SF6 氣體密度繼電器的原理、結構和現場校驗方法

文/楊慶賀（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院）

一、引言

六氟化硫（SF6）是一種強電負性氣體，而電負性氣體分子具有“吸收電子能量”和“使電子附著而消滅電子”這兩個作用，因此SF6氣體具有良好的電氣絕緣性能及優異的滅弧性能。其耐電強度為同一壓力下氮氣的2.5 倍，擊穿電壓是空氣的2.5 倍，滅弧能力是空氣的100 倍，是一種優于空氣介質和油介質的新一代超高壓絕緣介質材料[1]。

SF6氣體作為絕緣介質已經廣泛地應用于高電壓、高參數、大容量的電力設備中，如斷路器、氣體絕緣組合電器（GIS）和電流互感器等。在SF6電氣設備中，對其電氣強度、滅弧性能起決定性作用的因素是SF6氣體的密度，一旦電氣設備中的SF6氣體出現泄漏，密度隨之下降，設備的耐壓強度和斷路器的開斷容量等都會嚴重下降，造成電力系統發生接地或其他絕緣故障[2]。

對于已投入運行的電氣設備，SF6氣體密度繼電器是反映設備內SF6氣體密度的唯一元件，而且隨著使用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質的高壓電氣設備的日益增多和氣體絕緣組合電器的廣泛應用，SF6氣體密度繼電器對于保證運行設備和電力系統的安全運行有重大意義[3]。因此，各級標準中均明確規定，應定期對其進行校驗。現場校驗時，通常直接檢測SF6氣體的壓力和溫度，然后通過狀態換算的方式對繼電器進行校驗。然而實際工作中，部分運行維護人員對SF6密度繼電器的重要性認識不足，對其主要結構、檢測原理及動作性能的檢測方法不太了解，導致繼電器檢測結果不可信，造成繼電器運行時出現誤發報警或閉鎖信號、拒動等惡性事故，嚴重地影響了高壓電氣設備和電力系統的安全運行[4]。

本文從SF6氣體密度繼電器的設計原理和基本結構出發，論述對該繼電器進行現場校驗的一般試驗方法。根據《六氟化硫氣體密度繼電器校驗規程》（DL/T 259-2012）的要求并結合現場校驗經驗[5]，介紹SF6氣體密度繼電器現場校驗時的試驗項目、試驗方法和現場校驗注意事項。

二、SF6 氣體密度繼電器的原理和結構

1.SF6 氣體密度繼電器的原理

SF6氣體密度繼電器是根據理想氣體狀態方程設計的一種帶有溫度補償裝置的壓力監控裝置，按照溫度補償方式的不同，主要分為雙金屬補償型和標準氣補償型。工作時，繼電器通過管路將被監測設備內的氣體壓力折算至20℃時的氣體壓力。當該溫度下壓力降低至某個設計值時，繼電器發出報警和閉鎖信號。一般報警信號的壓力設定值為額定工作壓力的90%～95%，閉鎖信號的壓力設定值為額定工作壓力的80%～90%。

根據理想氣體狀態方程，SF6氣體密度繼電器測量得到的氣體密度公式：

式中，ρ 為氣體密度，P 為氣室內SF6氣體的壓力，V為氣室容積，T 為氣室內SF6氣體的絕緣溫度。對于密閉的壓力容器，V 為固定值；由于對SF6氣體密度繼電器內部采用了溫度補償裝置，其壓力顯示值為換算至20℃的氣體壓力值。在理想狀態即溫度完全被補償時，氣體密度ρ 與壓力P 為正比例關系。因此在現場試驗時，運維人員可以將對SF6氣體密度繼電器壓力的校驗等效為對密度的校驗。

2.SF6 氣體密度繼電器的結構

現場高壓電氣設備使用的SF6氣體密度繼電器主要由表頭（包括表盤和指針）、二次接線端子盒和氣體連接口等部分組成，其主要組成結構和溫度補償原理如圖1所示。為方便運維人員直觀查看繼電器的工作狀態，在繼電器的表盤上的額定壓力值點和報警壓力值點上用圓點進行了標注，在閉鎖壓力值和報警壓力值之間的刻度用黃色填充，在大于報警壓力值和最大壓力之間的刻度用綠色填充，在最小壓力和閉鎖壓力值之間的刻度用紅色填充[6]。

圖1 SF6 密度繼電器的結構和溫度補償示意圖

三、SF6 氣體密度繼電器的現場校驗

1.現場校驗試驗項目

根據電力行業標準《六氟化硫氣體密度繼電器校驗規程》（DL/T 259-2012）的要求，對于新制造并附有出廠檢修合格證及正常使用中的SF6氣體密度繼電器可按例行試驗項目進行校驗[5]。對于使用中的繼電器的校驗周期可參照標準《輸變電設備狀態檢修試驗規程》（DL/T 393-2010）的規定進行校驗，一般校驗周期不超過3 年[7]。例行試驗的試驗項目和合格標準見表1，密度繼電器的指示準確度等級和允許誤差見表2。

表1 密度繼電器例行試驗的試驗項目和合格標準

表2 密度繼電器的指示準確度等級和允許誤差值

2.現場校驗方法

目前，現場對SF6氣體密度繼電器進行例行試驗時多采用專用的SF6密度繼電器校驗儀，其主要原理是利用SF6氣體的狀態方程即Beattie-Bridgman（貝蒂—布里奇曼）方程[5]，如公式（2）所示，輸入測試時的環境溫度和密度繼電器的動作壓力值，計算后得到對應到20℃時的壓力動作值，然后與報警設定值和閉鎖設定值進行比較后，判斷密度繼電器是否合格。

式中，P 為壓力，單位0.1MPa；d為密度，單位kg/m3；T為溫度，單位K。

利用MATLAB 矩陣實驗室，輸入測試時的環境溫度T1和密度繼電器壓力動作值P1后，計算后可得到對應到20℃時的壓力動作值。

根據表1 規定的例行試驗項目，在現場進行校驗時需校驗以下5 項：（1）外觀及零位；（2）示值誤差、回程誤差和輕敲位移；（3）觸點動作值誤差和切換值誤差；（4）絕緣電阻；（5）觸點電阻。其中第1 項由試驗人員目視檢查，第2、第3 兩項使用專用的密度繼電器校驗儀進行測試，第4、第5 兩項使用絕緣電阻表和萬用表進行測試。下面對第2 項和第3 項的現場校驗方法進行說明。

測量時，按照如圖2 所示的接線圖，關閉閥門V1 和閥門V2，將密度繼電器校驗儀出氣端連接至閥門V2，進氣端通過減壓閥連接至SF6氣瓶，打開閥門V2（部分氣體絕緣封閉組合電器設備中V2 為逆止閥，可不操作），按照SF6密度繼電器校驗儀的操作規程對密度繼電器進行觸點動作值和切換值的測量，將儀器歸算到20℃時的壓力動作值與額定動作值進行比較后，判斷密度繼電器是否滿足表2 規定的允許誤差。

3.現場校驗注意事項

由于SF6氣體分解物中含有有毒氣體，且SF6氣體的密度比空氣大，因此在現場進行SF6氣體密度繼電器校驗時，為保證試驗人員的安全和試驗結果的準確性，需要注意以下幾點：由于SF6氣體在電氣設備中經電暈、火花及電弧放電作用，會產生有毒、腐蝕性氣體及固體分解產物，試驗人員應在上風方向操作；對使用中的密度繼電器進行校驗時，相應的電氣設備必須停止運行，并切斷與密度繼電器相連的控制電源，沒有三通閥門或者無法進行在線校驗的密度繼電器，應卸下后進行校驗，拆裝時應注意密度繼電器與設備本體的連接方式，防止漏氣；校驗完畢后，檢查密度繼電器氣體指示值是否恢復至校驗前示值并利用SF6氣體檢漏儀進行漏氣檢測；安裝校驗用接頭時應注意保護好設備與連接管道接頭的密封面，校驗后密封墊圈要裝配正確，必要時可予以更換；校驗時，應避免在環境溫度波動較大的時段進行，校驗儀和密度繼電器不得受陽光直接照射，且無較強熱源影響。

圖2 SF6 氣體密度繼電器現場校驗接線圖

四、結語

SF6氣體密度繼電器可以直觀地反映高壓電氣設備的運行狀態，是最重要的日常監視儀器之一，在現場必須加強對SF6氣體密度繼電器的監視和定期校驗工作。本文論述的SF6氣體密度繼電器的結構、原理、校驗方法和現場校驗注意事項，能夠對各電廠氣體絕緣封閉組合電器的運維人員提供幫助。