СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДОЛИ КОМПОНЕНТА В ГАЗОВОЙ СМЕСИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОММУТАЦИОННАЯ АППАРАТУРА, В КОТОРОЙ РЕАЛИЗУЕТСЯ ЭТОТ СПОСОБ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/00 

Изобретение относится к способу «неинтрузивного» контроля соотношения компонентов в газовой смеси, которая имеет по меньшей мере два компонента и которая находится под давлением, составляющим несколько бар, внутри замкнутого объема.

Более конкретно, изобретение относится к контролю изолирующего газа в высоковольтной электрической коммутационной аппаратуре.

Изолирующим газом, обычно применяемым в такой коммутационной аппаратуре, является гексафторид серы (SF₆, имеющий также название "элегаз").

Из патента США №5693873 известен способ определения плотности изолирующего газа в электрическом приборе вблизи деталей, проводящих электрический ток. Данный способ включает в себя следующие этапы, на которых: а) измеряют реперную температуру (Т_реп) снаружи прибора и вблизи от него; b) измеряют токи, протекающие через фазы этого прибора, которые обозначают как (I_A, I_B, I_C), и определяют подъем температуры (ΔТ) этого газа свыше реперной температуры на основании величин подъема температуры газа в виде функции значений токов и различных реперных температур, причем упомянутые величины подъема температуры были определены заранее путем испытаний или с помощью математической модели; с) вычисляют температуру газа (Т) путем суммирования реперной температуры (Т_реп) и подъема температуры (ΔТ); d) измеряют давление газа (Р) внутри этого прибора; и е) вычисляют плотность ρ на основании уравнений состояния газа ρ=F(T,P), которые даны в виде табулированных данных.

Современные методы борьбы с глобальным потеплением, вызванным так называемым «парниковым эффектом», заключаются в смешивании SF₆ с некоторым другим газом, таким, как азот (N₂), или таким, как фторид углерода (CF₄). Двухкомпонентная смесь этого типа также улучшает рабочую характеристику отключения электрической коммутационной аппаратуры при очень низких температурах (-50°С). Вероятно, что в будущем будет реализована возможность использования смесей, имеющих более двух компонентов.

Соотношение компонентов смеси SF₆/N₂ или SF₆/CF₄ находится приблизительно в диапазоне от 50/50 до 80/20. Чтобы поддержать удовлетворительную отключающую способность электрической коммутационной аппаратуры, которая изолирована газовой смесью типа N₂/SF₆ или CF₄/SF₆, важно, чтобы доля N₂ или CF₄ в газовой смеси оставалась постоянной даже в случае утечки. Различные потери, изменяющие соотношение между двумя компонентами смеси, приводят к утрате работоспособности в контексте отключающей способности.

Изготовителям элегазовой электрической коммутационной аппаратуры также приходится после ее заполнения точно указывать соотношение компонентов смеси для того, в частности, чтобы обеспечить соответствие коммутационной аппаратуры номинальным рабочим условиям.

Известно, что для определения соотношения компонентов или доли одного компонента в двухкомпонентной газовой смеси используют хроматографию или акустические способы. Однако эти способы по-прежнему ограничены в применении, поскольку требуют лабораторных условий и неприменимы к контролю изолирующего газа на месте (in situ), т.е. в электрической коммутационной аппаратуре. Кроме того, эти методы часто являются "интрузивными" (т.е. вмешивающимися), поскольку они требуют отбора пробы или улавливания газовой смеси, что несовместимо с рабочими условиями элегазовой электрической коммутационной аппаратуры.

Таким образом, задача изобретения состоит в том, чтобы разработать решение, являющееся простым, недорогим и неинтрузивным, для точного контроля доли одного компонента относительно другого в газовой смеси, содержащей по меньшей мере два компонента.

Более конкретно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы сделать возможным точный контроль доли N₂ или CF₄ в газовой смеси N₂/SF₆ или CF₄/SF₆, служащей в качестве изолирующего газа для высоковольтной коммутационной аппаратуры.

Способ контроля согласно изобретению предусматривает применение уравнений термодинамики, в частности для определения доли компонента в смеси. Известно, что смесь, которая состоит из по меньшей мере двух компонентов, которые имеют существенно разные молекулярные массы, полностью характеризуется четырьмя величинами: температурой, давлением, плотностью и соотношением компонентов в смеси. Испытания показали, что посредством использования имеющихся в продаже промышленных датчиков для измерения температуры, давления и плотности можно сделать относительно точный вывод о соотношении компонентов в смеси на основании результатов измерений путем вычислений или с помощью справочной таблицы.

Таким образом, в изобретении предложен способ контроля доли компонента в газовой смеси, имеющей по меньшей мере два компонента и содержащейся в корпусе электрической коммутационной аппаратуры, отличающийся тем, что измеряют давление, температуру и плотность газовой смеси посредством датчиков, установленных на упомянутом корпусе, и определяют упомянутую долю путем обработки измеренных значений в блоке обработки данных, обеспечивая таким образом возможность неинтрузивного контроля смеси.

В изобретении также предложена электрическая коммутационная аппаратура, оснащенная корпусом, содержащим смесь по меньшей мере двух диэлектрических газов под давлением, отличающаяся тем, что доли диэлектрических газов в смеси определены путем осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Предпочтительно, газовая смесь состоит из двух компонентов, которыми являются N₂ и SF₆ или CF₄ и SF₆.

Величину, являющуюся плотностью газовой смеси, можно измерять посредством датчика с вибрирующими лопастями. Датчик этого типа имеет две вибрирующие лопасти, одну - в вакууме, а другую - в газовой смеси, и выдает разность частоты вибрации между этими двумя лопастями, причем эта разность связана с плотностью газовой смеси. Плотность газовой смеси также можно получать с помощью измерения диэлектрической проницаемости газовой смеси посредством конденсатора и т.п., что хорошо известно специалистам в данной области техники. Плотность газовой смеси также можно получать с помощью измерения показателя преломления газовой смеси посредством интерферометра или т.п.

Ниже приводится подробное описание способа согласно изобретению со ссылками на чертеж.

Этот чертеж представляет собой весьма условное изображение, на котором показана система для контроля газоизолирующей смеси, содержащей два компонента, например N₂/SF₆, в элегазовом высоковольтном выключателе (прерывателе цепи), а также для непрерывного контроля доли N₂ в этой газовой смеси.

Как показано на чертеже, газонепроницаемый корпус 1, изготовленный посредством плакирования металлом высоковольтного выключателя, заполнен смесью N₂/SF₆ под давлением несколько бар, как правило - в диапазоне от 4-х бар до 8-ми бар. На наружной стенке корпуса 1 установлены датчик 2 давления и датчик 3 плотности.

Датчик 2 давления непрерывно выдает сигнал Р, являющийся показателем абсолютного давления газа в корпусе. Датчик 3 плотности непрерывно выдает сигнал ρ, являющийся показателем плотности газовой смеси, а также сигнал Т, являющийся показателем температуры газовой смеси.

Эти три сигнала посылаются в блок 4 обработки, который выдает в качестве выходного сигнала долю N₂ в смеси или аналогичным образом соотношение компонентов в смеси.

Соотношение компонентов в смеси, т.е. соотношение между парциальными давлениями N₂ и SF₆ в смеси, можно определить, прежде всего путем решения термодинамических уравнений состояния двух компонентов смеси (уравнений Битти и Бриджмена).

Если Р, Т и ρ - переменные, измеряемые датчиками, а Х - определяемая доля компонента N₂ в смеси, то уравнения Битти и Бриджмена для двухкомпонентной смеси дают следующие зависимости:

Р(SF₆)=А1·ρ(SF₆)+А2·[ρ(SF₆)]²+А3·[ρ(SF₆)]³;

ρ(N₂)=A4·ρ(N₂);

Р=X·P(N₂)+(1-Х)·Р(SF₆);

Р=ρ(N₂)+ρ(SF₆),

где

A1, A2, A3 и А4 - хорошо известные функции Т;

Р(SF₆) и P(N₂) - парциальные давления SF₆ и N₂; и

ρ(N₂) и ρ(SF₆) - плотности N₂ и SF₆.

На основании этих уравнений блок 4 обработки данных непрерывно выдает в качестве выходного сигнала долю Х компонента N₂ в смеси.

В качестве варианта, долю N₂ относительно SF₆ в газовой смеси можно определять на основании таблицы данных, составленной заранее при проведении испытаний. Более конкретно, заполняют контрольный объем газовой смесью, соотношение компонентов которой известно. Обеспечивают ступенчатое изменение температуры контрольного объема, например, от -40°С до +60°С. Для каждой ступеньки измеряют температуру, давление и плотность смеси и регистрируют в таблице получаемые три значения в соответствии с соотношением компонентов смеси в таблице. Эти операции повторяют для различных соотношений компонентов смеси. Затем получаемую таблицу данных загружают в память в блоке 4 и сохраняют там с целью определения соотношения компонентов смеси в зависимости от трех измеренных величин, представляющих собой температуру, давление и плотность.

Как указано выше, можно использовать датчик с вибрирующими лопастями, который измеряет физическую величину, являющуюся плотностью газовой смеси. В этом случае температуру можно получить от датчика давления, поскольку современные промышленные датчики для измерения давления выдают как температуру, так и давление контролируемого газа.

Эти замеры можно использовать в блоке 4 обработки данных в форме портативного компьютера (необязательно), устанавливаемого постоянно или временно на корпусе электрической коммутационной аппаратуры. Блок 4 также может быть электронной схемой, имеющей микропроцессор или микроконтроллер и встроенной в аппаратуру, включающую в себя один или несколько датчиков. Эти датчики могут быть физически раздельными или могут быть еще и встроенными в общий многофункциональный измерительный прибор. На чертеже, например, показано, что датчик 3 обеспечивает выполнение как функции измерения температуры, так и функции восприятия плотности.

Когда блок 4 обработки данных является портативным микрокомпьютером, в этом блоке хранят множество таблиц данных вышеуказанного типа, каждая из которых предназначена для соответствующей конкретной газовой смеси. Кроме того, блок 4 можно запрограммировать на реализацию алгоритмов исправления ошибок и внесения поправок на дрейф, задаваемых для датчиков.

Таким образом, способ согласно изобретению можно осуществить с помощью промышленных датчиков, имеющихся в продаже. Такие датчики в общем случае позволяют достичь очень хорошей точности измерений, как правило, лучше 1%, и поэтому ошибка, связанная с соотношением компонентов смеси, может быть менее 1%. С помощью способа согласно изобретению измерения проводят неинтрузивно, т.е. без улавливания какого-либо газа. Этот способ применим в широком диапазоне температур, как правило, от -50°С до +90°С, соответствующем экстремальным рабочим условиям, в которых работает некоторая элегазовая высоковольтная коммутационная аппаратура.

Естественно, что способ согласно изобретению применим для газовых смесей, имеющих два компонента, отличные от N₂/SF₆ или CF₄/SF₆, при условии, что точность датчиков выбрана надлежащим образом в зависимости от разностей молекулярных масс обоих компонентов. Изобретение также применимо к газовой смеси, имеющей более двух разных компонентов.

Использование: для контроля изолирующего газа в высоковольтной электрической коммутационной аппаратуре. Сущность: способ заключается в том, что измеряют давление (Р), температуру (Т) и плотность (ρ) газовой смеси посредством датчиков (2, 3), установленных на упомянутом корпусе (1), и определяют упомянутую долю путем обработки измеренных значений в блоке (4) обработки данных. Электрическая коммутационная аппаратура оснащена корпусом (1), содержащим смесь, по меньшей мере, двух диэлектрических газов под давлением, доли которых определены указанным способом. Технический результат изобретения заключается в возможности неинтрузивного (невмешивающегося) контроля доли компонента в газовой смеси, имеющей, по меньшей мере, два компонента и содержащейся в корпусе под давлением. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля доли компонента в газовой смеси, имеющей, по меньшей мере, два компонента и содержащейся в корпусе электрической коммутационной аппаратуры, отличающийся тем, что измеряют давление (Р), температуру (Т) и плотность (ρ) газовой смеси посредством датчиков (2, 3), установленных на упомянутом корпусе (1), и определяют упомянутую долю путем обработки измеренных значений в блоке (4) обработки данных, обеспечивая таким образом неинтрузивный контроль смеси.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вычисляют долю компонента в смеси с помощью блока (4) обработки данных, который запрограммирован на решение уравнений термодинамического состояния упомянутых компонентов.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют долю компонента в смеси с помощью блока (4) обработки данных, который хранит таблицу данных в памяти, причем упомянутая таблица данных содержит множество данных, являющихся различными значениями долей упомянутого компонента, которые находятся в соответствии с данными различных измерений давления, температуры и плотности газовой смеси, содержащей упомянутый компонент.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что измеряют плотность посредством датчика с вибрирующими лопастями.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что измеряют плотность посредством конденсатора, емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости газовой смеси.6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что измеряют плотность посредством интерферометра.7. Способ по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что блок (4) обработки данных представляет собой микрокомпьютер.8. Способ по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что блок (4) обработки включает в себя микропроцессоры или микроконтроллеры.9. Электрическая коммутационная аппаратура, оснащенная корпусом (1), содержащим смесь, по меньшей мере, двух диэлектрических газов под давлением, отличающаяся тем, что доли диэлектрических газов в смеси определены путем осуществления способа согласно любому из пп.1-8.10. Электрическая коммутационная аппаратура по п.9, отличающаяся тем, что газовая смесь состоит из двух компонентов, которыми являются N₃ и SF₆ или CF₄ и SF₆.