宋亞凱, 張一茗, 李少華, 張文濤, 高群偉

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

一種混合式SF6氣體密度表的設(shè)計(jì)

宋亞凱, 張一茗, 李少華, 張文濤, 高群偉

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

為滿足智能變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的需求，用于對(duì)設(shè)備SF6氣體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的SF6氣體密度表需具備遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的功能。常用組合式密度表是在傳統(tǒng)機(jī)械式密度表上集成遠(yuǎn)傳模塊，接頭閥塊處加裝壓力、溫度傳感器，漏氣風(fēng)險(xiǎn)增大，且遠(yuǎn)傳系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)相互獨(dú)立，容易出現(xiàn)二者示數(shù)偏差較大的問(wèn)題，導(dǎo)致調(diào)試?yán)щy。提出將機(jī)械表的指針位置信息就地?cái)?shù)字化上傳，可避免因安裝壓力傳感器帶來(lái)的漏氣問(wèn)題，同時(shí)還可以有效解決機(jī)械表與遠(yuǎn)傳表讀數(shù)誤差不一致問(wèn)題。

SF6氣體；在線監(jiān)測(cè)；SF6氣體密度表；智能變電站；電力設(shè)備

0 引 言

高壓電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體密封在體積固定的容器內(nèi)，在20 ℃時(shí)額定壓力下具有一定的密度值，在設(shè)備不漏氣的情況下，氣體壓力隨溫度變化而變化，但密度值始終不變。為了能夠有效監(jiān)測(cè)是否漏氣，將所測(cè)得的實(shí)時(shí)壓力轉(zhuǎn)換為20 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，此轉(zhuǎn)換后的壓力可作為SF6氣體密度，其實(shí)質(zhì)是用20 ℃時(shí)的氣體壓力表示固定容積內(nèi)氣體量的多少。

SF6氣體密度表主要用于高壓電器設(shè)備內(nèi)部SF6氣體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，預(yù)防設(shè)備漏氣故障的發(fā)生，對(duì)設(shè)備工作可靠性有重要影響[1]。

1 現(xiàn)有SF6氣體密度表介紹

現(xiàn)有的SF6氣體密度表有傳統(tǒng)的機(jī)械指針式和遠(yuǎn)傳式以及組合式3種[2]93。

傳統(tǒng)機(jī)械式密度表安裝于被測(cè)設(shè)備上，通過(guò)指針顯示SF6氣體密度[3]。

1-表殼 2-彈性金屬管 3-接頭 4-SF6氣體 5-雙金屬片 6-齒輪指針傳動(dòng)圖1 機(jī)械式密度表結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械式密度表的工作原理如下：

如圖1所示，當(dāng)接頭內(nèi)充入SF6氣體時(shí)，隨著氣體壓力的逐漸增大彈性金屬管的端部向外擴(kuò)張移動(dòng)，帶動(dòng)雙金屬片向上移動(dòng)，帶動(dòng)齒輪指針傳動(dòng)向指示值增大的方向移動(dòng)。以雙金屬片在20 ℃時(shí)的形變量作為參照進(jìn)行溫度補(bǔ)償，當(dāng)環(huán)境溫度高于20 ℃時(shí)，雙金屬片伸長(zhǎng)，其下端帶動(dòng)齒輪指針傳動(dòng)向指示值減小的方向移動(dòng)，當(dāng)環(huán)境溫度低于20 ℃時(shí)，雙金屬片收縮，其下端帶動(dòng)齒輪指針傳動(dòng)向指示值增大的方向移動(dòng)，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

隨著智能變電站的建設(shè)推廣，需要將氣體密度值就地?cái)?shù)字化后遠(yuǎn)程傳輸給電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備氣體狀態(tài)[4]，于是，出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳式密度表,如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)傳式密度表結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)有遠(yuǎn)傳式密度表的原理是：通過(guò)在氣體接頭處安裝壓力傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)氣體的壓力和溫度，并通過(guò)電子電路采集傳感器信號(hào)，轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)，根據(jù)采集到的壓力值和溫度值，通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氣體密度值并通過(guò)通信電路遠(yuǎn)程輸出[5],如圖3所示。

圖3 各類(lèi)密度表安裝結(jié)構(gòu)示意圖

由于遠(yuǎn)傳式密度表主要由電子電路構(gòu)成，與機(jī)械式密度表相比，其工作可靠性有所降低[6]。將機(jī)械式和遠(yuǎn)傳式的功能整合為一體的組合式密度表既能夠保留傳統(tǒng)機(jī)械式密度表較高的可靠性，又便于遠(yuǎn)程讀取數(shù)值，可滿足工程建設(shè)需求。

但是，現(xiàn)有的組合式密度表都需要在接頭閥塊處加裝壓力和溫度傳感器，增大了密度表接口處漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，并且由于機(jī)械表和遠(yuǎn)傳表各自是獨(dú)立的系統(tǒng)，因零部件及安裝調(diào)試工藝的微小差異，容易出現(xiàn)二者示數(shù)和誤差方向不一致的情況，給出廠調(diào)試和工程應(yīng)用帶來(lái)一定的問(wèn)題[2]95。

現(xiàn)有各類(lèi)型密度表的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 現(xiàn)有密度表優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

為了解決上述問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的密度表進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種混合式密度表，通過(guò)檢測(cè)機(jī)械式密度表的指針位置信息，將其就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸出，這樣不需另外加裝壓力傳感器，可有效降低漏氣風(fēng)險(xiǎn)。因遠(yuǎn)傳部分采集的是指針位置信息，可解決機(jī)械指針示值和遠(yuǎn)傳值示數(shù)不一致的問(wèn)題。

2 混合式SF6密度表的結(jié)構(gòu)

1-表殼 2-彈性金屬管 3-接頭 4-SF6氣體 5-雙金屬片 6-齒輪指針傳動(dòng) 7-隨動(dòng)齒輪 8-可調(diào)電阻 9-電路板圖4 混合式密度表結(jié)構(gòu)圖

混合式密度表的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要結(jié)構(gòu)為機(jī)械式密度表，與傳統(tǒng)機(jī)械式密度表不同的是，在齒輪指針傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加裝有一個(gè)用于隨指針轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的隨動(dòng)齒輪，該隨動(dòng)齒輪的動(dòng)力輸出端與用于檢測(cè)指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度的可調(diào)電阻傳動(dòng)連接，可調(diào)電阻的信號(hào)輸出端連接有用于信號(hào)處理并與上位機(jī)通信的電路板。這樣，指針的位置信號(hào)變化可轉(zhuǎn)換為可調(diào)電阻的阻值變化，通過(guò)測(cè)量可調(diào)電阻的阻值變化，可計(jì)算出實(shí)時(shí)的指針位置信號(hào)即密度信號(hào)，這個(gè)換算過(guò)程可通過(guò)公式的推導(dǎo)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 混合式密度表的工作原理

混合式密度表通過(guò)實(shí)時(shí)采集可調(diào)電阻的阻值，利用齒輪(指針)的旋轉(zhuǎn)角度與電阻值變化的關(guān)系計(jì)算出指針位置所對(duì)應(yīng)的密度值。

密度值與所測(cè)電阻的計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程如下：

1)采用線性可調(diào)電阻，電阻變化與旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，阻角比為K，若可調(diào)電阻的電阻值為R，旋轉(zhuǎn)角度為θ，則阻角比為：

K=R/θ

(1)

若主動(dòng)齒輪的齒數(shù)為A1，從動(dòng)齒輪的齒數(shù)為A2，則傳動(dòng)比為：

i=A2/A1

(2)

2)主動(dòng)齒輪(即齒輪指針傳動(dòng)機(jī)構(gòu))與指針同軸安裝，當(dāng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化為Δθ時(shí)，主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化也為Δθ，從動(dòng)齒輪(即隨動(dòng)齒輪)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Δθ2，而Δθ2=Δθ/i，則可調(diào)電阻的電阻值變化：

ΔR=Δθ2×K=Δθ×K/i

(3)

此時(shí)，電阻值為：

R=R0+ΔR=R0+(Δθ×K/i)

(4)

其中R0為初始角度對(duì)應(yīng)的電阻值，則：

Δθ=(R-R0)i/K

(5)

3)若指針(主動(dòng)齒輪/齒輪指針傳動(dòng)機(jī)構(gòu))初始角度(指針指向量程最小值Pmin)為θ0，指針最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度(指針指向量程最大值Pmax)為θ1，則指針的偏轉(zhuǎn)角度為Δθ時(shí)，密度值P的計(jì)算公式如下：

P=Δθ×(Pmax-Pmin)/(θ1-θ0)=

[i(R-R0)×(Pmax-Pmin)]/[K(θ1-θ0)]

(6)

在上述公式中，i、K、R0、θ1、θ0、Pmax、Pmin均是定值，則可以通過(guò)測(cè)量R值，根據(jù)公式(6)計(jì)算出密度值P。

該計(jì)算過(guò)程由相關(guān)遠(yuǎn)傳電路及相應(yīng)的嵌入式程序?qū)崿F(xiàn)。

4 遠(yuǎn)傳電路設(shè)計(jì)

圖5 采集電路結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)傳電路結(jié)構(gòu)如圖

5所示，其硬件電路主要有主控制電路(16位的MCU芯片)、電源電路、電阻信號(hào)采集電路、A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路、RS-485通信電路等組成。工作過(guò)程中，主控芯片控制恒流源(電阻信號(hào)采集電路)發(fā)出恒定電流，恒定的電流流過(guò)可調(diào)電阻、溫度傳感器(pt100鉑電阻)，采集電阻兩端的電壓，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入主控芯片[7]。主控芯片根據(jù)采集到的電壓值，計(jì)算出實(shí)際的電阻值和溫度，并根據(jù)公式(6)計(jì)算出實(shí)時(shí)的密度值。密度值及溫度值通過(guò)RS-485通訊電路發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)密度值、溫度值的遠(yuǎn)程數(shù)字量傳輸。

采集電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在遠(yuǎn)傳電路中，各電子器件的工作特性受周?chē)h(huán)境影響，可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量精確不夠的問(wèn)題[8]，因此，需對(duì)混合式密度表進(jìn)行校準(zhǔn)和試驗(yàn)。

5 混合式密度表的校準(zhǔn)及試驗(yàn)

5.1 校準(zhǔn)

在恒溫20 ℃環(huán)境中，將待測(cè)密度表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表在同一氣源下進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)比二者示數(shù)的誤差，調(diào)節(jié)待測(cè)表的讀數(shù)，使其滿足精度要求[9]。

5.2 溫度試驗(yàn)

圖6 溫度試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

圖7 運(yùn)行于變電站現(xiàn)場(chǎng)的密度表

在密度表的接頭處安裝密封工裝，工裝內(nèi)充特定壓力(以0.6 Mpa 20 ℃環(huán)境為例)的SF6氣體，然后按照?qǐng)D6所示布置試驗(yàn)系統(tǒng)。將密度表與工裝整體放入高低溫箱中，將通信線引出連接至遠(yuǎn)程終端用于讀取遠(yuǎn)傳部分示數(shù)，并在試品附近放入標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。

從高溫到低溫，依次進(jìn)行試驗(yàn)，在特定的溫度點(diǎn)同時(shí)讀取機(jī)械指針和遠(yuǎn)傳讀數(shù)。

如圖7所示,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在全量程范圍內(nèi)，密度值誤差在±0.01 MPa，從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在-40 ℃～+70 ℃的環(huán)境溫度內(nèi)，密度表機(jī)械部分和遠(yuǎn)傳部分的讀數(shù)誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，且二者示數(shù)的偏差也在規(guī)定范圍內(nèi)，均能滿足相關(guān)性能要求。且混合式密度表很好地解決了機(jī)械部分和遠(yuǎn)傳部分示數(shù)偏差不一致的問(wèn)題。

表2 混合式密度表高低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的混合式密度表是在現(xiàn)有的機(jī)械式密度表的基礎(chǔ)上通過(guò)加裝齒輪傳動(dòng)、可調(diào)電阻和遠(yuǎn)傳電路，檢測(cè)指針位置信號(hào)并就地?cái)?shù)字化，在實(shí)現(xiàn)密度值遠(yuǎn)程傳輸功能的同時(shí)也保留了機(jī)械式密度表可靠性高的優(yōu)點(diǎn)的。通過(guò)高低溫試驗(yàn)驗(yàn)證了其在全工作溫度范圍內(nèi)測(cè)量精度滿足工程要求。

混合式密度表從2014年6月開(kāi)始批量投入工程應(yīng)用，在變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了高壓電器設(shè)備的SF6氣體狀態(tài)可靠監(jiān)測(cè)，運(yùn)行效果良好。

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Design of a Hybrid SF6Gas Density Meter

Song Yakai, Zhang Yiming, Li Shaohua, Zhang Wentao, Gao Qunwei

(Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan Henan 467001, China)

In order to meet the needs of on-line monitoring for primary equipment of intelligent substations, the SF6gas density meter used for SF6gas monitoring in the equipment must have the function of remote data transmission. As the common combined density meter integrates a remote transmission module to the traditional mechanical density meter and pressure and temperature sensors are added to the joint valve, leakage risk increases. Furthermore, the mutually independent remote transmission system and mechanical system might easily lead to large difference between their readings, thus making debugging difficult. This paper proposes that the position information of the pointer of the mechanical meter should be uploaded digitally on spot to avoid leakage of additional pressure sensors. The problem of different readings of the mechanical meter and remote transmission meter can also be solved effectively.

SF6gas；on-line monitoring；SF6gas density meter； intelligent substation； electric power equipment

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.028

TM932

A

1000-3886(2017)02-0092-03

宋亞凱(1987-)，男，河南平頂山人，碩士，工程師，主要從事高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及智能控制技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-08-29