SF6繼電器溫度補償方式的現(xiàn)狀分析與探討

林福海，周友武，賈蕗路，稂業(yè)員

（國網(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，每個運維人員抄表的數(shù)據(jù)有偏差，一般的密度表有溫度補償裝置，但目前的產(chǎn)品只有針對設(shè)備額定壓力值進行準(zhǔn)確補償，而對于其它壓力值的溫度補償精確度較差，特別是在壓力值較低、溫度與20℃相差較大時，誤差很大。若遇到?jīng)]有溫度補償功能的密度表時，需要進行人工計算，人工補償?shù)挠嬎愎奖容^復(fù)雜，耗時、耗力。

基于上述狀況，針對變電站里充SF6氣體的電力設(shè)備就地密度表由于溫度補償帶來的數(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、溫度實時傳送至監(jiān)測后臺，按照SF6氣體溫度、壓力、密度之間的狀態(tài)方程，在軟件上對在線數(shù)值進行實時補償?shù)难b置，能對氣體密度在不同溫度下進行不間斷的準(zhǔn)確跟蹤。[1-4]

1　SF6繼電器溫度補償方式的現(xiàn)狀分析

按照補償方法分類，在SF6電氣設(shè)備中，SF6氣體是密封在一個固定不變的容器內(nèi)，沒有發(fā)生漏氣時，其密度是不變的，在實際工程應(yīng)用中，氣體密度都是以其20℃時的絕對壓力值來表示的，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)，其氣體壓力必須進行溫度補償，把其各種溫度下的測量壓力轉(zhuǎn)化為20℃時的壓力，即可得到對應(yīng)的氣體密度。目前氣體密度繼電器的溫度補償方法通常有兩種：雙金屬片補償和標(biāo)準(zhǔn)氣體補償，在電網(wǎng)運行中的密度繼電器基本都是帶溫度補償?shù)模话闶遣捎秒p金屬片補償。[5-7]

1.1　雙金屬片補償

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

圖1　雙金屬片補償?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（溫度補償元件）對變化的溫度和其壓力進行相應(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，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)溫度變化對氣體壓力進行補償，其補償效果的壓力-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償

從上述可知，在被測介質(zhì)SF6氣體壓力的作用下，通過巴登管、雙金屬片、機芯、指針，可把被測的SF6氣體密度值在刻度盤上顯示出來。如果漏氣了，其密度值下降到報警或閉鎖值時，繼電器就會發(fā)出相應(yīng)的報警或閉鎖信號，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雙金屬片，只能精確補償一定范圍內(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償參數(shù)，那么就會出現(xiàn)補償誤差，可從圖2中曲線3和曲線5知道，如果密度值1的溫度補償是零偏差，那么密度值2的溫度補償就必定存在偏差。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償偏差。

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

雙金屬片補償?shù)拿芏壤^電器其溫度補償精度關(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。在實際應(yīng)用中，匹配關(guān)系難以準(zhǔn)確計算，一般通過反復(fù)試驗進行，往往難以實現(xiàn)高精度的溫度補償；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)氣體補償

標(biāo)準(zhǔn)氣體補償?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，一般其壓力測量元件采用波紋管，溫度補償采用密封的標(biāo)準(zhǔn)氣體，其結(jié)構(gòu)由密封氣室、波紋管、信號觸發(fā)機構(gòu)、微動開關(guān)、顯示單元組成。

通常情況下，這種密度繼電器只有一個標(biāo)準(zhǔn)氣室，只能補償相應(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償偏差。

標(biāo)準(zhǔn)氣體補償?shù)拿芏壤^電器其溫度補償精度關(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，容易實現(xiàn)高精度的溫度補償；2）在使用溫度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)氣室的密封性能，因為這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繼電器在線實時溫度補償?shù)奶接?/h2>

2.1　在線實時溫度補償?shù)目尚行?/h3>

在線實時溫度補償裝置可以將電力設(shè)備內(nèi)的SF6氣體溫度、密度實時傳送至監(jiān)控平臺，并根據(jù)實時溫度對密度數(shù)據(jù)進行溫度補償，改變目前人工抄表、補償誤差較大的做法，減小了工作量，并對氣體密度進行了準(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處理器、工控機組成；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處理器，再將溫度及壓力信號處理器連接至工控機進行監(jiān)測，來實現(xiàn)實時溫度補償功能。

圖3　密度繼電器在線實時溫度補償裝置

本裝置用于變電站內(nèi)SF6氣體密度的溫度補償，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，同時可以對密度值進行在線補償，并儲存數(shù)值，從而實現(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)測平臺上實現(xiàn)報警和閉鎖的功能。

2.2　在線實時溫度補償?shù)膶嵤┓绞?/h3>

當(dāng)SF6氣體密度的在線實時溫度補償裝置工作時，將變電站內(nèi)需要監(jiān)測的斷路器、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)場獲得的溫度、壓力信號通過電纜線傳輸給信號處理器，轉(zhuǎn)換成4-20 mA的模擬信號，再將模擬信號接入工控機，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)場測量的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，這樣就實現(xiàn)了SF6氣體密度的精準(zhǔn)監(jiān)測，能更有效地杜絕設(shè)備誤動作。

2.3　在線實時溫度補償?shù)挠幸嫘Ч?/h3>

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

3　結(jié)束語

對目前電力設(shè)備的SF6氣體密度繼電器溫度補償現(xiàn)狀進行了詳細(xì)闡述，提出了用于SF6氣體密度實時溫度補償?shù)难b置，可以對斷路器、互感器或GIS內(nèi)的SF6氣體密度進行實時監(jiān)控，并根據(jù)實時溫度對氣體密度數(shù)據(jù)進行溫度補償，實現(xiàn)了準(zhǔn)確跟蹤，避免設(shè)備誤動造成的非計劃停運，保證設(shè)備的安全可靠運行。