SF6高壓電器設備氣體密度的監測及誤差分析

李海波，祁文治，張建軍

(國網甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

SF6高壓電器設備氣體密度的監測及誤差分析

李海波，祁文治，張建軍

(國網甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

介紹了SF6密度控制器在監測SF6高壓電器設備內部氣體密度的重要性，總結了各種類型SF6密度控制器的結構特點，分析了溫度補償方式、海拔、電氣設備溫升及表計漏油等因素對氣體準確監測產生的影響，并結合產品設計、運行維護提出了相關注意事項。

SF6；高壓電器；氣體密度；監測；誤差分析

0 引言

隨著我國電網建設的不斷加速，SF6高壓電器得到了廣泛的應用，并仍將成為今后高壓和超高壓領域的主導產品和全力開發的方向。作為SF6高壓電器設備的絕緣和滅弧介質，對SF6氣體密度監測的準確性直接影響著設備的工作性能。在生產實際中，由于SF6高壓電器設備密度監測容易受環境、產品設計及運維等方面的影響，普遍存在密度監測不準確的問題，為電網安全運行留下隱患。

1 SF6氣體密度準確監測的重要性

SF6氣體具有良好的電氣絕緣性能和滅弧性能，廣泛用于支柱式SF6斷路器、罐式SF6斷路器、變壓器、互感器、避雷器、電容器、電纜等單一設備中，也用于氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)、插接式開關系統(PASS)等組合電器設備中。SF6氣體被密封在高壓電器中，由于高壓電器的容積不變，在一定溫度下SF6氣體的壓力可以代表SF6氣體的密度(通常以20 ℃時的SF6氣體壓力作為密度標準值)。如果高壓電器設備內部SF6氣體密度確實降低了，就會造成高壓電器耐壓強度降低，直接影響斷路器設備的滅弧性能；同時伴隨氣體泄漏，致使大氣中的水分進入高壓電器內部，導致SF6氣體微水含量超標，進一步影響SF6高壓電器設備的性能。因此，對SF6氣體密度進行準確監測是非常重要的。

2015年，某省電力公司檢修公司所轄110—750 kV SF6高壓電器設備(斷路器、組合電器、電流互感器)共發生各類缺陷189項，其中涉及SF6氣體密度監測缺陷的共計74項，比例高達39.2 %。在SF6氣體密度監測缺陷統計中，氣壓降低但未檢測到漏氣的為61項，比例高達82.4 %；氣壓降低但檢測到漏氣的為6項，比例為8.1 %；監控系統誤發為3項，比例為4.1 %；SF6密度控制器漏油為3項，比例為4.1 %；其他表計零部件損壞缺陷1項，比例為1.3 %。

由此可見，SF6高壓電器設備缺陷總數中密度監測缺陷占很高比例，且絕大多數SF6氣體密度監測缺陷為監測不準確引起，并非設備真正漏氣所致。

2 SF6密度控制器的分類及特點

SF6密度控制器主要用于實時監測和顯示SF6高壓電器設備內SF6氣體的密度，不應受到環境溫度的影響。為了辨別設備內部SF6氣體密度變化是因泄漏還是受環境溫度影響，SF6密度控制器需裝設溫度補償元件。為了保證SF6高壓電器在壓力降低情況下的設備安全，密度控制器設置了電接點，其中安裝在斷路器上的密度控制器設置2對或3對報警和閉鎖觸點，其他設備僅設置1對報警觸點。

按照結構的不同，常用的SF6密度控制器主要分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ型。

2.1 Ⅰ型密度控制器

Ⅰ型密度控制器由2只波紋管、杠桿、微動開關及感溫包組成(見圖1)。波紋管A與斷路器氣室相通，波紋管B與感溫包相通，且在20 ℃時注入額定氣壓的SF6氣體。當斷路器工作在額定氣壓時(20 ℃)，杠桿平衡，微動開關接點常開；當環境溫度變化時，波紋管A，B中的氣壓也等值變化，杠桿平衡，達到溫度補償作用。如果斷路器氣室漏氣，波紋管A中氣壓下降，波紋管收縮，杠桿反時針轉動，微動開關接通，發出告警信號；若未及時補氣，則氣壓繼續下降，直至閉鎖斷路器動作。

圖1 Ⅰ型密度控制器結構示意

Ⅰ型密度控制器在早期SF6斷路器產品中應用較多，需要配置SF6真空壓力表來監視壓力，主要缺點是：因感溫包通常安裝在機構箱內，箱內溫度與斷路器內部SF6溫度通常不相等，尤其在冬季；機構箱內設置加熱器，極易造成密度控制器誤報警。

2.2 Ⅱ型密度控制器

Ⅱ型密度控制器由1只波紋管、1只微動開關及外殼等組成(見圖2)。波紋管A在20 ℃時注入額定氣壓SF6氣體，密度控制器外殼內腔與斷路器氣室相通；當斷路器漏氣時，波紋管A的外部氣壓低于內部，波紋管A伸長而使接點導通發出補氣信號。

圖2 Ⅱ型密度控制器結構示意

Ⅱ型密度控制器也需要配置SF6真空壓力表來監視壓力。為了避免斷路器操作振動帶來的影響，該繼電器也安裝在機構箱中；由于箱內溫度與斷路器內部SF6溫度通常不相等，現場密度控制器產生誤報警的現象較為普遍。

2.3 Ⅲ型密度控制器

Ⅲ型密度控制器將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，主要由壓力檢測彈簧管、溫度補償熱雙金屬片、機芯及扇形齒輪及指針等組成，其結構如圖3所示。密度控制器利用壓力檢測彈簧管感受斷路器SF6氣壓變化，利用膨脹系數不同的溫度補償熱雙金屬片來補償溫度對SF6氣壓的影響。當溫度升高時，壓力檢測彈簧管因管內氣壓上升而有向上位移趨勢，帶動扇形齒輪及指針沿雙箭頭方向運動，而與B點相連的雙金屬片膨脹，推動扇形齒輪及指針沿單箭頭方向運動，2種位移趨勢相互抵消，B點不動，指針指數也不變。

圖3 Ⅲ型密度控制器結構示意

Ⅲ型密度控制器典型產品為WIKA表，其主要優點是控制器將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，氣壓監測直觀、方便，監控精度較高，可直接裝設在斷路器本體上，能較為準確地反應環境溫度及斷路器溫度變化，主要缺點是雙金屬片特性對控制器精度影響較大。

2.4 Ⅳ型密度控制器

Ⅳ型密度控制器也是將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，主要由壓力檢測彈簧管、溫度補償彈簧管、機芯及扇形齒輪、拉桿及指針等組成，如圖4所示。壓力檢測彈簧管與斷路器氣室SF6氣體相通，20 ℃時往溫度補償彈簧管內部注入額定氣壓的SF6氣體，將其作為標準比較氣體。環溫升高時，壓力檢測彈簧管膨脹，因A點固定，使B點有反時針向上轉趨勢，并傳遞給溫度補償彈簧管，經過C點后使扇形板及指針沿雙箭頭方向轉動。此時溫度補償彈簧管也因環溫升高而膨脹，使C點順時針轉動，帶動扇形齒輪、拉桿及指針沿單箭頭方向運動。2種箭頭所示運動趨勢等值反向，最終使指針不動，達到溫度補償作用。

圖4 Ⅳ型密度控制器結構示意

Ⅳ型密度控制器典型產品為國產表計，其主要優點與Ⅲ型密度控制器大致相同，且較Ⅲ型密度控制器而言，該控制器只受2個相同零件、1種材質特性的影響，產品可靠性比較高。

3 SF6密度控制器監測誤差影響因素分析

3.1 溫度補償方式

SF6密度控制器溫度補償有2種方式：全補償和欠補償。

假設斷路器中的SF6氣體無泄漏，在全補償方式下，SF6密度控制器中的感溫元件安裝位置與環境同溫，斷路器本體與感溫元件同時感受到環境溫度的變化，所以斷路器內的氣壓隨環境溫度變化產生的變化被補償元件的逆動趨勢所平衡，密度控制器的指針示數不會發生變化。

在欠補償方式下，SF6密度控制器中的感溫元件安裝位置處的溫度與環境溫度不同，主要原因是感溫元件安裝在機構箱中，冬季加熱裝置投入運行后，感溫元件感受到的溫度變化遠遠小于斷路器感受到的溫度變化，SF6密度控制器對斷路器溫度下降補償能力不足，導致在斷路器無泄漏的情況下指針示數為壓力下降，產生誤報警。舉例分析如下。

對1臺實際無泄漏的斷路器而言，設置操作閉鎖壓力為0.5 MPa。當環境溫度為20 ℃時，實際壓力為0.524 MPa，氣體壓力不報警；當環境溫度為-30 ℃時，機構箱加熱器投入后箱內空氣溫度升高15 ℃。隨著環境溫度變化，由于SF6密度控制器的感溫元件因加熱器的溫度補償實際溫度高于環境溫度，形成欠補償，SF6密度控制器測得壓力為0.488 MPa，產生斷路器實際無泄漏而誤報警，如表1所示。壓力計算如下：

其中：Pt——SF6密度控制器的指示值，MPa；P——SF6實際壓力值(環境溫度下的壓力值)，MPa；P0——環境溫度與20 ℃下的SF6壓力差，MPa。

其中：αt——溫度修正系數，MPa/℃(見表2)；Δt1——環境溫度變化量，℃；Δt2——感溫元件溫度變化量，℃。

經計算可得：Δt1=20-(-30)=50 ℃；Δt2=20-(-15)=35 ℃；P0=αt(Δt1-Δt2)=0.002 4×(50-35)=0.002 4×15=0.036 MPa；Pt=P-P0=0.524-0.036=0.488 MPa。

表1 欠補充導致誤報警

表2 SF6氣壓溫度修正系數αt

3.2 高海拔

SF6密度控制器通過表計相對氣壓來監測產品的SF6氣體密度。由于SF6密度控制器基本在海拔1 000 m以下生產，對SF6高壓電器設備而言，假如在平原地區充入0.50 MPa氣體，當運輸至海拔3 000 m變電站后，表計顯示為0.530 MPa。為了處理好海拔的差異，在平原地區產品相應參數基礎上再增加H×10-5MPa充氣壓力(H為海拔，單位為m)，同時與SF6高壓電器設備配套使用的SF6密度控制器額定值、補氣值及報警值都應做相應的調整。

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器內部充有部分硅油，且在油面上部留有一定的空腔，空腔內部的空氣氣壓與控制器制造廠所在地大氣壓相同，在高海拔地區使用時，將仍會和低海拔地區的壓力相同，這樣會造成監測到SF6相對氣壓偏低。

3.3 溫升

在實際運行中，電氣設備內部導體通過電流會產生溫升，該溫升會引起設備內部氣體溫度升高，從而引起壓力偏差。根據DL/T 728—2000《氣體絕緣金屬封閉開關設備訂貨技術導則》規定，運行人員易接觸的GIS外殼，其溫升不應超過30 K；運行人員易接近、但正常操作時不需接觸的外殼，其溫升不應超過40 K；運行人員不接觸的部位，允許溫升可提高到65 K。根據GB/T 11022—2011《高壓開關設備和控制設備的共用技術要求》規定，裸銅觸頭材料在SF6氣體中的最高溫度為105 ℃，運行溫升為65 K。由此可以看出，環境溫度引起的壓力偏差可以補償，但由于設備運行造成的內部溫升卻不易補償，其影響可能超過環境溫度影響。

3.4 漏油

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器一般采用磁助式接點，接點閉合時，閉合力僅靠觸頭游絲的微小力以及磁助式力；當斷路器分、合閘振動時，接點特別容易發生問題。為了提高其抗振性，在密度控制器中充有防振硅油。在正常運行中，密度控制器的密封問題因而也較為突出，但未引起高度重視，未意識到漏油將會給SF6電氣設備帶來潛在的安全危害。如當密度控制器防振硅油滲漏完后，其阻尼作用將消失，在斷路器分、合閘強烈沖擊后，會出現指針卡死、接點失效及偏差超標等故障。同時，由于無防振硅油，接點易氧化，甚至積有灰塵，接點容易出現接觸不良或不通的情況。2013—2015年期間，該公司共檢測SF6密度繼電器196塊，發現接點不能可靠導通的有6只，約占總數的3.1 %，而這些接點不能可靠導通的原因全部是防振硅油泄漏。

4 SF6氣體密度繼電器設計及運維的注意事項

(1) 為避免因感溫元件安裝位置不當造成的誤報警，在產品設計時應使SF6密度控制器的感溫元件與環境同溫，帶感溫包的應將感溫包安裝于機構箱外；Ⅲ，Ⅳ型密度控制器安裝位置應避免日照的影響，必要時加裝遮光罩。嚴格按照《國家電網公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，密度繼電器應裝設在與斷路器或GIS本體同一運行環境溫度的位置，以保證其報警、閉鎖觸點的正確動作。

(2) 戶外使用的SF6密度控制器容易受到雨水或潮氣影響而發生誤報警，所以產品設計時應嚴格按照《國家電網公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，對戶外安裝的密度繼電器設置防雨罩，且密度繼電器防雨罩應能將表、控制電纜接線盒和充放氣接口一起放入，防止指示表、控制電纜接線盒和充放氣接口進水受潮。

(3) 現場運行的密度控制器，經過一段時間后會出現動作不靈活、觸點接觸不良等現象，因此密度控制器應按要求定期進行校驗。為滿足在運行中可以進行校驗的要求，產品設計時也應嚴格按照《國家電網公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，SF6密度繼電器與開關設備本體之間的連接方式應滿足不拆卸校驗密度繼電器的要求。

(4) SF6高壓電器設備投入運行后，運維人員應定期記錄SF6氣體的壓力和環境溫度?？紤]到設備運行時溫升的影響，在巡視過程中，不但要記錄SF6氣體的壓力和環境溫度，還應注意當時的負荷情況。通過與過去記錄的精確比對，可準確判斷壓力變化是由內部漏氣還是溫升造成的。

(5) 充油型密度控制器在運行中，通氣孔的螺釘要擰松，通過“放氣”使控制器內部與大氣相通，此時充油型密度控制器的使用特性與干式密度控制器一致。在密度控制器內部無壓力時，當控制器溫度低于20 ℃時，指針偏于0以下；當溫度高于20 ℃時，指針偏于0以上；當控制器溫度等于20 ℃時，指針應正好指向0處。

(6) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器防振硅油滲漏時，應加強運行巡視，嚴格避免防振硅油漏完后長期運行，對漏油的密度控制器應盡快安排更換。

(7) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器正常工作時，指針會指示在表盤的綠色區域內。黃色區域為警告區域，當指針指示在該區域時，密度控制器會發出壓力低報警信號，需要及時補氣。紅色區域為閉鎖區域，當指針指示在該區域時，密度控制器會發出壓力低閉鎖信號，此時斷路器設備將禁止操作。同時應注意在給SF6高壓電器設備補氣時密度控制器指針不能超過綠色區域。

5 結束語

SF6密度控制器是監測設備內部氣體密度的重要元件，各種類型的SF6密度控制器結構特點不同。溫度補償方式、海拔、電氣設備溫升及表計漏油都會對SF6密度控制器準確監測產生影響，嚴謹的產品設計、精益的設備運維是設備可靠運行的保證。研制出能夠準確反映SF6高壓電器設備內部氣體真實密度的密度控制器，是今后的研究方向。

1 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．GB/T 22065—2008壓力式六氟化硫氣體密度控制器[S]．北京：中國標準出版社，2008.

2 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．JB/T 10549—2006氣體密度繼電器和密度表通用技術條件[S]．北京：中國標準出版社，2006.

3 國家電網公司．國家電網公司十八項電網重大反事故措施[M]．北京：中國電力出版社，2012.

4 中國人民共和國國家經濟貿易委員會．DL/T 728—2000氣體絕緣金屬封閉開關設備訂貨技術導則[S]．北京：中國標準出版社，2001.

5 中國人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．DL/T 11022—2011高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S].北京：中國標準出版社，2012.

2017-03-18。

李海波(1976—)，男，高級工程師，長期從事高壓開關技術研究工作，email：lhb0943@163.com。

祁文治(1974—)，男，工程師，長期從事變電運維管理工作。

張建軍(1972—)，男，高級工程師，長期從事變電運維安全技術監督管理工作。