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摘 要:GIS设备在运行过程中必须要具有良好的密闭性,产生泄漏会造成开关拒动等严重后果。传统的检漏方法存在各种缺点,已经不适应复杂的设备及现场情况。根据实际工作经验,结合SF6检漏仪的技术进步,对GIS设备现场检漏检测方法进行了总结,并提出了年泄漏率的计算方法。
关键词:GIS设备;检漏方法;年泄漏率計算法
一、GIS设备检漏的必要性
SF6是无色、无味、无毒、化学性质极稳定的不可燃气体,但在电气设备中的电晕、火花、电弧作用下,SF6气体会产生多种有毒、腐蚀性气体及固体分解物。其气体密度(1标准大气压下,25℃时)是6.25kg/m3 (空气是1.166kg/m3),分子量是146.07(空气是28.85)。SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能,其灭弧能力比空气大两个数量级。SF6全封闭组合电器,简称GIS(Gas-Insulated Switchgear),采用SF6气体作为灭弧和绝缘介质。该设备体积小,技术性能优良,可靠性高,抗震能力强。为满足我国经济的快速增长、居民用电和工业用电大幅度增加的需求,以及节约用地、净化环境、确保安全、可靠供电等要求,GIS设备逐步取代了传统的油绝缘变电设备。
GIS设备运行过程中,必须要具有良好的密闭性,不能产生泄漏。原因为:第一,SF6气体在101325Pa、20℃时的密度为6.16kg/m3,此状态下具有优异的绝缘灭弧电气性能,为保证设备安全可靠的运行,必须要有良好的密闭性达到所需的压力状态;第二,设备密封性良好的情况下,外部水蒸气极难向设备内部渗透,所以漏气量越小,设备内SF6气体的含水量增长就越慢。当漏气造成设备内气体压力低至报警压力值时,密度继电器将发出报警信号,低至闭锁压力值时低气压闭锁,从而引起开关拒动,扩大故障范围。因此要求设备SF6泄漏量要小,要具有良好的密闭性。然而,设备时常因生产质量、安装不当以及环境因素等造成设备漏气。GIS设备的漏气率越来越受到GIS厂家和用户的重视,漏气量检测已是GIS设备出厂试验、现场交接试验中非常重要的试验项目之一,因此GIS设备检漏工作变得尤为重要。
通过现场工作中的经验总结,笔者对传统的SF6检漏方法进行了优缺分析,并总结了一套较为系统的检漏方法。
二、传统的GIS设备检漏方法
GIS设备出厂试验、现场工作中采用的传统检漏方法主要分为两类:定性检测,定量检测。
1、定性检测
(1)检漏仪检漏。采用灵敏度不低于1X10-6(体积比)的检漏仪对各气室密封部位、管道接头等处进行检测。探头应沿被测面以25mm/s左右的速度移动,发现的可疑漏点需反复检测,排除环境干扰造成的假象,以确定出真正漏点。另外,现场检漏时要通过投入排气扇、开窗等方式加强通风。[1]
(2)抽真空检漏。将待测气室进行抽真空处理,直至133 X10-6MPa,维持真空泵运转0.5h后停止抽真空,静止0.5h后读取真空度A,5h后读取真空度B。如果B-A值小于133X10-6MPa,则认为密封性良好。[2]此方法适用于设备安装或大修后充气前的定性检漏。
(3)肥皂泡检漏。将调制好的肥皂水涂刷在设备的气室隔断、波纹管连接、管道连接、仪表接头和排气阀门等处,可以较为直观的观察到漏点。该工作通常使用第二种工作票,即不停电工作。此方法存在明显的缺点:一、对于断路器机构箱内部接头处以及隔离开关、接地刀闸构箱内终端电磁阀处等运行设备的检漏很难操作;二、肥皂水为导电液体,如若操作不当滴落或洒在机构箱内端子排、接触器导线接头上,将会引起控制回路短路、设备误动等事故;三、肥皂水也会通过漏点内渗造成设备气室内含水量的升高。
定性检测通常只能判断设备是否漏气,无法确定漏气量,因此主要用于设备的日常维护以及查找漏点。
2、定量检测
《国家电网公司十八项电网重大反事故措施及编制说明》中11.2.3.1条规定:运行中应巡视检查气体密度表,产品年泄漏率应小于0.5%。GB_T_8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》中8.1.3条规定:六氟化硫设备每个隔室的年漏气率不大于1%。因此需要进行定量检测得出相关数据,以判断设备是否合格,计算出具体的漏气程度——年泄漏率的大小。
定量检漏的方法有多种,大体可分为两类:体积计算法(扣罩法、挂瓶法、局部包扎法)和压力降法。分述如下。
(1)体积计算法。以 表示单位时间内的漏气量,单位MPa·m3/s, 表示年漏气率,计算思路如下
(1)
式中: ——泄漏气体的浓度,ppm;
——收集泄漏气体的时间间隔,s;
——封闭罩的体积,m3;
——封闭罩内设备的体积,m3;
——封闭罩内的气体压力,MPa。
(2)
式中: ——待测气室的容积,m3;
——待测设备充装时气体压力,MPa;
——一年的时间,31.5 X106s。
很明显,未知量包含气体浓度 和相应的体积 、 、 。泄漏气体浓度 的测量可采用以下方法。[2]
1)扣罩法。顾名思义,此方法就是将待测设备放到一个密封的罩子(塑料棚、密封房等)里,一段时间(通常为24h)后,用检漏仪检测罩内上、下、左、右、前、后等多点的几组数据,得到平均浓度。
2)挂瓶法。此法对电气设备密封结构有特殊要求,适用于法兰面有双道密封槽,并且两道密封槽之间留有检漏孔的SF6电气设备。通过连接到两道密封槽之间的细管将设备泄漏的SF6气体收集到瓶中。挂瓶一段时间后,取下瓶子并轻晃将内部气体搅匀,用检漏仪测量出瓶内SF6气体的浓度。
3)局部包扎法。局部包扎法是用塑料布将设备所有密封处、可产生漏气处进行包扎,边缘用塑胶带进行密封。经过一段时间后,对包扎腔内的SF6浓度进行测量。 至此,如果得到设备的体积、包扎腔体积等条件后,按式⑴、式⑵即可计算出年泄漏率 。[3]但在实际工作中却存在着各种问题:
1)通常厂家不会提供设备体积;2)扣罩较大,工作现场不易实施;3)挂瓶法对设备类型要求过高,不具普适性;4)包扎腔形状不规则,体积估算误差大;5)临时包扎不能保证密闭性,造成检测精度降低。
(2)压力降法。计算思路如下
(3)
(4)
式中: ——被测气室两次记录时间间隔内的密度变化值;
——第一次记录气室压力时,换算得出的气体密度;
——第二次记录气室压力时,换算得出的气体密度;
——两次记录之间的时间间隔;
——一年的时间。
通过两次记录气室压力值,根据当时环境温度(有些压力表可自动进行温度补偿,不必结合环境温度)由SF6温度压力曲线得到当时气体密度,记录得两次观察时间间隔,即可得到年泄漏率 。[3]此法受压力表精度影响较大,而且大多漏气过程中压力表指示下降极慢,使得两次得到压力值的时间间隔极难界定,一般以月为单位,更加增大了计算误差。SF6温度压力曲线如下图所示。
SF6温度压力曲线
A-F-B-SF6饱和蒸汽压力曲线,其右侧是气态区域,A-F-F’线上方是液体区域,F’-F-B线上方是固态区域;F-SF6的熔点(凝点),参数见图;B-SF6的沸点,即饱和蒸汽压力为一个大气压(0.1MPa)时的温度,参数见图;γ-密度(kg/m3);T-温度(℃);P-压强(MPa)。本图用法:找到压力和温度对应的坐标交点,画出密度曲线,气体温度变化时,压力沿曲线移动;A-F线右侧为气态区,密度曲线与此线的交点即为出现液态时的P、T参数
三、现场GIS设备检漏方法总结
GIS设备使用率逐年提高,设备情况日趋复杂,设备质量参差不齐,传统的检漏方法存在不足,已不能满足现场工作的需求。同时,随着近年来SF6检漏仪器技术的进步,检漏仪不再需要高纯度高压力的氩气、不再内置镍-63放射源,灵敏度有大幅度的提高,更重要的是不只是能检测气体浓度,更能检测到每秒的泄漏量。因此,笔者通过长期的现场工作,总结出了一套较为完整的GIS设备检漏方法。本文以SF6 GASCHECK P1型SF6气体泄漏定量检测仪为例,进行方法描述。(该设备在定量模式下灵敏度为1×10-7ml/s,搜索模式下灵敏度为5×10-8ml/s。)
(1)观察记录。通过运行人员或检修人员对设备压力的定期记录、气室压力在线检测、气室压力低报警信号及闭锁报警信号,来判断设备的密封情况。出现设备漏气情况及时进行检漏。
(2)漏点判断。对于气室连接、密封盘、波纹管、连接管道少且在室内的GIS设备,可在通风后(特别是检测处于低位的气室时)直接用SF6气体泄漏定量检测仪进行漏点查找。当设备处于室外或是气室连接多时,可以对每个密封点进行包扎,静置一段时间后(根据泄漏情况决定静置时长),逐个探测各腔室,确定漏点大概位置,然后进行漏点查找。由于只需找到泄漏位置,所以对包扎腔的密封性及体积的规则可测量性要求较低,进行简单包扎起到收集气体的作用即可。查找漏点时,若出现时有时无等不稳定情况,可沿空气流动的方向进行逆向寻找,无空气流动时向上方查找。
(3)确定漏量。确定漏点后,对工作现场进行排风,以排除之前泄漏的气体囤积对漏量检测的影响。使用检漏仪定量模式对漏点多次测量取平均值。若有多个漏点,将各平均值相加。
(4)、计算方法。以 表示年漏气量,单位为g/y, 表示年漏气率,计算如下:
(5)
式中: ——单位时间内气体的泄漏量,ml/s;
——气体的分子量,146;
——气体的摩尔体积,室温25℃、标准大气压下为24500ml/mol;
——一年的时间,31.5 X106s。
为了得到年漏气率 ,还需得到气室内最初的气体质量。现场除了断路器气室,绝大部分气室并不标注充气质量。由于气室漏气,检修人员会到现场进行补气,我们可以采用以下方法得到气室内气体质量。
(6)
(7)
(8)
式中: ——补气气瓶内腔体积,L;
——補气气室内腔体积,L;
——补气前气瓶内的气体密度,kg/m3;
——补气后气瓶内的气体密度,kg/m3;
——补气前气室内的气体密度,kg/m3;
——补气后气室内的气体密度,kg/m3;
——补气前后气瓶内气体密度变化值,kg/m3;
——补气前后气室内气体密度变化值,kg/m3。
由于现场工作中常用于加热气瓶的加热装置多自带称重功能,故式(6)可改写为,
(9)
(10)
式中: ——补气前气瓶质量,kg;
——补气后气瓶质量,kg;
所以,年泄漏率 可以表示为,
(11)
有关标准规定年泄漏率小于0.5%,这个标准较宽。根据现场工作经验,可将此标准适当降低两个数量级。检漏工作中,不能单纯的倚照年泄漏率为标准,也要关注单位时间泄漏量。年泄漏率仅能反映泄漏点对气室内设备工作状态的影响,而单位时间泄漏量更能直观反映泄漏点的严重程度。
四、结束语
现场GIS设备的检漏工作较为复杂,漏气点除了持续性漏气还有间歇性漏气情况,除了密封处密封损坏漏气也有可能出现设备外壳砂眼漏气,极难查找。室外GIS设备检漏工作又极易受天气状况的影响。如何更简单快捷地进行检漏寻找漏点,还需在现场工作中不断摸索,同时也要与检测仪器的技术进步相结合。
参考资料:
[1]六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则GB/T 8905-1996
[2]高压开关设备六氟化硫气体密封试验方法GB 11023-89
[3]电气装置安装工程电气设备交接试验标准GB 50150-2006
关键词:GIS设备;检漏方法;年泄漏率計算法
一、GIS设备检漏的必要性
SF6是无色、无味、无毒、化学性质极稳定的不可燃气体,但在电气设备中的电晕、火花、电弧作用下,SF6气体会产生多种有毒、腐蚀性气体及固体分解物。其气体密度(1标准大气压下,25℃时)是6.25kg/m3 (空气是1.166kg/m3),分子量是146.07(空气是28.85)。SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能,其灭弧能力比空气大两个数量级。SF6全封闭组合电器,简称GIS(Gas-Insulated Switchgear),采用SF6气体作为灭弧和绝缘介质。该设备体积小,技术性能优良,可靠性高,抗震能力强。为满足我国经济的快速增长、居民用电和工业用电大幅度增加的需求,以及节约用地、净化环境、确保安全、可靠供电等要求,GIS设备逐步取代了传统的油绝缘变电设备。
GIS设备运行过程中,必须要具有良好的密闭性,不能产生泄漏。原因为:第一,SF6气体在101325Pa、20℃时的密度为6.16kg/m3,此状态下具有优异的绝缘灭弧电气性能,为保证设备安全可靠的运行,必须要有良好的密闭性达到所需的压力状态;第二,设备密封性良好的情况下,外部水蒸气极难向设备内部渗透,所以漏气量越小,设备内SF6气体的含水量增长就越慢。当漏气造成设备内气体压力低至报警压力值时,密度继电器将发出报警信号,低至闭锁压力值时低气压闭锁,从而引起开关拒动,扩大故障范围。因此要求设备SF6泄漏量要小,要具有良好的密闭性。然而,设备时常因生产质量、安装不当以及环境因素等造成设备漏气。GIS设备的漏气率越来越受到GIS厂家和用户的重视,漏气量检测已是GIS设备出厂试验、现场交接试验中非常重要的试验项目之一,因此GIS设备检漏工作变得尤为重要。
通过现场工作中的经验总结,笔者对传统的SF6检漏方法进行了优缺分析,并总结了一套较为系统的检漏方法。
二、传统的GIS设备检漏方法
GIS设备出厂试验、现场工作中采用的传统检漏方法主要分为两类:定性检测,定量检测。
1、定性检测
(1)检漏仪检漏。采用灵敏度不低于1X10-6(体积比)的检漏仪对各气室密封部位、管道接头等处进行检测。探头应沿被测面以25mm/s左右的速度移动,发现的可疑漏点需反复检测,排除环境干扰造成的假象,以确定出真正漏点。另外,现场检漏时要通过投入排气扇、开窗等方式加强通风。[1]
(2)抽真空检漏。将待测气室进行抽真空处理,直至133 X10-6MPa,维持真空泵运转0.5h后停止抽真空,静止0.5h后读取真空度A,5h后读取真空度B。如果B-A值小于133X10-6MPa,则认为密封性良好。[2]此方法适用于设备安装或大修后充气前的定性检漏。
(3)肥皂泡检漏。将调制好的肥皂水涂刷在设备的气室隔断、波纹管连接、管道连接、仪表接头和排气阀门等处,可以较为直观的观察到漏点。该工作通常使用第二种工作票,即不停电工作。此方法存在明显的缺点:一、对于断路器机构箱内部接头处以及隔离开关、接地刀闸构箱内终端电磁阀处等运行设备的检漏很难操作;二、肥皂水为导电液体,如若操作不当滴落或洒在机构箱内端子排、接触器导线接头上,将会引起控制回路短路、设备误动等事故;三、肥皂水也会通过漏点内渗造成设备气室内含水量的升高。
定性检测通常只能判断设备是否漏气,无法确定漏气量,因此主要用于设备的日常维护以及查找漏点。
2、定量检测
《国家电网公司十八项电网重大反事故措施及编制说明》中11.2.3.1条规定:运行中应巡视检查气体密度表,产品年泄漏率应小于0.5%。GB_T_8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》中8.1.3条规定:六氟化硫设备每个隔室的年漏气率不大于1%。因此需要进行定量检测得出相关数据,以判断设备是否合格,计算出具体的漏气程度——年泄漏率的大小。
定量检漏的方法有多种,大体可分为两类:体积计算法(扣罩法、挂瓶法、局部包扎法)和压力降法。分述如下。
(1)体积计算法。以 表示单位时间内的漏气量,单位MPa·m3/s, 表示年漏气率,计算思路如下
(1)
式中: ——泄漏气体的浓度,ppm;
——收集泄漏气体的时间间隔,s;
——封闭罩的体积,m3;
——封闭罩内设备的体积,m3;
——封闭罩内的气体压力,MPa。
(2)
式中: ——待测气室的容积,m3;
——待测设备充装时气体压力,MPa;
——一年的时间,31.5 X106s。
很明显,未知量包含气体浓度 和相应的体积 、 、 。泄漏气体浓度 的测量可采用以下方法。[2]
1)扣罩法。顾名思义,此方法就是将待测设备放到一个密封的罩子(塑料棚、密封房等)里,一段时间(通常为24h)后,用检漏仪检测罩内上、下、左、右、前、后等多点的几组数据,得到平均浓度。
2)挂瓶法。此法对电气设备密封结构有特殊要求,适用于法兰面有双道密封槽,并且两道密封槽之间留有检漏孔的SF6电气设备。通过连接到两道密封槽之间的细管将设备泄漏的SF6气体收集到瓶中。挂瓶一段时间后,取下瓶子并轻晃将内部气体搅匀,用检漏仪测量出瓶内SF6气体的浓度。
3)局部包扎法。局部包扎法是用塑料布将设备所有密封处、可产生漏气处进行包扎,边缘用塑胶带进行密封。经过一段时间后,对包扎腔内的SF6浓度进行测量。 至此,如果得到设备的体积、包扎腔体积等条件后,按式⑴、式⑵即可计算出年泄漏率 。[3]但在实际工作中却存在着各种问题:
1)通常厂家不会提供设备体积;2)扣罩较大,工作现场不易实施;3)挂瓶法对设备类型要求过高,不具普适性;4)包扎腔形状不规则,体积估算误差大;5)临时包扎不能保证密闭性,造成检测精度降低。
(2)压力降法。计算思路如下
(3)
(4)
式中: ——被测气室两次记录时间间隔内的密度变化值;
——第一次记录气室压力时,换算得出的气体密度;
——第二次记录气室压力时,换算得出的气体密度;
——两次记录之间的时间间隔;
——一年的时间。
通过两次记录气室压力值,根据当时环境温度(有些压力表可自动进行温度补偿,不必结合环境温度)由SF6温度压力曲线得到当时气体密度,记录得两次观察时间间隔,即可得到年泄漏率 。[3]此法受压力表精度影响较大,而且大多漏气过程中压力表指示下降极慢,使得两次得到压力值的时间间隔极难界定,一般以月为单位,更加增大了计算误差。SF6温度压力曲线如下图所示。
SF6温度压力曲线
A-F-B-SF6饱和蒸汽压力曲线,其右侧是气态区域,A-F-F’线上方是液体区域,F’-F-B线上方是固态区域;F-SF6的熔点(凝点),参数见图;B-SF6的沸点,即饱和蒸汽压力为一个大气压(0.1MPa)时的温度,参数见图;γ-密度(kg/m3);T-温度(℃);P-压强(MPa)。本图用法:找到压力和温度对应的坐标交点,画出密度曲线,气体温度变化时,压力沿曲线移动;A-F线右侧为气态区,密度曲线与此线的交点即为出现液态时的P、T参数
三、现场GIS设备检漏方法总结
GIS设备使用率逐年提高,设备情况日趋复杂,设备质量参差不齐,传统的检漏方法存在不足,已不能满足现场工作的需求。同时,随着近年来SF6检漏仪器技术的进步,检漏仪不再需要高纯度高压力的氩气、不再内置镍-63放射源,灵敏度有大幅度的提高,更重要的是不只是能检测气体浓度,更能检测到每秒的泄漏量。因此,笔者通过长期的现场工作,总结出了一套较为完整的GIS设备检漏方法。本文以SF6 GASCHECK P1型SF6气体泄漏定量检测仪为例,进行方法描述。(该设备在定量模式下灵敏度为1×10-7ml/s,搜索模式下灵敏度为5×10-8ml/s。)
(1)观察记录。通过运行人员或检修人员对设备压力的定期记录、气室压力在线检测、气室压力低报警信号及闭锁报警信号,来判断设备的密封情况。出现设备漏气情况及时进行检漏。
(2)漏点判断。对于气室连接、密封盘、波纹管、连接管道少且在室内的GIS设备,可在通风后(特别是检测处于低位的气室时)直接用SF6气体泄漏定量检测仪进行漏点查找。当设备处于室外或是气室连接多时,可以对每个密封点进行包扎,静置一段时间后(根据泄漏情况决定静置时长),逐个探测各腔室,确定漏点大概位置,然后进行漏点查找。由于只需找到泄漏位置,所以对包扎腔的密封性及体积的规则可测量性要求较低,进行简单包扎起到收集气体的作用即可。查找漏点时,若出现时有时无等不稳定情况,可沿空气流动的方向进行逆向寻找,无空气流动时向上方查找。
(3)确定漏量。确定漏点后,对工作现场进行排风,以排除之前泄漏的气体囤积对漏量检测的影响。使用检漏仪定量模式对漏点多次测量取平均值。若有多个漏点,将各平均值相加。
(4)、计算方法。以 表示年漏气量,单位为g/y, 表示年漏气率,计算如下:
(5)
式中: ——单位时间内气体的泄漏量,ml/s;
——气体的分子量,146;
——气体的摩尔体积,室温25℃、标准大气压下为24500ml/mol;
——一年的时间,31.5 X106s。
为了得到年漏气率 ,还需得到气室内最初的气体质量。现场除了断路器气室,绝大部分气室并不标注充气质量。由于气室漏气,检修人员会到现场进行补气,我们可以采用以下方法得到气室内气体质量。
(6)
(7)
(8)
式中: ——补气气瓶内腔体积,L;
——補气气室内腔体积,L;
——补气前气瓶内的气体密度,kg/m3;
——补气后气瓶内的气体密度,kg/m3;
——补气前气室内的气体密度,kg/m3;
——补气后气室内的气体密度,kg/m3;
——补气前后气瓶内气体密度变化值,kg/m3;
——补气前后气室内气体密度变化值,kg/m3。
由于现场工作中常用于加热气瓶的加热装置多自带称重功能,故式(6)可改写为,
(9)
(10)
式中: ——补气前气瓶质量,kg;
——补气后气瓶质量,kg;
所以,年泄漏率 可以表示为,
(11)
有关标准规定年泄漏率小于0.5%,这个标准较宽。根据现场工作经验,可将此标准适当降低两个数量级。检漏工作中,不能单纯的倚照年泄漏率为标准,也要关注单位时间泄漏量。年泄漏率仅能反映泄漏点对气室内设备工作状态的影响,而单位时间泄漏量更能直观反映泄漏点的严重程度。
四、结束语
现场GIS设备的检漏工作较为复杂,漏气点除了持续性漏气还有间歇性漏气情况,除了密封处密封损坏漏气也有可能出现设备外壳砂眼漏气,极难查找。室外GIS设备检漏工作又极易受天气状况的影响。如何更简单快捷地进行检漏寻找漏点,还需在现场工作中不断摸索,同时也要与检测仪器的技术进步相结合。
参考资料:
[1]六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则GB/T 8905-1996
[2]高压开关设备六氟化硫气体密封试验方法GB 11023-89
[3]电气装置安装工程电气设备交接试验标准GB 50150-2006