林福海，周友武，賈蕗路，稂業(yè)員

（國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌330096）

0　引言

在變電站里，充SF6氣體的斷路器、互感器或氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）通常在就地安裝SF6氣體密度表，通過巡視抄表、記錄現(xiàn)場(chǎng)溫度，從而判斷設(shè)備內(nèi)的氣壓是否正常，這已是一種公認(rèn)的保障設(shè)備介質(zhì)有一定絕緣強(qiáng)度、發(fā)現(xiàn)設(shè)備是否泄漏的有效手段。

目前，SF6氣體密度的巡檢、抄表人為因素較大，每個(gè)運(yùn)維人員抄表的數(shù)據(jù)有偏差，一般的密度表有溫度補(bǔ)償裝置，但目前的產(chǎn)品只有針對(duì)設(shè)備額定壓力值進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，而對(duì)于其它壓力值的溫度補(bǔ)償精確度較差，特別是在壓力值較低、溫度與20℃相差較大時(shí)，誤差很大。若遇到?jīng)]有溫度補(bǔ)償功能的密度表時(shí)，需要進(jìn)行人工計(jì)算，人工補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式比較復(fù)雜，耗時(shí)、耗力。

基于上述狀況，針對(duì)變電站里充SF6氣體的電力設(shè)備就地密度表由于溫度補(bǔ)償帶來的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題，一種將電力設(shè)備內(nèi)的SF6氣體密度、溫度實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)測(cè)后臺(tái)，按照SF6氣體溫度、壓力、密度之間的狀態(tài)方程，在軟件上對(duì)在線數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)难b置，能對(duì)氣體密度在不同溫度下進(jìn)行不間斷的準(zhǔn)確跟蹤。[1-4]

1　SF6繼電器溫度補(bǔ)償方式的現(xiàn)狀分析

按照補(bǔ)償方法分類，在SF6電氣設(shè)備中，SF6氣體是密封在一個(gè)固定不變的容器內(nèi)，沒有發(fā)生漏氣時(shí)，其密度是不變的，在實(shí)際工程應(yīng)用中，氣體密度都是以其20℃時(shí)的絕對(duì)壓力值來表示的，眾所周知，SF6氣體壓力與其它氣體一樣，也是隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，為了能夠使壓力與密度相關(guān)聯(lián)，其氣體壓力必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，把其各種溫度下的測(cè)量壓力轉(zhuǎn)化為20℃時(shí)的壓力，即可得到對(duì)應(yīng)的氣體密度。目前氣體密度繼電器的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種：雙金屬片補(bǔ)償和標(biāo)準(zhǔn)氣體補(bǔ)償，在電網(wǎng)運(yùn)行中的密度繼電器基本都是帶溫度補(bǔ)償?shù)模话闶遣捎秒p金屬片補(bǔ)償。[5-7]

1.1　雙金屬片補(bǔ)償

雙金屬片補(bǔ)償?shù)拿芏壤^電器一般其壓力測(cè)量元件采用巴登管，溫度補(bǔ)償采用雙金屬片，金屬片相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　雙金屬片補(bǔ)償?shù)拿芏壤^電器結(jié)構(gòu)圖

其主要工作原理是基于彈性感壓元件巴登管，利用雙金屬片（溫度補(bǔ)償元件）對(duì)變化的溫度和其壓力進(jìn)行相應(yīng)的修正，使之能夠反應(yīng)SF6氣體密度的變化。具體可以參考圖2，SF6氣體在密閉容器中，不漏氣時(shí)，其密度是不變的，但其壓力是隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，其實(shí)際壓力-溫度特性曲線見圖2的曲線1。雙金屬片的作用是依據(jù)溫度變化對(duì)氣體壓力進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償效果的壓力-溫度特性曲線見圖2的曲線2。巴登管和雙金屬片（溫度補(bǔ)償元件）合成的壓力-溫度特性曲線見曲線3，即曲線1和曲線2合成后的壓力-溫度特性曲線就是圖2中的曲線3，曲線3就是密度值1經(jīng)溫度補(bǔ)償后的壓力-溫度曲線，能夠反映氣體的密度值。

圖2　氣態(tài)下密度繼電器雙金屬片溫度補(bǔ)償

從上述可知，在被測(cè)介質(zhì)SF6氣體壓力的作用下，通過巴登管、雙金屬片、機(jī)芯、指針，可把被測(cè)的SF6氣體密度值在刻度盤上顯示出來。如果漏氣了，其密度值下降到報(bào)警或閉鎖值時(shí)，繼電器就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警或閉鎖信號(hào)，監(jiān)視了電氣設(shè)備中的SF6氣體密度，從而確保電氣設(shè)備安全、可靠工作。

通常，密度繼電器只有一個(gè)雙金屬片，只能精確補(bǔ)償一定范圍內(nèi)的氣體密度值。由于不同密度值的壓力-溫度曲線不同，如果在不同密度值下采用同一的補(bǔ)償參數(shù)，那么就會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償誤差，可從圖2中曲線3和曲線5知道，如果密度值1的溫度補(bǔ)償是零偏差，那么密度值2的溫度補(bǔ)償就必定存在偏差。而密度繼電器一般使用范圍為額定壓力至閉鎖壓力之間，所以在額定壓力以外必然存在溫度補(bǔ)償偏差。

當(dāng)被測(cè)設(shè)備內(nèi)發(fā)生氣體泄漏時(shí)，會(huì)造成密度下降，由于在不同密度下的溫度補(bǔ)償參數(shù)是不同的，而雙金屬片補(bǔ)償元件依舊按照原來的溫補(bǔ)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而引起補(bǔ)償誤差，導(dǎo)致密度繼電器示值與設(shè)備內(nèi)的實(shí)際密度不同，當(dāng)實(shí)際值小于示值時(shí)，可能出現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備的絕緣已被擊穿，而密度繼電器還沒有報(bào)警的情況，進(jìn)而對(duì)運(yùn)行設(shè)備有較大危害，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

雙金屬片補(bǔ)償?shù)拿芏壤^電器其溫度補(bǔ)償精度關(guān)鍵因數(shù)在于：1）在特定參數(shù)下，根據(jù)其壓力-溫度特性關(guān)系，雙金屬片與巴登管的匹配度。在實(shí)際應(yīng)用中，匹配關(guān)系難以準(zhǔn)確計(jì)算，一般通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行，往往難以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償；2）在使用溫度范圍內(nèi)，巴登管的管端位移與所承受壓力之間的線性關(guān)系，必須選用性能優(yōu)良的巴登管；3）在使用溫度范圍內(nèi)，雙金屬片的端部位移與溫度之間的的線性關(guān)系，必須選用性能優(yōu)良的雙金屬片。

1.2　標(biāo)準(zhǔn)氣體補(bǔ)償

標(biāo)準(zhǔn)氣體補(bǔ)償?shù)拿芏壤^電器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備體積較大，所以在電力行業(yè)里應(yīng)用較少，一般其壓力測(cè)量元件采用波紋管，溫度補(bǔ)償采用密封的標(biāo)準(zhǔn)氣體，其結(jié)構(gòu)由密封氣室、波紋管、信號(hào)觸發(fā)機(jī)構(gòu)、微動(dòng)開關(guān)、顯示單元組成。

通常情況下，這種密度繼電器只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣室，只能補(bǔ)償相應(yīng)壓力下的氣體密度值，而密度繼電器一般使用范圍為額定壓力至閉鎖壓力之間，所以必然存在溫度補(bǔ)償偏差。

標(biāo)準(zhǔn)氣體補(bǔ)償?shù)拿芏壤^電器其溫度補(bǔ)償精度關(guān)鍵因數(shù)在于：1）標(biāo)準(zhǔn)氣室的充氣壓力精確度，只要準(zhǔn)確充氣，容易實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償；2）在使用溫度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)氣室的密封性能，因?yàn)檫@種類型的密度繼電器，工藝復(fù)雜，焊接工序多；3）在使用溫度范圍內(nèi)，波紋管的性能；4）在使用溫度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)氣室的氣體壓力不能液化。

2　SF6繼電器在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)奶接?/h2>

2.1　在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)目尚行?/h3>

在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償裝置可以將電力設(shè)備內(nèi)的SF6氣體溫度、密度實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控平臺(tái)，并根據(jù)實(shí)時(shí)溫度對(duì)密度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，改變目前人工抄表、補(bǔ)償誤差較大的做法，減小了工作量，并對(duì)氣體密度進(jìn)行了準(zhǔn)確跟蹤。

本裝置解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種變電站內(nèi)SF6氣體密度的溫度補(bǔ)償裝置如圖3所示，該裝置由以SF6氣體為介質(zhì)的設(shè)備、氣體取樣接頭及閥門、SF6氣體溫度傳感器、SF6氣體壓力傳感器、SF6氣體溫度及壓力信號(hào)處理器、工控機(jī)組成；以SF6氣體為介質(zhì)的設(shè)備的輸出端口接氣體取樣接頭及閥門，閥門后接SF6氣體溫度傳感器，溫度傳感器的輸出端口連接SF6氣體壓力傳感器，溫度傳感器、壓力傳感器的輸出端口通過電纜連接溫度和壓力信號(hào)處理器，再將溫度及壓力信號(hào)處理器連接至工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償功能。

圖3　密度繼電器在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償裝置

本裝置用于變電站內(nèi)SF6氣體密度的溫度補(bǔ)償，可以在變電站內(nèi)以SF6氣體為絕緣介質(zhì)的斷路器、互感器、GIS設(shè)備上開展SF6氣體溫度、密度值的監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以對(duì)密度值進(jìn)行在線補(bǔ)償，并儲(chǔ)存數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)氣體密度值的精準(zhǔn)顯示，觀察氣體密度的變化情況，并在監(jiān)測(cè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)報(bào)警和閉鎖的功能。

2.2　在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)施方式

當(dāng)SF6氣體密度的在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償裝置工作時(shí)，將變電站內(nèi)需要監(jiān)測(cè)的斷路器、互感器或GIS設(shè)備內(nèi)的SF6氣體，通過取樣閥門和接頭，用銅管接入SF6氣體溫度傳感器，再將氣體串聯(lián)接入壓力傳感器，現(xiàn)場(chǎng)獲得的溫度、壓力信號(hào)通過電纜線傳輸給信號(hào)處理器，轉(zhuǎn)換成4-20 mA的模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)接入工控機(jī)，分別換算出SF6溫度、壓力值，代入SF6氣體溫度、密度、壓力之間的狀態(tài)方程，即貝蒂—布里奇曼方程：

式（1）中：P為氣體絕對(duì)壓力，bar；R為常數(shù)；T為溫度，K；ρ為密度，kg/m3；A、B均為與密度ρ相關(guān)的變量。利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的SF6溫度、壓力值，可以求出唯一的氣體密度值，即為電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求20℃下的換算值，這樣就實(shí)現(xiàn)了SF6氣體密度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，能更有效地杜絕設(shè)備誤動(dòng)作。

2.3　在線實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)挠幸嫘Ч?/h3>

設(shè)置SF6氣體密度的溫度補(bǔ)償裝置，改變目前人工抄表、人工補(bǔ)償誤差較大的做法，大大減小了工作量，并對(duì)氣體密度進(jìn)行了準(zhǔn)確跟蹤，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)。

3　結(jié)束語

對(duì)目前電力設(shè)備的SF6氣體密度繼電器溫度補(bǔ)償現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了用于SF6氣體密度實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)难b置，可以對(duì)斷路器、互感器或GIS內(nèi)的SF6氣體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)時(shí)溫度對(duì)氣體密度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確跟蹤，避免設(shè)備誤動(dòng)造成的非計(jì)劃停運(yùn)，保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。