具有壓力自動控制功能的SF6氣體密度檢驗裝置

李飛高，李 瑄

(1.河南職業技術學院，鄭州 450046；2.開封技師學院，開封 475000)

0 引言

SF6密度繼電器校驗裝置被廣泛應用于監視SF6開關體內SF6氣體密度的變化，以確定開關操作對電力系統安全性的影響。隨著傳感器和自動化技術的不斷發展，SF6密度繼電器的校驗技術也日趨自動化和智能化，對SF6氣體密度檢驗裝置的基本特性進行分析，提升其自動化水平成為當前的研究熱點[1～3]。

目前，關于SF6氣體密度檢驗裝置已有一些研究基礎。文獻[4]指出現有的SF6電氣設備的在線監測裝置檢測功能的局限性，并說明檢測SF6氣體分解物，對SF6電氣設備內部潛伏性故障進行探究的必要性；文獻[5，6]設計了一種SF6密度繼電器自動校驗儀，該儀器測量全過程自動化，具有溫度補償功能，能將壓力值自動換算到標準狀態下的，具有操作簡便、測量精確度高等優點；文獻[7]提出一種SF6密度繼電器溫濕度監控調節裝置，能夠實時監控SF6密度繼電器內部的溫濕度，當溫度或濕度超過規定范圍時觸發報警，大大節省人工及時間成本；文獻[8]針對傳統氣體密度檢驗存在的工作量巨大、操作復雜的問題，建立了一種非接觸、遠程控制的SF6密度繼電器校驗試驗平臺，極大程度的簡化了工作量，一定程度上也降低了實驗成本；文獻[9]設計了一種基于機器視覺技術的SF6密度繼電器智能化校驗系統，能夠同步開展多臺氣體密度繼電器的校驗，包括：氣體的加壓、排放和回收以及自適應模板匹配。實驗測試結果表明該系統具有高魯棒性、高精度且能夠實現不同旋角的智能化校驗；文獻[10]提出并研制了一種免拆卸校驗的SF6氣體密度繼電器，解決了多場所因存在空間位置不夠而不能加裝校驗裝配接頭的問題，極大的簡化了操作步驟，顯著提升了工作效率，對保障供電設備正常運作具有重要作用；文獻[11]分析了早期手動校驗設備的不足，闡述了基于自動控制壓力的智能SF6密度繼電器校驗儀的特點，并對其核心器件以及軟件流程進行了分析，實驗結果證明該校驗儀具備自動檢定和現場檢定的能力。

上述研究設計出了各種不同的SF6氣體密度自動檢驗裝置，但是鮮有對極端溫度狀態下校驗裝置的檢測性能進行分析，因而無法考量這些裝置是否具有通用性，是否存在設計缺陷。為此，本文對SF6氣體密度檢驗裝置展開研究，對其自動控制的硬件組成架構進行設計，基于氣體狀態方程，推導出SF6氣體壓力與溫度的特性關系，實現不同溫度條件下SF6氣體標準壓力值（20℃）的轉化。最后，在不同壓力值以及溫度條件下對該密度檢驗裝置的測試誤差進行性能測試，以驗證SF6氣體密度檢驗裝置的精準性。

1 SF6氣體密度檢驗裝置

1.1 檢驗裝置的基本組成

如圖1所示，SF6氣體密度檢驗裝置主要由壓力傳感器、溫度傳感器、壓力控制單元、觸點信號采集單元、信號處理以及控制單元等主要部件構成[12，13]。

圖1 SF6氣體密度檢驗裝置基本結構

1）壓力傳感器：為保證SF6氣體壓力測量和控制的精準度，本文采用0.01級準確度級別的壓力傳感器進行測量。當SF6氣體密度檢驗裝置工作時，SF6氣體壓力作用于傳感器測量膜片的表面，使其發生微小形變，膜片上的測量電路將物理變化量轉換成為與之匹配的電氣變化量，基于4～20mA的電流信號進行通訊。

2）溫度傳感器：為保證溫度信號的準確性，本文采用具有AA級鉑電阻溫度計的溫度傳感器進行溫度測量。當SF6氣體密度檢驗裝置工作時，溫度傳感器將測得的溫度信號轉換為電信號，并將其輸送至信號處理控制單元。SF6氣體密度檢驗裝置基于該溫度值，將壓力傳感器測量得到的壓力值換算成標準溫度狀態下的壓力值。

3）壓力控制單元：本文對壓力控制單元采用動態、定速以及靜態控制三種模式。當需要對系統壓力值進行重新設置時，首先采用動態控制方式，壓力值呈現快速上升/下降的狀態；當壓力值接近期望值時，系統采用定速控制方式，壓力值按照設定好的速度定量、緩慢變化；當壓力達到期望值后，氣體密度檢驗裝置切換為靜態控制方式，使系統壓力值能夠維持期望值范圍內，且波動大小不超過最大允許誤差值的一半即可[14]。

4）觸點信號采集單元：主要用于對密度繼電器觸點的狀態進行判斷，若實際壓力值>報警閾值，觸點閉合；若實際壓力值<報警閾值，則觸點斷開。與此同時，觸點信號采集單元應用光耦進行信號隔離處理，將采集到的觸點信號傳輸至信號處理控制單元，其硬件結果示意圖如圖2所示。

圖2 觸點信號采集單元示意圖

5）信號處理和控制單元：該單元的主要作用是將壓力/溫度傳感器采集到的模擬信號轉換為數字信號，并依據此信號對壓力控制、驅動電路等模塊進行控制。其中，壓力信號和溫度信號均是將輸出的電流信號轉化為電壓信號，通過運放處理后再進行AD轉換。本文選擇24位AD芯片以及溫度系數小、穩定性高的REF3230參考源電壓進行采樣。氣體密度檢驗裝置結合壓力信號、溫度信號以及觸點狀態信號對壓力控制單元進行控制，實現SF6氣體各項指標的檢驗。

1.2 SF6氣體密度檢驗裝置的硬件架構

如圖3中所示，為具有壓力自動控制功能的SF6氣體密度檢驗裝置的硬件結構示意圖。本文采用密封性能良好的儲氣缸，調控氣缸、具有耐低溫性的密封圈活塞（活塞的上下方均配備有兩個密封圈，保證活塞在運動時氣缸氣體的密封性）、連接導管、壓力傳感設備以及密度繼電設備等，構建了非開放式的SF6氣體壓力調控系統，以滿足氣體壓力調節的快速性、準確性要求，確保實驗數據的準確性[15]。除此之外，此裝置還具有手動控制功能，通過配備的手動輪帶動調節桿運動，實現對氣體密度的手動調節。

圖3 壓力自動控制的硬件實現

2 SF6氣體密度壓力測算的算法實現

SF6氣體密度檢驗裝置的壓力值測量分成兩部分：首先，是和常見的壓力測量設備一樣的表壓和絕對壓力量值。除此之外，氣體密度檢驗裝置還具備將表壓和絕對壓力量值，基于溫度值轉化為標準溫度狀態下的壓力值，即用于檢驗SF6氣體密度時所應用的量值[16]。

SF6氣體密度檢驗裝置的校準，其需要解決的最關鍵問題是，怎樣實現將SF6氣體在某一溫度值下的表壓或是絕對壓力轉化為在20℃下的表壓或是絕對壓力。

已知，SF6理想氣體狀態方程為：

式中，p是氣體絕對壓力，單位：Pa；ρ是氣體密度，單位：kg/m3；R是氣體常數，在本文中，R=56.2J/(kg·K)；T是氣體的熱力學溫度，單位：K。

由于式(1)的適用條件為：p<0.3MPa，而行業內常用的密度繼電器其絕對壓力p>0.3MPa。因此，采用Beat-tie-Bridgman經驗公式，描述SF6氣體狀態參數之間的特性：

要將SF6氣體在某一溫度值下的表壓或是絕對壓力轉化為在20℃下的表壓或是絕對壓力。首先，計算在該溫度和壓力/絕對壓力下SF6氣體的密度；接著，根據已知的密度和溫度，計算SF6氣體壓力或絕對壓力。

基于式(2)，將A，B代入ρ的計算公式中，以密度ρ作為自變量，展開計算：

將其表示成如下形式：

其中，

對式(4)進行求根計算，首先對其解進行判定，有：

其中，

當Δ=B2-4AC＞0，則有：

當Δ=B2-4AC＜0，則有：

在求解出SF6的氣體密度ρ后，SF6氣體的絕對壓力和溫度成線性關系。進一步地，可以求解出在20℃下，SF6氣體壓力值。需要說明的是，式(1)、式(2)中T為熱力學溫度，溫度傳感器檢測得到的溫度必須經過如式(10)所示的換算才能使用；同理，壓力表檢測得到的壓力值也必須經過式(11)所示的換算才能代入式(1)、式(2)使用。

式中，t是攝氏溫度，單位：℃；pc是壓力表示值，單位：Pa；pN為大氣壓力值，用絕對壓力表示，單位：Pa。

3 實驗及結果分析

本節對SF6氣體密度檢驗裝置輸出的標準示值準確性進行校準試驗，為了驗證本文所設計的氣體密度校驗裝置性能，對其進行壓力示值誤差、溫度測量誤差、濕度補償誤差的測試[16]。在試驗過程中，采用了一臺0.01級的數字壓力控制器以及一臺一等標準的電阻溫度計作為標準儀器設備。

3.1 壓力示值誤差測試

本文應用數字壓力控制器對SF6氣體密度檢驗裝置的壓力示值誤差情況進行測試，選擇6個不同的壓力示值進行測試，包括0刻度壓力值以及滿量程刻度壓力值。首先，從0刻度壓力值開始，依次控制檢驗裝置調節氣缸壓力至待測試值，待壓力穩定后，分別讀取被校驗裝置以及標準裝置的壓力示值，并逐步升壓直到最后一個測試點（滿量程刻度壓力值）；然后，從滿量程刻度壓力值開始，依次控制檢驗裝置調節氣缸壓力至待測試值，待壓力穩定后，分別讀取被校驗裝置以及標準裝置的壓力示值，并逐步降壓直到最后一個測試點（0刻度壓力值），記錄升壓降壓過程中每個測試點的數據。按照式(12)計算檢驗裝置的壓力示值誤差δ(%)，結果列于表1中。

式中，pi(MPa)為第i個測試點檢驗裝置的壓力示值；p0i(MPa)為第i個測試點標準裝置的壓力示值，pFS(MPa)為檢驗裝置的量程。

從圖4的壓力值測試結果來看，無論是正向升壓的壓力值誤差檢測結果，還是反向降壓的壓力值誤差檢測結果，誤差率均小于1%，能夠滿足對SF6氣體密度壓力值的測試要求。

圖4 校驗裝置的壓力測試結果

3.2 溫度測量誤差測試

本文應用高低溫試驗箱對SF6氣體密度檢驗裝置的溫度測量誤差進行測試，設置-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃共6個不同的溫度測量點。首先，從-40℃溫度值開始，依次設置高低溫試驗箱溫度為待測試值，待溫度穩定后，分別讀取被校驗裝置以及標準裝置的溫度示值，并逐步升溫直到最后一個測試點（60℃）；然后，從60℃溫度值開始，依次設置高低溫試驗箱溫度為待測試值，待溫度穩定后，分別讀取被校驗裝置以及標準裝置的溫度示值，并逐步降溫直到最后一個測試點（-40℃），記錄升溫降溫過程中每個測試點的數據，計算溫度測試誤差結果列于圖5中。

從圖5校驗裝置的溫度測試結果來看，被檢驗裝置與標準溫度計示值的最大溫度差值為0.28/℃，能夠滿足對SF6氣體密度溫度值的測試要求。

圖5 校驗裝置的溫度測試結果

3.3 溫度校驗測試

為了進一步驗證本文所提SF6氣體密度校驗裝置的性能。選擇1204A128、B-2372兩種型號的SF6氣體密度繼電器進行校驗。兩只氣體密度繼電器的工作范圍均為-40℃～60℃，在不同溫度環境下，氣體密度繼電器的基本參數如表1所示。對兩種型號的SF6氣體密度繼電器進行額定壓力值、報警動作壓力值以及閉鎖動作壓力值的檢驗，檢測結果如表2所示。

表1 被測SF6氣體密度繼電器的基本參數

表2 SF6密度繼電器檢測結果

基于表2的校驗結果來看，本文所設計的具有壓力自動控制功能的SF6氣體密度校驗裝置較好地對各種不同的SF6密度繼電器進行性能測試。表中，型號1204A128的SF6氣體密度繼電器無論是在標準溫度狀態（20℃）還是在整個溫度區間（-40℃～60℃），其額定壓力值、報警動作壓力值以及閉鎖動作壓力值的精度均滿足出廠要求的技術參數。而型號B-2372的SF6氣體密度繼電器僅在20℃時，額定壓力值、報警動作壓力值以及閉鎖動作壓力值的檢驗精度滿足要求，但在-40℃和60℃時無法滿足出廠動作的精度要求。

因此，對SF6氣體密度繼電器進行檢驗，需要考慮不同溫度下該繼電器的基本特性，包括其額定工作的極端工作條件，這樣才能得到較為全面的判斷結果。

4 結語

本文對SF6氣體密度檢驗裝置展開研究，對其自動控制的硬件組成架構進行設計，應用氣體狀態方程，推導出SF6氣體密度檢驗裝置壓力與溫度的特性關系換算的方法和步驟，實現了不同溫度條件下SF6氣體標準壓力值的轉化。此外，通過在不同壓力值以及不同溫度環境下對氣體密度校驗裝置的性能進行測試，測量實驗結果充分證實了本文所設計的氣體密度校驗裝置能夠實現了SF6氣體密度全溫度的精準化、自動化檢測。