高緯度地區六氟化硫密度繼電器校驗技術研究

關艷玲，付麗君，關艷艷，金海全

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司七臺河供電公司，黑龍江 七臺河 154600；3.哈爾濱鐵路集團有限公司綏化工務段，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

黑龍江省冬季氣溫低，在低溫環境下輸變電設備的電氣性能和機械性能都直接受到影響，國內的輸變電設備在出廠和運行中都沒進行過系統的低溫性能試驗，所以在高緯度地區的輸變電設備出現的事故較多，甚至威脅電網安全運行，而現有校驗規程和儀器設備只適用于常溫條件下對六氟化硫密度繼電器進行校驗和評價。近兩年，黑龍江省多個變電站出現六氟化硫斷路器低溫閉鎖情況，現有的技術方法無法對密度繼電器低溫準確性進行判斷，無法確定密度繼電器的檢測值和反饋值是否準確，密度繼電器作為六氟化硫電氣設備重要的在線監測和保護裝置又長時間在低溫下運行，需要定期進行校驗。因此需開展六氟化硫密度繼電器低溫校驗的技術研究，從而確保密度繼電器低溫運行的可靠性和準確性。

1 六氟化硫氣體密度繼電器校驗技術研究現狀

目前六氟化硫氣體密度繼電器校驗技術研究處于初期階段，許多單位所用的六氟化硫氣體密度繼電器校驗儀，只能在常溫狀態下進行檢驗，而不能實現低溫下校驗，特別是在極限低溫狀態下進行校驗，因此不能對六氟化硫氣體密度繼電器進行全面的性能檢驗和綜合判斷。

中國投入電網的開關設備，在設備設計、制造、選型和招投標過程中，尚未有低溫性能試驗數據、指標和國家標準，據了解國產的設備和材料大多沒有進行低溫性能試驗，國外大部分設備也未進行低溫性能試驗，這就使高緯度低溫地區電網在設備選型、設備交接驗收、運行等方面存在嚴重弊端，給低溫運行帶來事故隱患。為解決六氟化硫密度繼電器在嚴寒地區能夠可靠運行的問題,國內外學者和開關制造廠家對此進行了初步的分析研究和試驗。中國對高緯度地區低溫條件下開關設備運行技術的研究相對滯后，對低溫環境下開關設備運維技術的研究和試驗數據甚少，相關試驗研究工作尚處于起步階段。

總體來說，國內六氟化硫密度繼電器校驗設備的生產仍處于發展初期，所生產的產品都自成系列，不具備通用的測試接口和統一的設備標準，在校驗精度和工作可靠性方面并不具備成熟的競爭力，產品自動化程度較低，功能單一，缺乏核心的高端技術，這些因素都限制了六氟化硫密度繼電器校驗設備的應用和進一步發展[1]。國外對六氟化硫氣體密度繼電器的研究和檢測雖然比較早，測試六氟化硫氣體密度技術也已經較為成熟，但對于六氟化硫密度繼電器低溫的補償方法以及密度繼電器的低溫校驗方法亦存在空白。

因此，盡快開發新一代六氟化硫密度繼電器校驗系統，加強產品實用性，提高產品競爭力是國內電力行業的一項重要任務。

2 低溫下壓力和溫度測試研究

2.1 壓力示值誤差測試

采用與壓力標準器比對的方法進行壓力校準。除去零點和最大壓力值，在裝置壓力測量量程范圍內，還需選取4個校驗壓力值，分別為0.000 0 MPa、0.200 0 MPa、0.400 0 MPa、0.600 0 MPa、0.800 0 MPa、1.000 0 MPa。校準時首先進行一個正向行程，然后再進行一個反向行程，將待校驗的裝置與壓力標準器連接好，檢查連接管路是否漏氣，如存在，需重新處理并連接，確定無泄漏之后方可校驗。首先升壓到待校準的壓力點，等待壓力示值穩定后讀取并記錄壓力標準器和被校驗裝置的壓力示值，分別測量各個校準點直至滿量程，然后，再通過降壓方式進行反行程校準，等待壓力示值穩定后讀取并記錄壓力標準器和被校驗裝置的壓力示值。通過測得表1中各個壓力測量點的壓力示值，計算誤差并對被校驗裝置進行壓力校正[2]。

表1 壓力示值誤差的測量Table 1 Measurement of pressure indication error

校驗儀壓力示值誤差按式(1)計算。

(1)

式中：δ為壓力示值誤差，%；pX為第X個校準點校驗儀的壓力示值，MPa ；pXi為第X個校準點的標準器壓力示值，MPa；pFS為校驗儀的量程，MPa。

2.2 溫度測量誤差測試

校驗裝置溫度測量誤差的校準，在溫度測量范圍內選擇6個校準點，分別為-40 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃。

將被校校驗儀的溫度傳感器與溫度標準器同時放置在低溫試驗箱內，降低溫度至校準點，從低溫逐點升溫至各個校準點[3]。在每一校準點測量時，待溫度穩定后，分別讀取并記錄溫度標準器與被校校驗儀顯示的溫度值。通過測得表2中各個溫度測量點的溫度，計算誤差對被校驗裝置進行溫度校正[4]。

表2 溫度誤差的測量Table 2 Measurement of temperature error ℃

溫度誤差=被校校驗裝置示值-標準溫度計示值

2.3 溫度補償誤差測試

當環境溫度為(20±1)℃，對待校驗裝置進行抽真空處理，抽至真空度為當地真空極限的90%以上，再充入純六氟化硫氣體，調壓至校驗裝置量程范圍內的某一點，確認無泄漏后，將校驗裝置放到低溫試驗箱進行溫度補償誤差的校驗，在校驗裝置的工作溫度測量范圍內選擇4個校準點(-20 ℃，-10 ℃，10 ℃，20 ℃)。首先將溫度設置到參考點20 ℃后，穩定2 h甚至更久，讀取并記錄校驗裝置的p20示值，此為p20 標標準值；然后降溫到相應校準點，穩定兩小時甚至更久，分別讀取并記錄校驗裝置的p20示值。

溫度補償誤差按式(2)計算。

(2)

式中：ΔT為當環境溫度不是20 ℃時的溫度補償誤差(以量程的百分數表示)%；p20為六氟化硫氣體密度為定值時，不同的溫度下，校驗設備p20示值，MPa;p20標為六氟化硫氣體密度不變時，當溫度為20 ℃時，校驗設備p20示值，MPa;pFS為校驗設備的量程，MPa。

溫度補償誤差測試結果如表3所示。

3 低溫補償方法的選擇

六氟化硫氣體密度繼電器是一個具有溫度補償功能的壓力控制繼電器，采用溫度為20 ℃時的壓力表示其密度，普通的壓力表，因在密封系統中壓力大小和溫度有直接關系而不能實現密度的監測，所以當溫度偏離20 ℃的情況下需要對其進行補償。這對測量系統的要求很高，既要考慮壓力又要兼顧溫度的影響，因此，依據壓力及溫度的關系曲線，對壓力進行校正，實現監測氣體密度的目的。

在不同的溫度下，需對壓力進行相應的補償，補償方法主要有兩種，即軟件補償法和氣體補償法。氣體補償法與軟件補償法相比較為復雜，而且對壓力調節系統要求極高，測量時間過長[5]。軟件補償法則是利用壓力和溫度的關系曲線對數據進行處理，校準精確度高，其準確度也很高，而且便于操作，對六氟化硫氣體壓力調節控制系統的密封性要求相對較低，能夠有效的縮短校驗時間，軟件補償法能夠適用于高標準的計量要求。

研究采用先進的中控單元、溫度控制單元及封閉的六氟化硫壓力調節控制單元來進行。該方法采集六氟化硫氣體壓力和溫度，將采集的數據傳至中控單元，使用六氟化硫氣體的壓力和溫度之間的關系曲線數學模型，采用測量的軟件補償方法，經過中控單元計算，獲得六氟化硫密度值[6]。根據六氟化硫氣體密度曲線方程，進行計算。算式(3)如下：

p=0.57×10-4ρT(1+B)-ρ2A

A=0.75×10-3(1-0.73×10-3ρ)

B=2.51×10-3ρ(1-0.85×10-3ρ)

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；T為溫度，K；p為絕對壓力，MPa；A、B是由試驗測得的常數，對于不同種類的氣體有不同值。

利用上述關系式，在測量得到溫度和壓力值后，利用能夠準確表示六氟化硫氣體壓力與溫度關系的Beattie&Bridgeman方程[1]，即可得到密度ρ的唯一解，并換算成20 ℃時的標準壓力值，從而完成了壓力、溫度的動態補償，完成了六氟化硫氣體密度繼電器的低溫性能校驗。

4 溫度測量元件的選擇

溫控系統對校驗裝置來說非常重要，其核心技術指標是溫度波動度和溫度偏差，這關系到整個校驗系統的測量準確度。經過大量測溫試驗，選擇鉑電阻溫度傳感器，其具備高精度且穩定性很好，測溫范圍廣，是中低溫區(-200～650 ℃)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。依據綜合技術參數以及性價比，決定采用采集精度相對較高的PT100鉑電阻作為低溫下校驗裝置的溫度傳感器，鉑金易于提純、復制性好，在低溫環境下的物理性質和化學性質穩定，雖然價格較高，但從校驗裝置的要求來衡量，鉑在很大的程度上能滿足上述要求，能滿足六氟化硫氣體密度繼電器參數采集總體要求[7]。

5 結 語

1)通過實驗數據完善純六氟化硫氣體壓力和溫度之間關系的數學模型，建立低溫下氣體溫度-壓力的曲線。

2)通過溫度測量的相關試驗確定溫度測量方法，選擇溫度敏感元件鉑電阻。

3)通過理論分析、經驗總結、結合大量試驗數據計算機仿真以及軟件測量技術手段，提高測試性能，完善工程應用條件。

結合設備檢修計劃，對運行密度繼電器進行低溫校驗，徹底消除目前常溫校驗的局限性，評估密度繼電器準確性和可靠性，確定閉鎖及報警點的示值誤差是否在標準要求范圍內，對異常密度繼電器及時更換。為高緯度地區電網的預防性試驗、交接試驗、密度繼電器選型等工作提供技術支撐，為電網的穩定運行提供有力保障。