劉 偉， 季嚴(yán)松， 劉子恩， 房 超， 方紅磊， 盧小龍， 朱 捷

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 安徽 合肥 230022; 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192； 3.康姆德潤(rùn)達(dá)(無錫)測(cè)量技術(shù)有限公司， 江蘇 無錫 214028)

0 前言

SF6氣體因其良好的電氣絕緣性能和優(yōu)異的滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于斷路器、封閉式組合電器、封閉式管道母線、互感器、避雷器等中高壓電力設(shè)備。但從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，SF6氣體是一種非常強(qiáng)效的溫室氣體，隨著環(huán)境問題的日益突出，SF6替代介質(zhì)的研究成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)[1,2]。美國(guó)科學(xué)家L.G. Christophorous認(rèn)為，為適應(yīng)環(huán)保的要求，近期比較實(shí)際的解決方案是使用SF6混合絕緣氣體代替純SF6氣體。將SF6氣體與緩沖氣體(N2、CO2等)混合使用，不僅能滿足電氣設(shè)備的需求，而且大大降低了SF6氣體的使用量[3]。此外，使用SF6混合氣體能有效防止帶壓的SF6氣體在低溫環(huán)境中液化從而影響到電力開關(guān)設(shè)備的絕緣性能和開斷容量的問題。

所謂密度，是指某一特定物質(zhì)在特定條件下單位體積的質(zhì)量。SF6氣體絕緣性能與設(shè)備內(nèi)部氣體密度密切相關(guān)，SF6氣體設(shè)備的絕緣和滅弧性能在很大程度上取決于SF6氣體的純度和密度，氣體密度下降會(huì)使SF6氣體絕緣滅弧性能降低，進(jìn)而危害設(shè)備的安全運(yùn)行[4,5]。因此，密度作為SF6氣體的一個(gè)重要物理參數(shù)，對(duì)SF6氣體密度的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，常被作為電氣設(shè)備泄露的重要技術(shù)指標(biāo)。常規(guī)的壓力儀表和壓力開關(guān)不能正確反映氣室是否發(fā)生氣體泄漏，因?yàn)樵跍囟冉档蜁r(shí)，氣壓可能低于限值而發(fā)出誤報(bào)警。為避免這一誤報(bào)警，基于壓力測(cè)量原理的監(jiān)控儀表必須具有溫度補(bǔ)償?shù)哪芰?，即?duì)環(huán)境溫度變化所引起的指示和控制偏差進(jìn)行修正[6,7]。

目前，電氣設(shè)備中主要采用壓力式和參比氣體式這兩種原理的SF6氣體密度繼電器，本文對(duì)基于不同原理的SF6/N2混合絕緣氣體設(shè)備密度繼電器的研制進(jìn)行了分析和討論，并對(duì)SF6/N2混合絕緣氣體密度監(jiān)測(cè)提出了新的思路，提出了具有混合比監(jiān)測(cè)功能的SF6/N2混合絕緣氣體繼電器的研制。

1 壓力式SF6混合氣體密度監(jiān)測(cè)技術(shù)

電氣設(shè)備內(nèi)的絕緣氣體是密封在一個(gè)固定不變的容器內(nèi)的，在20℃時(shí)的額定壓力下，它具有一定的密度值，在設(shè)備運(yùn)行條件下，盡管氣體壓力隨著溫度的變化而變化，但絕緣氣體的密度值始終不變。不同壓力下SF6氣體密度見表1。

表1 20℃時(shí)不同壓力下SF6氣體的密度

圖1是傳統(tǒng)波登管式壓力表改造而來的SF6氣體密度繼電器，采用波登管作為壓力感測(cè)元件，被測(cè)氣體密度變化引起的壓力變化使波登管的末端產(chǎn)生形變位移，該位移被雙金屬片在不同溫度下的變形所補(bǔ)償，即溫度補(bǔ)償，經(jīng)機(jī)芯(傳動(dòng)機(jī)構(gòu))放大后，驅(qū)動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，在刻度盤上指示氣體密度(折算至20℃的壓力)。指針上配有撥桿可帶動(dòng)磁助式電接點(diǎn)，當(dāng)氣體密度變化超過限定值時(shí)，指針驅(qū)動(dòng)電接點(diǎn)閉合或斷開，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。假定氣室未發(fā)生泄漏，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，壓力會(huì)隨之升高，波登管末端產(chǎn)生向上的位移；此時(shí)，雙金屬片的結(jié)構(gòu)張角也會(huì)變大，抵消了波登管因?yàn)闇囟壬仙鸬奈灰谱兓?，最終機(jī)芯連接端的位移變化為0。

圖1 壓力式SF6氣體密度 繼電器的結(jié)構(gòu)原理

biand該密度表未安裝使用時(shí)，如果環(huán)境溫度是20℃，指針2指向0 MPa。雙金屬片是按20℃時(shí)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，?dāng)環(huán)境溫度高于20℃時(shí)， 雙金屬片伸長(zhǎng)，其下端將向5的方向發(fā)生位移，帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)和指針向密度( 或壓力) 指示值減小的方向移動(dòng)，指針2的讀數(shù)小于0 MPa；否則，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)， 齒輪機(jī)構(gòu)和指針將向密度( 或壓力)指示值增大的方向移動(dòng)，指針的讀數(shù)大于0 MPa。就是說，這種SF6氣體密度表還沒有使用時(shí)，就已經(jīng)由環(huán)境溫度的變化帶來一定的誤差， 誤差的大小取決于環(huán)境溫度與20℃之間的差值[8-10]。

用SF6混合氣體代替純SF6氣體之后，對(duì)密度表的壓力測(cè)量沒有影響，唯一影響的是溫度補(bǔ)償，即氣體溫度-壓力特性曲線與純SF6氣體不同，同樣的溫差下，雙金屬片需要補(bǔ)償?shù)奈灰瓢l(fā)生改變。

假設(shè)電氣設(shè)備內(nèi)充有一定質(zhì)量m的SF6混合絕緣氣體，設(shè)備體積V不變，假設(shè)氣體不發(fā)生泄漏，混合氣體的質(zhì)量也不會(huì)改變。根據(jù)克拉伯龍方程式推導(dǎo)如下：

根據(jù)阿伏伽德羅定律推論：

已知混合氣體混合比的情況下，可得到SF6混合氣體的平均摩爾質(zhì)量，即，m、R、、V皆為常數(shù)。通過計(jì)算SF6/N2混合氣體在不同溫度下的壓力，可得到SF6混合氣體的溫度壓力特性曲線。

對(duì)于SF6混合氣體密度繼電器雙金屬片的選型，需要根據(jù)混合氣體的組成和比例重新選擇合適的雙金屬片，難度更大。而且，一旦運(yùn)行設(shè)備內(nèi)混合氣體比例發(fā)生改變，混合氣體的T-P曲線也會(huì)隨之發(fā)生改變，雙金屬片的精度也會(huì)隨之降低，影響SF6混合絕緣氣體密度繼電器準(zhǔn)確性。

2 參比氣體式SF6混合氣體密度監(jiān)測(cè)技術(shù)

參比氣體式SF6混合氣體密度繼電器主要由波紋管、微動(dòng)開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)參比氣室等組成。它的工作原理是在波紋管系統(tǒng)構(gòu)成的“參比氣室”內(nèi)預(yù)先充入與被測(cè)氣體組成和壓力相同的標(biāo)準(zhǔn)氣體，作為檢測(cè)的基準(zhǔn)，波紋管外部與被測(cè)氣體連通，通過波紋管內(nèi)外的氣體壓力差變化，反映被測(cè)氣體的密度改變。

圖2 參比氣體式SF6氣體密度繼電器的原理圖

當(dāng)密度繼電器正常工作時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)參比氣室與被測(cè)設(shè)備內(nèi)氣體組成和壓力完全一樣，此時(shí)波紋管處于平衡位置，密度繼電器動(dòng)作元件受力方程可表示為：

Fn-Fw-ΣFt=Fb

(1)

P0Sb-PqSb-ΣFtLt=EbLb

(2)

式中，P0-標(biāo)準(zhǔn)氣室壓力或額定壓力；Sb-波紋管截面積；Fn-波紋管伸長(zhǎng)的內(nèi)壓力，可表示為P0Sb；Pq-被測(cè)氣室內(nèi)壓力；Fw-被測(cè)氣室內(nèi)氣體使波紋管收縮的壓力，可表示為“PqSb”；Ft-微動(dòng)開關(guān)復(fù)位時(shí)的彈力；Lt-微動(dòng)開關(guān)復(fù)位的壓縮長(zhǎng)度；Eb-波紋管的彈性系數(shù)；Lb-波紋管的伸縮長(zhǎng)度；Fb-波紋管的彈力，可表示為EbLb。

由(1)(2)可得：

(3)

式中的P0、Eb、Sb都可視為常數(shù)，ΣFtLt又很小，可忽略不計(jì)。故，Lb的大小取決于Pq與額定壓力之間的壓力差大小，即波紋管的長(zhǎng)度與被測(cè)設(shè)備內(nèi)的壓力Pq具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，若將微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)安裝在與波紋管相對(duì)應(yīng)的適當(dāng)位置上，密度繼電器會(huì)根據(jù)Pq的變化發(fā)出報(bào)警或閉鎖信號(hào)。

對(duì)于運(yùn)行設(shè)備，被測(cè)氣室中SF6混合氣體在額定密度(或壓力)時(shí)的溫度與外界環(huán)境溫度相等時(shí)，波紋管的端部?jī)?nèi)外側(cè)承受的壓力相等，保持在某一平衡位置，使微動(dòng)開關(guān)的電觸點(diǎn)在打開位置；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化，波紋管內(nèi)外SF6混合氣體的壓力同時(shí)發(fā)生變化，作用在波紋管的端部?jī)?nèi)外側(cè)的壓力變化相互抵消，仍然保持在某一平衡位置，微動(dòng)開關(guān)的電觸點(diǎn)仍然在打開位置不變。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)SF6混合氣體發(fā)生泄漏時(shí)，被測(cè)氣室內(nèi)氣體壓力逐漸降低，密度繼電器中標(biāo)準(zhǔn)參比氣體壓力保持恒定不變，此時(shí)密度繼電器內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體壓力高于被測(cè)氣室，在內(nèi)外壓力差的作用下，內(nèi)波紋管的端部向下壓縮。當(dāng)氣體壓力降低到限定值時(shí)，內(nèi)波紋管經(jīng)由頂桿驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)微動(dòng)開關(guān)的第一個(gè)電觸點(diǎn)閉合，密度繼電器發(fā)出補(bǔ)氣報(bào)警；如果設(shè)備繼續(xù)漏氣，被測(cè)氣室與標(biāo)準(zhǔn)參比氣室之間的壓力差繼續(xù)增大，微動(dòng)開關(guān)的所有電觸點(diǎn)將發(fā)生閉合，進(jìn)而發(fā)出閉鎖信號(hào)。

與壓力式密度繼電器相比，參比氣體式SF6混合氣體密度繼電器只需要在“參比氣室”內(nèi)充入與設(shè)備內(nèi)組成和壓力完全相同的標(biāo)準(zhǔn)參比氣體，通過波紋管內(nèi)外的氣體壓力差變化，即可實(shí)現(xiàn)SF6混合氣體密度的監(jiān)測(cè)，不需要對(duì)波紋管等核心元件進(jìn)行調(diào)整，具有更好的適應(yīng)性。需要注意的是，“參比氣室”的結(jié)構(gòu)小巧，灌充SF6/N2混合絕緣氣體氣體時(shí)，控制SF6/N2混合絕緣氣體的比例和壓力具有較大的難度。由于波紋管本身特點(diǎn)的限制，顯示部分無法做到全量程顯示，僅能做到在額定區(qū)域很小范圍內(nèi)的顯示。

3 基于傳感器的參比氣體式SF6混合氣體密度監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于SF6/N2混合絕緣氣體電氣設(shè)備，混合氣體的密度是由壓力和混合比共同決定。當(dāng)設(shè)備發(fā)生泄漏或者過充時(shí)，混合氣體的壓力改變，此時(shí)，原有的密度繼電器可以檢測(cè)到氣體壓力的改變，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)混合氣體比例發(fā)生變化時(shí)，混合氣體的密度也發(fā)生了改變，但總壓力可能維持不變。由于原有的密度繼電器的監(jiān)測(cè)原理是基于壓力差，此時(shí)就無法反映設(shè)備內(nèi)密度的真實(shí)變化。

為解決這一難題，項(xiàng)目組在原有參比氣體式SF6混合氣體密度繼電器基礎(chǔ)上，引入石英傳感器，利用石英音叉?zhèn)鞲衅鳌毫鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鞣謩e測(cè)量混合氣體的密度、壓力和溫度，結(jié)合理想氣體方程和道爾頓氣體分壓定律，即可進(jìn)一步測(cè)算出被測(cè)氣室內(nèi)SF6/N2混合絕緣氣體的混合比。

根據(jù)石英音叉?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)得的密度、壓力和溫度，即可得到混合氣體中六氟化硫的含量，進(jìn)一步得到混合氣體的混合比。

經(jīng)過合理的校準(zhǔn)設(shè)定和補(bǔ)償算法，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的混合比檢測(cè)精度。

4 結(jié)論

本文對(duì)兩種不同檢測(cè)原理的SF6氣體密度繼電器進(jìn)行了比較，并對(duì)他們?cè)赟F6/N2混合絕緣氣體密度監(jiān)測(cè)中的適用性進(jìn)行了探討。對(duì)于混合氣體混合比發(fā)生改變的SF6/N2混合絕緣氣體電氣設(shè)備，亟需開發(fā)新型的能反映混合比變化的SF6/N2混合絕緣氣體密度控制器，作者進(jìn)行了初步分析，后期需要開展更深入的研究。