數控式SF6在線補氣機研究應用

李貴良

摘要：本課題以創新運用單片機、電測量及SF6壓力溫度函數關系理論，研究出一種能夠實現SF6在線補氣的數控裝置，并推廣使用。

關鍵詞：SF6在線補氣；單片機；電測量

中圖分類號：TN506 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0100-02

1 課題研究意義

SF6開關設備由于日常的氣體微水測量、密度繼電器校驗、設備老化裂損等因素，導致SF6氣體外泄、壓力下降。為了保障高壓設備內SF6的絕緣和滅弧性能，必須進行補氣。傳統的補氣方式中，檢修人員將高壓氣瓶內的SF6氣體經減壓閥減壓后，直接使用橡膠管連接到高壓設備上進行補氣。整個過程操作困難，非常危險：補氣前不能完全排出橡膠管內的雜質，會將一部分雜質和水分帶入開關設備中。安裝補氣接頭過程中會使橡膠管扭曲纏繞，甚至爆裂；補氣時只能參照高壓設備上的SF6密度繼電器進行補氣，全程手動操作，不能實現定額定量。

傳統的SF6補氣方式弊端很多。為了解決以上問題，我們在充分研究SF6補氣特點的基礎上，認真分析SF6壓力溫度關系，結合單片機、電測量理論，研制出了ZBQ-17數控式SF6在線補氣裝置，并推廣使用。

2 設計原理如圖1

2.1 補氣前后排氣原理

將ZBQ-17數控式補氣機作為中間鏈接點，使用插拔接頭及閥門組件將氣瓶氣源與開關設備氣室接通。如圖所示，SF6氣源經過減壓閥后傳輸給電磁閥門，再通過管道連接排尾氣三通閥，最后流經排空氣閥體和補氣口接頭后進入SF6高壓開關設備。補氣前可以通過排空氣閥體將空氣從管道中排出；補氣后關閉減壓閥和排空氣閥體，讓尾氣從排尾氣閥體排出，將管道壓力泄載。同時快速插拔接頭可360度旋轉，避免橡膠管拆裝時纏繞扭曲，簡單安全。

2.2 補氣過程控制原理

補氣過程控制主要運用了電測量知識和單片機控制理論。在補氣時，單片機作為中央處理控制器發揮著兩方面的作用，即監測SF6高壓開關設備內的氣壓和控制補氣源處的電磁閥門開啟度。

一方面在補氣機出氣側裝設高精度的壓力傳感器，把測量到的氣路壓力轉換成DC4-20mA直流信號提供給單片機。單片機采集到壓力傳感器的電信號后，計算成實際溫度下對應的壓力值P1。由于SF6密度繼電器表征的是20℃下SF6氣體壓力，我們定義的補氣壓力也是指20℃下的壓力，所以還需將氣壓P1等效換算成標準溫度20℃下的氣壓P2。換算時需要提供當時氣路的環境溫度，因而在補氣機出氣側還需要安裝一只溫度傳感器，把溫度轉換成DC4-20mA電信號送入單片機。單片機通過執行換成程序完成壓力換算。

另一方面單片機將P2值與補氣設定值P0進行比較，其比較結果作為指令控制進氣側處的電磁閥門。P2

2.3 運算控制程序的開發

編輯程序前，首先得確定出核心運算處理公式如圖2。

其一，傳感器輸送的DC4-20mA直流信號轉換成對應的溫度值、壓力值。壓力傳感器參數為0-1Mpa輸入、4-20mA輸出，單片機接收到的電流記為I1。那么P1=（I1-4）（1-0）/16。溫度傳感器參數為0-100℃輸入、4-20mA輸出，單片機接收到的電流值記為I2、實測溫度記為T。那么T=（I2-4）（100-0）/16。

其二，P1等效換算成P2的公式選取。選擇科學的計算公式將直接決定著補氣機的控制精度。由于補氣過程是一個隨機動態過程，所以理想氣體方程PV=RnT將不再適用；傳統的經驗壓力溫度系數0.03Mpa/10℃（溫度每變化1℃，SF6氣體壓力變化0.003Mpa）只應用于允許誤差較大的計算中；如要準確計算SF6的狀態參數，保障補氣機的控制精度，Beattie-Bridgman公式是非常科學的選擇。

P=0.58×10-4ρT（1+B）- 10-1ρ2A

A=0.75×10-3（1-0.727×10-3ρ）

B=2.51×10-3ρ（1-0.846×10-3ρ）

公式中：p—六氟化硫的壓力，MPa。ρ—六氟化硫的密度，kg/m3。T—六氟化硫的溫度，K。那么反復運用此公式可換算出比較準確的P2值。先將實測溫度值T代入以上公式，可解出ρ。將ρ和T20（溫度值20℃）再次代入以上公式，可換算出P2。同理當實測溫度變化時，另進行此運算得到實時動態P2值。

其三，補氣時電磁閥門的開啟度。SF6從氣源進入高壓開關設備中將經歷溫度變化、分子擴散、分子平衡等過程，所以補氣時需要緩慢進行，不可過急過快。在ZBQ-17數控式補氣機中：P2/P0<80%時，電磁閥門完全開啟；80%

確定好運算公式后，可采用C++及匯編等機器語言將公式寫入單片機，作為補氣機的運算控制程序，并根據使用需要定于詞語描述。當然，為了使用操作方便，完善操作功能還可以設置手動微調等菜單。

3 應用前景

數控式SF6在線補氣機安裝了高精度壓力傳感器，運用單片機進行科學的壓力溫度換算，能夠動態監測開關設備氣室內的氣體壓力。通過設定值與自動控制實現定額補氣，一鍵操作，控制精度高。能適用于需要補氣的SF6高壓開關設備，同時也可以在其它介質氣體的補氣場合使用，應用前景廣泛。

參考文獻

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