储气罐将气体混合后，打开气阀K₃，混合气体传输给低温环境设定装置；

步骤5：混合气体通过低温环境设定装置冷却后，传输给密封气室：

步骤5-1：混合气体输入热交换器混合气体输入端；

步骤5-2：压缩机开始压缩低温环境设定装置中用于产生低温环境的气体，将压缩后的气体送至与压缩机连接的冷凝器；

步骤5-3：冷凝器将压缩后的气体转化成液体存放在储存器中；

步骤5-4：储存器将液体通过膨胀阀送至热交换器，热交换器通过蒸发吸热对流经热交换器的混合气体降温后，传输给混合气体密封气室；

步骤5-5：温度控制系统根据设定低温温度及通过温度传感器获取的密封气室温度，控制热交换器和膨胀阀，进而控制流过热交换器的混合气体冷却速度，使密封气室内温度达到设定值；

步骤5-6：压力表G₃实时监测密封气室内压强是否达到设定压强值，是，闭合K3，执行步骤6，否则，继续向密封气室输入混合气体；

步骤6：高压电产生装置对密封气室中的正电极与负电极施加持续升高的电压；

步骤7：当封闭室中的正电极与负电极间隙击穿时，正电极与负电极间绝缘击穿后形成电弧等离子体，高压电产生装置停止加压；

步骤8：击穿电压经阻容分压器在示波器中显示并记录；

步骤9：光同步触发探头探测到弧光后，光纤光谱仪通过光纤探头采集电弧等离子体的光谱信息，并发送到上位机；

步骤10：上位机分析光谱信息。

本实施方式中，为获得不同条件下更加全面的光谱信息，还进行如下操作：

重复步骤6-10，测量6次封闭室内的正电极和负电极被击穿时的电压及光谱信息；

上位机计算击穿电压平均值，并分析光谱信息；

调节旋钮加大密封气室内正电极与负电极之间的距离，多次重复步骤6-10，测量不同电极间距时的击穿电压平均值和光谱信息；

采用压缩机抽出密封气室中混合气体；

调节混合气体比例，在不同混合气体比例下，调节电极距离，多次重复步骤6-10，测量不同混合气体比例时的击穿电压平均值和光谱信息；

调节低温温度，在不同低温温度下，调节混合气体比例及电极距离，重复步骤6-10，测量不同温度时的击穿电压平均值和光谱信息。