SF6密度繼電器監測GIS氣室壓力的誤差分析

劉 杰，毛海波，姜 濤，周愛良

（國網浙江省電力有限公司超高壓分公司，杭州 311121）

0 引言

SF6具有良好的電氣絕緣性能和優異的滅弧性能，因此被廣泛于應用變電站中［1-3］。GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）絕緣氣體一般為SF6氣體，變電站為了節約土地資源，大量應用GIS 設備來替代原來敞開式的電氣設備，在超高壓及特高壓變電站中尤其如此。一般情況下，GIS 設備通過不同的SF6氣室將不同的電氣設備隔離開來。不同氣室的SF6壓力也不一樣，一般開關氣室壓力最高，隔離開關、接地閘刀及電流互感器氣室壓力次之，母線氣室壓力最低。GIS 氣室有時會存在氣體泄漏情況，泄漏嚴重時可能發展成設備故障問題［4-8］，因此需要對氣室壓力進行監視，以便及時了解氣室變化從而采取進一步的處理措施。目前常用的監視方法是在氣室上安裝SF6密度繼電器來監視壓力，通過監視氣室密度來反映氣室的壓力變化。

2021 年1 月，某特高壓交流變電站監控后臺出現某電流互感器及隔離開關氣室壓力報警報文，經檢查確認SF6大氣室壓力監測存在問題。一般對于較大氣室，壓力表處裝有密度傳感器及溫度補償裝置即密度控制器，受熱時，氣室內SF6的溫升較壓力表處傳感器的溫升慢，導致密度控制器過補償，造成溫度升高時，密度繼電器補償后的壓力小于實際壓力，從而導致報警。文獻［9］通過理想氣體狀態方程分析了SF6密度繼電器補償原理，給出了誤報氣壓低告警信號的原因。文獻［10］同樣通過理想氣體狀態方程分析了密度繼電器指針波動原因及處理方法。不同于文獻［8-9］，文獻［11］指出當氣體壓力高于0.3 MPa 時，SF6氣體的壓力變化特性不再符合理想氣體狀態方程，可以用SF6氣體壓力-溫度曲線（等密度線）表示［12］。對于以上文獻所提的2種分析方法在具體實際應用中有多少不同，目前還未見相關文獻報道，2種方法分析具體溫度與補償壓力的關系需要進一步的分析研究。

1 SF6補償分析

1.1 理想氣體狀態方程

根據理想氣體狀態方程可得到壓力與密度的關系式［9-10］：

式中：M為SF6氣體質量，無氣體泄漏時為常數；Rg為SF6氣體常數，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）；V為氣室體積，為常數；T為密度繼電器安裝處的絕對溫度（T=t+273）；t為環境溫度；ρ為SF6氣體密度。

根據式（1）可知，在常見氣室額定壓力與密度關系如表1所示。

理想氣體狀態是在特定環境下的情況，實際應用中SF6氣體的分子質量大，分子間相互作用明顯。當SF6氣體壓力大于0.3 MPa時，氣體壓力的變化特性不再符合理想氣體狀態方程［11，15］。如果繼續使用理想氣體狀態方程，將會造成一定的誤差，這時就需要引入新的計算方法。

1.2 Beattie-Bridgman方程

《六氟化硫氣體密度繼電器校驗規程》中給出了SF6氣體狀態方程，即Beattie-Bridgman（貝蒂-布里奇曼）方程式，根據該方程式可知氣體密度與壓力的關系［16］：

式中：p為壓力×0.1 MPa；d為密度；T為溫度。

根據式（2）可知，在20 ℃下常見氣室額定壓力與密度關系如表2所示。

表2 20℃下常見氣室額定壓力與密度對應關系（Beattie-Bridgman方程）

由式（1）和式（2）可以看出，不僅密度影響壓力的大小，溫度也影響壓力的大小。一定質量和體積下的氣體，即密度固定的情況下，溫度與壓力呈線性關系。溫度升高時壓力增加，溫度降低時壓力減小。用于檢測氣室壓力的表計，工程應用中希望氣室壓力不隨環境溫度的變化而變化，即在氣室不發生氣體泄漏的情況下，希望監測的氣室壓力維持在一個不變的數值。這就需要對氣室壓力進行補償，當溫度升高時壓力上升，給予負的壓力補償；溫度降低時壓力下降，給予正的壓力補償，從而達到氣室壓力盡可能不隨外界環境溫度的變化而變化。

1.3 SF6補償計算

由表1 和表2 的數據，可以繪制如圖1 所示的20 ℃下常見氣室額定壓力與密度關系曲線。

圖1 20 ℃下常見氣室SF6額定壓力與密度關系曲線

由圖1 可以看出，在相同壓力下，Beattie-Bridgman 方程計算的SF6密度比理想氣體狀態方程計算的SF6密度大一些，隨著額定壓力的增加，兩者計算的密度差值也隨之增加。在0.3 MPa～0.6 MPa，2 種不同的計算公式密度計算差值在0.64 kg/m3～2.79 kg/m3。根據2 種不同的計算公式可以計算出一定氣室體積和預定壓力下需要充裝的SF6質量，對氣室氣體質量的估算具有一定的參考價值。

20 ℃下的氣室壓力稱為標準壓力，為了真實反映GIS 氣室的壓力，工程應用中將不同溫度下的氣室壓力轉換成20 ℃下的壓力，這樣，無論溫度如何變化，只需要考慮轉換后的壓力與標準壓力的差值就可以檢驗氣室是否存在氣體泄漏情況。這個壓力轉換便是SF6密度控制器的溫度補償功能。即SF6表計的溫度補償以20 ℃為界限，溫度高于20℃，實際壓力會增大，密度控制器減去一個補償壓力，從而達到標準壓力；溫度低于20 ℃時，密度控制器增加一個補償壓力，從而達到標準壓力。對于理想氣體狀態方程，補償壓力計算公式如下。

對于Beattie-Bridgman方程，補償壓力計算公式為：

式（3）和式（4）中：pΔ1為溫度t下密度為ρ1的基于理想狀態氣體方程的補償壓力；ρ1為某一壓力對應的理想氣體密度；pΔ2為溫度t下密度為ρ2的基于Beattie-Bridgman 方程的補償壓力；Rg為SF6氣體的氣體常數，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）。

選取標準壓力為0.5 MPa的SF6氣體為研究對象。根據式（3）、式（4）以及表1、表2可知，補償壓力隨溫度變化趨勢如圖2 所示。可以看出在20 ℃時不進行補償，在相同溫度下理想氣體狀態方程需要補償的壓力小于Beattie-Bridgman方程計算的補償壓力，即后者較前者的補償度更高一些。對于圖2，更具體的數值為：在-10 ℃時兩者的補償壓力分別為0.051 MPa和0.059 MPa，在40 ℃時兩者的補償壓力分別為-0.034 MPa和-0.039 MPa。

圖2 標準壓力為0.5 MPa下SF6補償壓力隨溫度變化的關系曲線

2 案例分析

因SF6氣體的比熱容C1=665.18J/（kg·K），而鋼的比熱容C2=460 J/（kg·K），可以看出SF6的比熱容是鋼的1.45 倍，即相同質量下升高相同的溫度，需要的能量前者是后者的1.45 倍。同時，考慮到大氣室GIS中SF6質量遠大于密度傳感器和補償裝置，如果太陽直射到密度控制器，將會導致密度控制器的溫升遠大于大氣室SF6氣體的溫升，這將會導致過補償，從而造成經過補償后的壓力表的指示壓力小于氣室實際壓力的情況。《壓力式六氟化硫氣體密度控制器》［17］中給出了壓力式SF6氣體密度控制器額定壓力、報警壓力和閉鎖壓力參考值，具體如表3所示。

表3 壓力式SF6氣體密度控制器額定壓力、報警壓力、閉鎖壓力參考值

如果以0.05 MPa壓力降為例，額定壓力為0.5 MPa下，根據第1.3節計算分析可知，想達到0.05 MPa的補償壓力差，對于理想氣體狀態方程溫度t為-9.27 ℃或者49.27 ℃；對于Beattie-Bridgman 方程則溫度t為-5.55 ℃或者45.55 ℃。根據SF6氣體-壓力曲線［11］可知，對于工程應用中常見的SF6氣室壓力，Beattie-Bridgman 方程更符合壓力、密度關系。通過以上的計算也可以看出，Beattie-Bridgman 方程計算的補償壓力也更為嚴格，更符合現場實際情況。

額定壓力為0.5 MPa 時，當溫度在-5.55 ℃以下或者45.55 ℃以上時，如果未進行溫度補償，則壓力表會較標準壓力時的差值超過0.05 MPa。對于低溫時，如果補償不及時，會出現壓力低報警的情況；而對于高溫時，壓力補償不及時則不會報警。所以對現場的實際應用更多是考慮低溫時可能出現的壓力補償問題，即一般在冬季上午溫差較大時出現壓力表過補償，從而導致壓力報警的情況。根據以上分析和計算可以得到對應不同額定壓力下補償0.05 MPa 對應的溫度值，如表4所示。

表4 不同額定壓力下對應0.05 MPa壓力補償的低溫度值

從表4可以看出，額定壓力越小的氣室出現由于壓力補償不及時或者不補償而引起的壓力報警所需的環境溫度越低，由于華東地區冬季最低溫度出現-10 ℃及以下的情況非常少見，所以可以認為額定壓力0.45 MPa 及以上的氣室可以通過環境溫度的變化來確認是否存在壓力補償問題。

引言中出現的氣室壓力報警異常事件，經檢查發現氣室額定壓力均為0.5 MPa，監控后臺查閱氣室壓力歷史曲線基本維持在約0.5 MPa，經氣體泄漏檢查，并未發現氣室存在氣體泄漏問題。2021 年1 月晝夜溫差大，夜間溫度特別低，白天太陽直曬表計導致表計密度控制器過補償，氣室實際溫度較低且未能同步升溫，從而發生壓力降低到報警值的情況。放置擋板遮擋直射表計的陽光，到中午氣室溫度升高后壓力異常報警消失。

3 建議

根據以上分析可知，對于相同補償壓力0.05 MPa的情況，一般天氣情況下，0.4 MPa及以下的額定壓力氣室基本不會出現如此高的補償壓力；而對于0.45 MPa 及以上的額定壓力，在極端天氣（晝夜溫差極大）下會出現補償壓力大于0.05 MPa的情況，即過補償，從而導致氣室壓力報警。

對于有壓力表及傳感器上傳壓力至監控后臺的情況，極端天氣如果出現后臺壓力低報警時應及時到現場確認壓力表機械指針讀數是否與監控后臺一致，如果一致則應及時進行檢漏處理，經檢查無漏氣點后，可以初步判斷是由于密度控制器補償失效導致，應及時處理；如果壓力表機械指針讀數與平時抄錄基本一致，即大于監控后臺數字，則可能是經傳感器上傳的部分（例如傳感器）出現問題或模數轉換出現問題等，也應及時處理。

極端天氣前注意日常氣室壓力低的氣室，如果壓力低于額定壓力，要對其進行補氣，應補氣到高于額定壓力0.02 MPa 以上。補氣盡量選擇氣室氣體與補氣氣瓶內氣體溫差不大時進行，例如選擇上午進行補氣。GIS氣室SF6氣體密度繼電器和密度控制器（即壓力表）設計安裝位置時，要做到盡可能滿足表計溫升和氣室內SF6氣體溫升一致，不能相差太多。可在壓力表外部安裝保護罩，既防雨又能達到避免陽光直射密度繼電器和密度控制器的目的。定期對SF6壓力表進行現場定期校驗，對現場校驗過程中存在的問題及時分析處理，必要時更換SF6壓力表。

4 結語

無論何時，如果出現氣室壓力低報警的情況，應立即對該氣室進行泄漏檢查，在無泄漏的情況下再進行壓力補償等方面的分析。

在工程應用中，Beattie-Bridgman方程比理想氣體狀態方程更接近實際情況，前者得到的數據也更為準確。對于常見氣室壓力0.3 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa和0.60 MPa，補償壓力0.05 MPa對應的低溫度值分別為-25.03 ℃、-18.06 ℃、-12.86 ℃、-8.79 ℃、-5.55 ℃、-2.90 ℃和-0.69 ℃。

從前文的分析可以看出，對于常見特高壓變電站GIS 氣室，在無泄漏的情況下，各氣室壓力均應在額定壓力以上。對于華東地區，在極端天氣下0.4 MPa及以下額定壓力的氣室也不會因過補償從而出現壓力報警的情況；0.45 MPa 及以上額定壓力的氣室可能會發生過補償導致壓力低報警的情況，應具體分析可能的原因。