一种测量c4f7n/co2混气密度、混合比的在线监测方法与装置
阅读说明：本技术 一种测量c4f7n/co2混气密度、混合比的在线监测方法与装置 (Measurement C4F7N/CO2Online monitoring method and device for mixed gas density and mixing ratio ) 是由 谢成 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：一种测量C-4F-7N/CO-2混气密度、混合比的在线监测方法与装置,属于高压绝缘技术和气体组分检测领域,如何快速判断气室内的C-4F-7N和CO-2混合气体中是否混有杂质气体的同时避免气室内气体压力不断下降的风险；通过气室内C-4F-7N/CO-2混合气体中CO-2以及C-4F-7N的理论分压,计算气室内气体密度的理论数值；采用定容称重法计算出气室内气体密度的实际数值；比较气室内气体密度的理论数值以及气室内气体密度的实际数值的大小关系,根据气室内C-4F-7N气体分子量大于杂质气体分子量的特性,判断气室内是否含有杂质气体,启动在线监测装置中的回充单元,将在线监测装置内的气体经回充单元回充入气室中；步骤简单,检测成本低,对气体绝缘设备是否正常运行的判断具有重要参考意义。(Measurement C 4 F 7 N/CO 2 An on-line monitoring method and device for the density and mixing ratio of mixed gas, which belongs to the high-voltage insulation technology and gas component detection field and how to quickly judge the C in a gas chamber 4 F 7 N and CO 2 Whether the mixed gas is mixed with the impurity gas or not is avoided, and meanwhile, the risk that the gas pressure in the gas chamber is continuously reduced is avoided; through the air chamber C 4 F 7 N/CO 2 CO in mixed gas 2 And C 4 F 7 N, calculating the theoretical value of the gas density in the gas chamber; calculating the actual numerical value of the gas density in the gas outlet chamber by adopting a constant-volume weighing method; comparing the theoretical value of gas density in the gas chamber with the actual value of gas density in the gas chamber, and calculating the gas density in the gas chamber according to C 4 F 7 The molecular weight of N gas is greater than that of impurity gas, and it is judged that the gas chamber isIf not, starting a recharging unit in the online monitoring device, and recharging the gas in the online monitoring device into the gas chamber through the recharging unit; the method has the advantages of simple steps and low detection cost, and has important reference significance for judging whether the gas insulation equipment normally operates.)
技术领域
本发明属于高压绝缘技术和气体组分检测领域，涉及一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测方法与装置。
背景技术
六氟化硫(SF6)气体作为良好的绝缘和灭弧介质，被广泛用于高电压设备中，然而六氟化硫的全球变暖系数(GWP)是CO2的23900倍。因此，电力行业亟需替代品以减少六氟化硫的使用。全氟异丁腈(C4F7N)与CO2组成的混合绝缘气体，作为电气设备用新型六氟化硫替代气体，已被用于145kV气体绝缘开关设备(GIS)和420kV气体绝缘输电线路(GIL)等电气设备。全氟异丁腈的GWP仅为SF6的10％，液化温度为-4.7℃，与CO2、N2等缓冲气体混合，综合性能可满足设备使用要求，且GWP降至六氟化硫的2％。以此可知，全氟异丁腈气体在电力行业具有广阔的应用前景，建立对全氟异丁腈混合气体的混合比、分解组分等的检测方法极其重要。
C4F7N和CO2混合气体中C4F7N的占比决定了其绝缘性能，而目前C4F7N混合气体绝缘介质已进入应用阶段，因此对混合气体中C4F7N占比准确快速的检测具有重要的工程意义。例如，在对设备维护时，通过判断混合气体的混合比是否发生变化，来分析是否存在漏气等故障，结合C4F7N占比与绝缘性能的关系，作出加强观察、带电补气或停电检修等决策；而在新设备投运时，如果能够准确掌握混合气体混合比信息并做好记录，也可以为今后的维护提供参考。而目前对于C4F7N的混合气体混合比检测并没有一个标准方法。
气体绝缘设备内部不同的故障类型，导致绝缘气体分解路径和分解组分的不同，可以依据不同分解组分来判断设备的故障类型。绝缘气体分解组分种类的检测，也有利于分析绝缘气体分解前后绝缘性能的变化。而C4F7N和CO2混合气体作为一种新型替代介质，相对SF6气体的放电分解研究起步较晚，各种产物的检测装置和方法的研究还未成熟，需要进一步研究。即在研究出C4F7N和CO2混合气体中代表性分解产物前，需对气室内混合气体中是否混有杂质做出预先判断，对在线监测现场运行设备是否发生故障具有重要作用。
现有技术中，公开号为CN110108813A、公开日为2019年8月9日的中国发明专利申请《检测全氟异丁腈和二氧化碳混合气体分解物的装置及方法》公开了一种检测全氟异丁腈和二氧化碳混合气体分解物的装置及方法，包括气体分解模块与气体检测模块，气体分解模块包括交流电源、调压器、变压器、电阻、电容、整流二极管、气压表、封闭腔体、针板电极、气阀、微水发生装置，气体检测装置主要包括气瓶、减压阀、气体纯化器、GC-MC气相色谱质谱联用仪、集气袋、废气回收装置、计算机。放电试验阶段时，封闭腔体内通过微量的水和氧以及比例的全氟异丁腈和二氧化碳混合气体，通过高压电源对腔体的针板电极进行升压，发生电晕放电后，停止升压，并保持此电压12小时；气体检测阶段时，集气袋收集待测气体并打开气相色谱质谱联用仪，将集气袋内的气体注入仪器中检测并对待测气体进行定性定量处理。
上述中国专利申请存在以下缺点：1)该装置及方法检测速度慢，对使用环境要求高，不适合现场在线监测；2)在未确定气室内气体中是否存在杂质或存在哪几类杂质时，该装置及方法既对气室内气体中可能存在的杂质均进行色谱分离、检测，这会对气室内气体不断造成损耗，导致气室内气体压力不断下降，即气体绝缘性能下降。因此，现有技术中色谱检测方法检测速度慢、受外界环境影响大，不适应现场在线监测以及在对气室内C4F7N/CO2混合气体进行检测过程中不断造成气体损耗的问题亟需解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何快速判断气室内的C4F7N和CO2混合气体中是否混有杂质气体的同时避免气室内气体压力不断下降的风险。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测方法，应用于在线监测装置，包括以下步骤：
步骤一、通过气室内C4F7N/CO2混合气体中CO2以及C4F7N的理论分压，计算出气室内气体密度的理论数值ρ3；
步骤二、将在线监测装置抽真空，控制气室向在线监测装置中的定容放气罐(11)进行放气，采用定容称重法计算出气室内气体密度的实际数值ρ4；
步骤三、比较气室内气体密度的理论数值ρ3以及气室内气体密度的实际数值ρ4的大小关系，根据气室内C4F7N气体分子量大于杂质气体分子量的特性，判断气室内是否含有杂质气体，具体如下：
若ρ3＝ρ4，则气室内C4F7N/CO2混合气体中不含有杂质气体；若ρ3＞ρ4，则气室内C4F7N/CO2混合气体中含有杂质气体；
步骤四、启动在线监测装置中的回充单元(16)，将在线监测装置内的气体经回充单元(16)回充入气室中。
通过气室内C4F7N/CO2混合气体中CO2以及C4F7N的理论分压，计算出气室内气体密度的理论数值ρ3；采用定容称重法计算出气室内气体密度的实际数值ρ4；比较气室内气体密度的理论数值ρ3以及气室内气体密度的实际数值ρ4的大小关系，根据气室内C4F7N气体分子量大于杂质气体分子量的特性，判断气室内是否含有杂质气体；两种方法均可计算得出气室内气体密度，步骤简单，所花时间短，成本较低；对气体绝缘设备是否正常运行的判断具有重要参考意义。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的计算出气室内气体密度的理论数值ρ3，具体为：
(1)对气室内C4F7N/CO2混合气体中的CO2气体浓度进行检测，记为c1，用100％减去测得的CO2气体浓度后作为C4F7N/CO2混合气体中的C4F7N气体浓度的占比，记为(1-c1)；
(2)检测得出气室内C4F7N/CO2混合气体的总压和温度，分别记为P1、T1，根据CO2气体以及C4F7N气体浓度的占比分别计算CO2、C4F7N的分压，分别记为P1×c1以及P1×(1-c1)；
(3)根据CO2气体以及C4F7N气体在常温常压下的密度以及气体状态方程 分别计算气室内CO2气体以及C4F7N气体的密度，将两者密度相加得出气室内气体密度的理论数值ρ3。
作为本发明技术方案的进一步改进，计算气室内气体密度的理论数值ρ3的公式为：
其中，ρ1、ρ2分别为CO2、C4F7N气体在常温T0常压P0下的密度。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的在线监测装置，还包括进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、称重单元(12)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)；所述的沿着气路方向进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、回充单元(16)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)依次通过管道串联密封连接；所述的第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出一条气路通过管道密封连接在第八电磁阀(18)与抽真空单元(19)之间；所述的第四电磁阀(10)的一端连接在第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出的气路上，第四电磁阀(10)的另一端与定容放气罐(11)的输入端通过管道密封连接，定容放气罐(11)的输出端通过管道与第五电磁阀(13)的一端密封连接，第五电磁阀(13)的另一端通过管道密封连接在第三电磁阀(9)与第六电磁阀(14)之间；
步骤二中将在线监测装置抽真空具体为：封闭进气口(1)，打开第一电磁阀(2)、第二电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)，启动真空泵(19)，对在线监测装置内部进行抽真空，抽真空完毕后关闭真空泵(19)以及第一电磁阀(2)、第二电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤二中所述的通过定容称重法计算出气室内气体密度的实际数值ρ4，具体为：
对在线监测装置抽真空后，定容放气罐(11)内处于真空状态；通过称重单元(12)对定容放气罐(11)进行称重得出此时质量m1；
关闭第二电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)，打开第四电磁阀(10)，气室内气体流经进气口(1)、第一电磁阀(2)、第四电磁阀(10)进入定容放气罐(11)内；
根据气室初始压力数值P1设定放气压力阈值P2，以防止气室内气体放出过多导致气室内压力下降至报警值发出报警；
若气室往定容放气罐(11)内放气过程中压力传感器(3)检测到气体压力数值一直高于阈值P2，则等气室与定容放气罐(11)之间压力平衡，记录稳定后压力传感器(3)检测到的压力数值P3；
若在放气过程中压力传感器(3)检测到气体压力数值下降接近至P2，则关闭第一电磁阀(2)，等待压力传感器检测到数值稳定下来，记录稳定后压力传感器(3)检测到的压力数值P3；
称重单元(12)再次对放气罐连同其内部气体进行称重得出质量m2，此时定容放气罐(11)内气体质量为(m2-m1)，定容放气罐(11)内的密度ρ′的计算公式为：
根据公式得到：
将公式(3)除以公式(4)得到：
将公式(2)与公式(5)联立得：
其中，ρ4表示放气前气室内气体的密度；M为气体摩尔质量，R为热力学常数，M和R均为常数；V为定容放气罐(11)的体积；P1为气室初始压力数值；P3为放气结束后定容放气罐(11)内压力数值。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤四中所述的将在线监测装置内的气体经回充单元(16)回充入气室中具体为：打开第一电磁阀(2)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、第七电磁阀(18)，启动回充单元(16)，将在线监测装置内气体经回充单元(16)增压后，从进气口(1)回充入气室中。
作为本发明技术方案的进一步改进，包括进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、定容放气罐(11)、称重单元(12)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、回充单元(16)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)；所述的沿着气路方向进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、回充单元(16)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)依次通过管道串联密封连接；所述的第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出一条气路通过管道密封连接在第八电磁阀(18)与抽真空单元(19)之间；所述的第四电磁阀(10)的一端连接在第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出的气路上，第四电磁阀(10)的另一端与定容放气罐(11)的输入端通过管道密封连接，定容放气罐(11)的输出端通过管道与第五电磁阀(13)的一端密封连接，第五电磁阀(13)的另一端通过管道密封连接在第三电磁阀(9)与第六电磁阀(14)之间。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的进气口(1)在不连接气室时能实现自封。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的所述的回充单元(16)为无油压缩机。
本发明的优点在于：
(1)通过气室内C4F7N/CO2混合气体中CO2以及C4F7N的理论分压，计算出气室内气体密度的理论数值ρ3；采用定容称重法计算出气室内气体密度的实际数值ρ4；比较气室内气体密度的理论数值ρ3以及气室内气体密度的实际数值ρ4的大小关系，根据气室内C4F7N气体分子量大于杂质气体分子量的特性，判断气室内是否含有杂质气体；两种方法均可计算得出气室内气体密度，步骤简单，所花时间短，成本较低；对气体绝缘设备是否正常运行的判断具有重要参考意义。
(2)在检测完成后，启动在线监测装置中的回充单元，将在线监测装置内的气体经回充单元回充入气室中，实现气体的无损在线监测，避免气室内气体减少导致绝缘性能下降。
附图说明
图1是一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测方法的流程图；
图2是一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测装置的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测方法的原理如下：
步骤一、先通过红外传感器对气室内C4F7N/CO2混合气体中的CO2气体浓度进行检测，并用100％减去测得的CO2的浓度作为C4F7N/CO2混合气体中的C4F7N所占比；再检测得出气室内气体的总压，根据混合比分别计算CO2、C4F7N的分压；根据CO2、C4F7N在常温常压下的密度以及气体状态方程分别计算气室内两种气体的密度，再将两者密度相加得出气室内气体的密度数值。
步骤二、采用一个已知容积的放气罐，先将放气罐抽真空，再将气室与放气罐连通，气室往放气罐内放气至一定压力，通过压力传感器检测放气过程中气室内气体压力的变化，若压力传感器检测到压力数值未下降至接近报警数值，则等待气室与放气罐之间压力平衡，记录此时的气体压力、温度数值；若压力传感器检测到气体压力有下降至报警数值的危险时，则在气室放气至一定压力时立即停止放气，分别记录此时气室、放气罐内的气体压力数值；对放气罐进气前后分别进行称重，将前后称重得到的质量相减即得到充入放气罐内气体的质量，其质量除以放气罐的容积得出放气罐内气体密度，根据气体状态方程计算得出气室内气体的密度。
步骤三、将步骤一和步骤二得出的气室密度数值进行比较，步骤1中先测出CO2浓度，若剩余的气体为纯C4F7N，则步骤1计算结果无误，其计算结果等同于步骤2的计算结果；若剩余的气体中包含杂质如空气、C4F7N的分解产物等，由于这些杂质的分子量均小于C4F7N的分子量，则得知混有杂质的C4F7N气体的密度小于纯C4F7N气体的密度，即步骤2计算出的气室内实际密度数值小于步骤1计算得出的理论密度数值。
如图2所示，一种测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测装置，包括进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、定容放气罐(11)、称重单元(12)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、回充单元(16)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)；所述的沿着气路方向进气口(1)、第一电磁阀(2)、压力传感器(3)、温度传感器(4)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)、集气罐(15)、回充单元(16)、第七电磁阀(17)、第八电磁阀(18)、抽真空单元(19)、排气口(20)依次通过管道串联密封连接；所述的第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出一条气路通过管道密封连接在第八电磁阀(18)与抽真空单元(19)之间；所述的第四电磁阀(10)的一端连接在第一电磁阀(2)与第二电磁阀(5)之间分出的气路上，第四电磁阀(10)的另一端与定容放气罐(11)的输入端通过管道密封连接，定容放气罐(11)的输出端通过管道与第五电磁阀(13)的一端密封连接，第五电磁阀(13)的另一端通过管道密封连接在第三电磁阀(9)与第六电磁阀(14)之间；所述的进气口(1)在不连接时能实现自封。
所述的测量C4F7N/CO2混气密度、混合比的在线监测装置的工作步骤为：
步骤1、封闭进气口(1)，打开所有电磁阀，启动真空泵(19)，对在线监测装置内部进行抽真空，抽真空完毕后关闭真空泵(19)与所有电磁阀。
步骤2、将在线监测装置的进气口(1)与气室相接，打开第一电磁阀(2)、第二电磁阀(5)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)，气室内气体从进气口(1)进入在线监测装置，流经第一电磁阀(2)、第二电磁阀(5)、减压阀(6)、流量调节阀(7)、红外检测单元(8)、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)进入集气罐(15)；减压阀(6)、流量调节阀(7)控制进入红外检测单元(8)待测气体的压力和流量，给红外检测单元(8)提供一个稳定的检测环境；红外检测单元(8)对待测气体进行检测，测得其混合气体中CO2的浓度c1，即得出C4F7N的占比为(1-c1)。
压力传感器(3)用于检测气室内气体压力P1，温度传感器(4)检测气体温度T1，则C4F7N、CO2的分压分别为P1×c1、P1(1-c1)；即已知CO2、C4F7N在常温T0常压P0下密度为ρ1、ρ2，依据公式则气室内密度ρ3按照式(1)计算：
步骤3、在抽真空后，定容放气罐(11)内处于真空状态，且定容放气罐(11)为内部容积V已知的罐体；通过称重单元(12)对定容放气罐(11)进行称重得出此时质量m1；关闭第二电磁阀5、第三电磁阀(9)、第六电磁阀(14)，打开第四电磁阀10，气室内气体流经进气口(1)、第一电磁阀(2)、第四电磁阀10进入定容放气罐(11)内；根据步骤2中测得的气室初始压力数值P1设定放气压力阈值P2(P2<P1)，以防止气室内气体放出过多导致气室内压力下降至报警值发出报警；若气室往定容放气罐(11)内放气过程中压力传感器(3)检测到气体压力数值一直高于阈值P2，则等气室与定容放气罐(11)之间压力平衡；若在放气过程中压力传感器(3)检测到气体压力数值下降接近至P2，则关闭第一电磁阀(2)，等待压力传感器检测到数值稳定下来，记录稳定后压力传感器(3)检测到的压力数值P3；称重单元(12)再次对放气罐连同其内部气体进行称重得出质量m2，此时定容放气罐(11)内气体质量为(m2-m1)，定容放气罐(11)内的密度ρ′的计算公式为：
根据公式得到：
将公式(3)除以公式(4)得到：
将公式(2)与公式(5)联立得：
其中，ρ4表示放气前气室内气体的密度；M为气体摩尔质量，R为热力学常数，M和R均为常数；V为定容放气罐(11)的体积；P1为气室初始压力数值；P3为放气结束后定容放气罐(11)内压力数值。
步骤4、完成检测后，打开第一电磁阀(2)、第三电磁阀(9)、第四电磁阀(10)、第五电磁阀(13)、第六电磁阀(14)、第七电磁阀(18)，启动回充单元(16)，将在线监测装置内气体经回充单元(16)增压后，从进气口(1)回充入气室中；所述的回充单元(16)为无油压缩机。
步骤5、在步骤2中，通过红外检测单元(8)检测出混合气体中CO2的浓度，若混合气体中剩余的气体均为C4F7N，则ρ3＝ρ4；若混合气体中剩余的气体中除了C4F7N还包含杂质气体，如空气、C4F7N的分解产物等，其杂质的分子量均小于C4F7N，可知对于混合气体中除CO2的剩余气体，纯C4F7N气体的密度比混入杂质的C4F7N气体的密度高，即ρ3>ρ4。
综上，通过上述步骤2、步骤3中所描述的两种方法来计算得出混气的密度数值，并将两种方法得出的密度数值进行比较来确定气室内气体是否混有杂质，在当前不确定气室中混气状态、难以识别杂质种类的情况下对混合气体中是否混有杂质做出判断。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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