Методы проникающих веществ
УДК 620.165.29
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ГАЗОПЛОТНОСТИ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА ИЗОЛЯТОРОВ В КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕГАЗОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ, АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ПРОНИКНОВЕНИЯ ГАЗОВ В МАТЕРИАЛЕ, ОТРАБОТКА МЕТОДИКИ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПРОНИЦАЕМОСТИ
В. С. Морозов, Е. М. Кожевников
Приводится обоснование нового метода контроля газоплотности основного материала изоляторов элегазовых выключателей. Аналитически рассмотрена и экспериментально исследована закономерность проникновения газов в пористых материалах.
В настоящее время в энергетике находят все большее применение высоковольтные элегазовые выключатели, где в качестве дугогасящей среды используется элегаз (8Р6). Такие выключатели после монтажа у заказчика заправляются элегазом при избыточном давлении 0,4 МПа. Срок службы выключателей в условиях воздействия климатических факторов окружающей среды более 20 лет. Естественно, при этом важную роль играет герметичность выключателя, а так как основную часть конструкции выключателя составляют изоляторы, изготовленные в основном из фарфора, особое значение отводится газоплотности этого материала.
Внутренняя и наружная поверхности фарфоровых изоляторов выключателя глазурованные, то есть практически непроницаемые для газов, однако торцевые поверхности изолятора — неглазурованные, обработанные механически. Выключатель (рис. 1,вид А) собирается из нескольких изоляторов (рис. 1, вид А, поз. 3), сборка и герметизация которых осуществляется по торцевым поверхностям. Между изоляторами на торцевых поверхностях устанавливаются резиновые кольцевые уплотнения круглого сечения. Если фарфор негазоплотный, по торцевым поверхностям изолятора выключателя возникают утечки рабочего газа. Схема пути его проникновения из полости выключателя показана на рис. 1 (вид Г). -
Испытания газоплотности материала изоляторов до последнего времени выполняли методом оценки глубины проникновения контрольной окрашенной жидкости по ГОСТ 26093 [1], однако этот метод не имеет чувствительности, достаточной для подтверждения гарантии применения материала со столь жесткими требованиями эксплуатации. В связи с этим предложена методика контроля газоплотности фарфора с более высокой чувствительностью.
Из кусков разбитого фарфорового изолятора вырезались контрольные образцы, внешний вид которых представлен на рис. 1 (вид Д, поз. 15). Диаметр с1 образцов составлял порядка 27—28 мм, а средняя толщина 8 каждого образца была различной от 2 до 4 мм. Ребра образцов покрывались лаком, с целью предотвращения проникновения контрольного газа в окружающую среду. Образец устанавливался в приспособление в виде двух фланцев между двух кольцевых резиновых уплотнений, как показано на рис. 2.
Приспособление с образцом присоединялось к установке, схема которой представлена на рис. 3. С одной стороны на образец подавался контрольный газ, а при проникновении газа регистрация его потока осуществлялась течеискательной аппаратурой. В качестве контрольного газа применялся гелий и элегаз. В зависимости от этого в схему включался соответствующий течеискатель, масс-спектрометрический для регистрации гелия и плазменный — для элегаза.
в
Рис. 1. Конструктивная схема элегазового выключателя:
вид А — элегазовый выключатель типа ВГТ; вид Б — схема герметичного соединения верхнего фланца с изолятором; вид В — схема вырезки контрольных образцов; вид Г— схема пути диффузионного проникновения элегаза из полости изолятора; вид Д — внешний вид и размеры контрольного образца; / — полюс выключателя; 2 — рама; 3 •— изоляторы; 4 — крышка; 5 — фарфоровый изолятор; 6 — соединение фланца с изолятором на цементной стяжке; 7 — фланец изолятора; 8 — торец изолятора; 9 — образец, перпендикулярный торцу изолятора; 10 — образец, одна сторона которого является торцом изолятора; II — образец, параллельный торцу изолятора; 12 — верхний фланец; 13 — глазурованная поверхность фарфорового изолятора; 14 — резиновые уплотнения; 15 — контрольный образец; 16 —■ лаковое покрытие.
При наличии пористости в фарфоре после подачи контрольного газа на образец газ проникал через материал и течеискателем регистрировалась его утечка. На графике рис. 4 показана зависимость потока проникающего через контрольный образец контрольного газа (гелия) от перепада давления. Характер изменения сигнала течеискателя после подачи давления контрольного газа на образец и сброса давления показан на рис. 5.
к
течеискателю
Подача
контрольного
газа
Рис. 2. Приспособление для установки контрольных образцов: 1 — фланец для соединения с течеискателем; 2 — резиновые уплотнения; 3 — соединение "болт—гайка"; 4 — контрольный образец; 5 — фланец подачи давления контрольного газа.
Характер и физика проникновения газов в пористых материалах, например в неглазурованном фарфоре, требуют аналитического рассмотрения. Если образцы материала не имеют значительных локальных дефектов (сквозных трещин, пор размерами, значительно превышающими
с
и
Рис. 3. Принципиальная схема установки для испытания образцов:
/ — течеискатель; 2 — контрольная течь; 3 — датчик термопарного вакуумметра; 4 — вакуумный насос; 5 — приспособление для установки образцов; б — контрольный образец; 7 — манометр; 8 — редуктор; 9 — баллон с контрольным газом; V ■— вентиль.
размеры микропор собственно пористого материала), а размеры пор в сечении меньше длины свободного пробега молекул газа, то процесс проникновения газа имеет диффузионный характер. Действительно, если проникновение газа в каждой единичной микропоре материала есть молекулярная эффузия, то есть процесс обусловлен тепловым движением молекул газа в направлении градиента давления, то исходя из представления Кнудсена [2]—[4] поток газа проникающего через единичную микропору
где /(. — диаметр и длина /-й микропоры; к — постоянная Больцмана; Т— температура газа, К; т — масса молекулы газа; Ру Р2 — давление газа в начале и конце микропоры.
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 ЛМПа
Рис. 4. Зависимость потока контрольного газа через образцы от перепада давления:
• — контрольный образец из верхней части изолятора; Д — контрольный образец из средней части изолятора.
Для случая истечения в вакуум (Р. = 0)
4i 3 /,. V 2кт
(2)
Суммарный поток газа 22 во множестве микропор N на единице поверхности, нормальной к направлению его движения,
Qz 3V 2nmiiir
(3)
где ^Г —i— = const для каждого исследуемого образца материала; __1 I;
п=\
кТ 2тim
= const для выбранного контрольного газа (т) и температурного
режима испытания (Г).
Поскольку значения /(. пропорциональны толщине исследуемого
N ¿г
образца 5, значение обратно пропорционально 5, поэтому общий
П= 1
удельный поток газа = D-, гДе Р — давление газа на исследуемом
8
образце; D — const.
а, В — показания течеискателя 8
Р = О
J
J_I_I_L
J_I_I I I I I I I_I_I_I_I_L
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 т, мин
Рис. 5. Характер изменения потока проникающего газа через образец после подачи и сброса давления контрольного газа:
--изменение сигнала течеискателя после подачи ((= 0) и сброса 0=12 мин) давления контрольного газа на
образец, QHc = 5,6 ■ ICH м3 Па/с;---изменение фонового сигнала течеискателя аф за время эксперимента.
При стационарном одномерном процессе установившийся молеку-лярно-эффузионный поток газа Q через образец с площадью сечения F
Р dP Q=QZF = D-F = D—F.
о ах
(4)
Здесь D — константа, характеризующая скорость проникновения газа, называемая далее коэффициентом диффузии газа в материале; х — координата сечения по толщине образца.
Размеры сечения микропор dj очень малы: молекулярный процесс течения при давлении Р < 1 МПа поддерживается, если di < 2 ■ ICH м, в то время, как /. > 8 имеет значение порядка 0,005 м, таким образом dt « I. Поэтому после подачи давления на образец стационарный процесс течения, при котором справедливо соотношение (4), устанавливается лишь через определенный промежуток времени.
Рассмотрим случай диффузии газа в неограниченной пористой пластине толщиною 8 в нестационарный период, то есть когда поле парци-
альных давлений диффузно проникающего газа в микропорах изменяется во времени (рис. 6).
Уравнение, описывающее характер изменения поля концентраций при одномерной диффузии,
По условию задачи первоначально давление газа у поверхностей пластины Р = 0. В начальный момент времени г - 0 на левой границе пластины давление газа повышается до значения Р = Р0. На правой границе пластины в течение всего процесса давление газа поддерживается близким к нулевому значению: проникающий газ непрерывно удаляется.
р = 0
Р(X)
дг = 0
Рис. 6. Расчетная схема процесса проникновения газа в пористой пластине.
Решением уравнения (5) при следующих краевых условиях:
г = 0, 0 < х < 5, Р = 0; г > 0, х = 5, Р = Р0-г > 0, х = 0, Р = 0;
можно получить соотношения для описания характера изменения поля давления газа в микропорах материала пластины во времени, а также оценки величины удельного потока проникающего газа. Применив операционный метод решения, получаем
где ейсц = 1 - ег^, а ег€ц -— интеграл ошибок Гаусса, ег^ = =
Величина удельного (через единицу поверхности пластины) потока газа
Дифференцирование соотношения (6) по х дает
Г(2л+1)+:с
'[ 2-Щ .
+
¡"(гл+о-*"12 [ 2^57
(7)
(8)
Тогда выражение для диффузионного удельного потока газа в любом сечении по толщине пластины
Я(х, 0 =
Г(2п+1)+лг" 2 Г(2я+1)-дг 2 '
[ 2^07 1 2^757 (9)
л=0
л=О
Значение удельного потока газа в сечении с координатой х = 0, то есть на правой границе пластины определится соотношением
2Рр£р_ у
(2л+1)5
(10)
Численный анализ соотношения (10) показывает, что при условии г = = 1>56— удельный поток газа принимает значение «0,999-^р-, которое менее чем на 0,1 % отличается от величины стационарного потока
РЛ
а" - .
ч*=° 8
(11)
Поэтому с погрешностью, не превышающей 0,1 %, можно считать,
к*5'
что по истечении времени /ст «1,56— нестационарный период процесса
диффузионного проникновения газа в материале пластины заканчивается и значение удельного потока определяется соотношением (11).
На рис. 7 показана кривая изменения удел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.