SF6繼電器溫度補償方式的現狀分析與探討

林福海，周友武，賈蕗路，稂業員

（國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌330096）

0　引言

在變電站里，充SF6氣體的斷路器、互感器或氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）通常在就地安裝SF6氣體密度表，通過巡視抄表、記錄現場溫度，從而判斷設備內的氣壓是否正常，這已是一種公認的保障設備介質有一定絕緣強度、發現設備是否泄漏的有效手段。

目前，SF6氣體密度的巡檢、抄表人為因素較大，每個運維人員抄表的數據有偏差，一般的密度表有溫度補償裝置，但目前的產品只有針對設備額定壓力值進行準確補償，而對于其它壓力值的溫度補償精確度較差，特別是在壓力值較低、溫度與20℃相差較大時，誤差很大。若遇到沒有溫度補償功能的密度表時，需要進行人工計算，人工補償的計算公式比較復雜，耗時、耗力。

基于上述狀況，針對變電站里充SF6氣體的電力設備就地密度表由于溫度補償帶來的數據不準確問題，一種將電力設備內的SF6氣體密度、溫度實時傳送至監測后臺，按照SF6氣體溫度、壓力、密度之間的狀態方程，在軟件上對在線數值進行實時補償的裝置，能對氣體密度在不同溫度下進行不間斷的準確跟蹤。[1-4]

1　SF6繼電器溫度補償方式的現狀分析

按照補償方法分類，在SF6電氣設備中，SF6氣體是密封在一個固定不變的容器內，沒有發生漏氣時，其密度是不變的，在實際工程應用中，氣體密度都是以其20℃時的絕對壓力值來表示的，眾所周知，SF6氣體壓力與其它氣體一樣，也是隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，為了能夠使壓力與密度相關聯，其氣體壓力必須進行溫度補償，把其各種溫度下的測量壓力轉化為20℃時的壓力，即可得到對應的氣體密度。目前氣體密度繼電器的溫度補償方法通常有兩種：雙金屬片補償和標準氣體補償，在電網運行中的密度繼電器基本都是帶溫度補償的，一般是采用雙金屬片補償。[5-7]

1.1　雙金屬片補償

雙金屬片補償的密度繼電器一般其壓力測量元件采用巴登管，溫度補償采用雙金屬片，金屬片相當于一個溫度傳感器，其結構如圖1所示：

圖1　雙金屬片補償的密度繼電器結構圖

其主要工作原理是基于彈性感壓元件巴登管，利用雙金屬片（溫度補償元件）對變化的溫度和其壓力進行相應的修正，使之能夠反應SF6氣體密度的變化。具體可以參考圖2，SF6氣體在密閉容器中，不漏氣時，其密度是不變的，但其壓力是隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，其實際壓力-溫度特性曲線見圖2的曲線1。雙金屬片的作用是依據溫度變化對氣體壓力進行補償，其補償效果的壓力-溫度特性曲線見圖2的曲線2。巴登管和雙金屬片（溫度補償元件）合成的壓力-溫度特性曲線見曲線3，即曲線1和曲線2合成后的壓力-溫度特性曲線就是圖2中的曲線3，曲線3就是密度值1經溫度補償后的壓力-溫度曲線，能夠反映氣體的密度值。

圖2　氣態下密度繼電器雙金屬片溫度補償

從上述可知，在被測介質SF6氣體壓力的作用下，通過巴登管、雙金屬片、機芯、指針，可把被測的SF6氣體密度值在刻度盤上顯示出來。如果漏氣了，其密度值下降到報警或閉鎖值時，繼電器就會發出相應的報警或閉鎖信號，監視了電氣設備中的SF6氣體密度，從而確保電氣設備安全、可靠工作。

通常，密度繼電器只有一個雙金屬片，只能精確補償一定范圍內的氣體密度值。由于不同密度值的壓力-溫度曲線不同，如果在不同密度值下采用同一的補償參數，那么就會出現補償誤差，可從圖2中曲線3和曲線5知道，如果密度值1的溫度補償是零偏差，那么密度值2的溫度補償就必定存在偏差。而密度繼電器一般使用范圍為額定壓力至閉鎖壓力之間，所以在額定壓力以外必然存在溫度補償偏差。

當被測設備內發生氣體泄漏時，會造成密度下降，由于在不同密度下的溫度補償參數是不同的，而雙金屬片補償元件依舊按照原來的溫補參數進行調整，從而引起補償誤差，導致密度繼電器示值與設備內的實際密度不同，當實際值小于示值時，可能出現運行設備的絕緣已被擊穿，而密度繼電器還沒有報警的情況，進而對運行設備有較大危害，影響設備安全運行。

雙金屬片補償的密度繼電器其溫度補償精度關鍵因數在于：1）在特定參數下，根據其壓力-溫度特性關系，雙金屬片與巴登管的匹配度。在實際應用中，匹配關系難以準確計算，一般通過反復試驗進行，往往難以實現高精度的溫度補償；2）在使用溫度范圍內，巴登管的管端位移與所承受壓力之間的線性關系，必須選用性能優良的巴登管；3）在使用溫度范圍內，雙金屬片的端部位移與溫度之間的的線性關系，必須選用性能優良的雙金屬片。

1.2　標準氣體補償

標準氣體補償的密度繼電器結構較復雜，設備體積較大，所以在電力行業里應用較少，一般其壓力測量元件采用波紋管，溫度補償采用密封的標準氣體，其結構由密封氣室、波紋管、信號觸發機構、微動開關、顯示單元組成。

通常情況下，這種密度繼電器只有一個標準氣室，只能補償相應壓力下的氣體密度值，而密度繼電器一般使用范圍為額定壓力至閉鎖壓力之間，所以必然存在溫度補償偏差。

標準氣體補償的密度繼電器其溫度補償精度關鍵因數在于：1）標準氣室的充氣壓力精確度，只要準確充氣，容易實現高精度的溫度補償；2）在使用溫度范圍內，標準氣室的密封性能，因為這種類型的密度繼電器，工藝復雜，焊接工序多；3）在使用溫度范圍內，波紋管的性能；4）在使用溫度范圍內，標準氣室的氣體壓力不能液化。

2　SF6繼電器在線實時溫度補償的探討

2.1　在線實時溫度補償的可行性

在線實時溫度補償裝置可以將電力設備內的SF6氣體溫度、密度實時傳送至監控平臺，并根據實時溫度對密度數據進行溫度補償，改變目前人工抄表、補償誤差較大的做法，減小了工作量，并對氣體密度進行了準確跟蹤。

本裝置解決其技術問題所采用的技術方案是：一種變電站內SF6氣體密度的溫度補償裝置如圖3所示，該裝置由以SF6氣體為介質的設備、氣體取樣接頭及閥門、SF6氣體溫度傳感器、SF6氣體壓力傳感器、SF6氣體溫度及壓力信號處理器、工控機組成；以SF6氣體為介質的設備的輸出端口接氣體取樣接頭及閥門，閥門后接SF6氣體溫度傳感器，溫度傳感器的輸出端口連接SF6氣體壓力傳感器，溫度傳感器、壓力傳感器的輸出端口通過電纜連接溫度和壓力信號處理器，再將溫度及壓力信號處理器連接至工控機進行監測，來實現實時溫度補償功能。

圖3　密度繼電器在線實時溫度補償裝置

本裝置用于變電站內SF6氣體密度的溫度補償，可以在變電站內以SF6氣體為絕緣介質的斷路器、互感器、GIS設備上開展SF6氣體溫度、密度值的監測，同時可以對密度值進行在線補償，并儲存數值，從而實現氣體密度值的精準顯示，觀察氣體密度的變化情況，并在監測平臺上實現報警和閉鎖的功能。

2.2　在線實時溫度補償的實施方式

當SF6氣體密度的在線實時溫度補償裝置工作時，將變電站內需要監測的斷路器、互感器或GIS設備內的SF6氣體，通過取樣閥門和接頭，用銅管接入SF6氣體溫度傳感器，再將氣體串聯接入壓力傳感器，現場獲得的溫度、壓力信號通過電纜線傳輸給信號處理器，轉換成4-20 mA的模擬信號，再將模擬信號接入工控機，分別換算出SF6溫度、壓力值，代入SF6氣體溫度、密度、壓力之間的狀態方程，即貝蒂—布里奇曼方程：

式（1）中：P為氣體絕對壓力，bar；R為常數；T為溫度，K；ρ為密度，kg/m3；A、B均為與密度ρ相關的變量。利用現場測量的SF6溫度、壓力值，可以求出唯一的氣體密度值，即為電力行業相關標準要求20℃下的換算值，這樣就實現了SF6氣體密度的精準監測，能更有效地杜絕設備誤動作。

2.3　在線實時溫度補償的有益效果

設置SF6氣體密度的溫度補償裝置，改變目前人工抄表、人工補償誤差較大的做法，大大減小了工作量，并對氣體密度進行了準確跟蹤，實現電力設備智能化監測。

3　結束語

對目前電力設備的SF6氣體密度繼電器溫度補償現狀進行了詳細闡述，提出了用于SF6氣體密度實時溫度補償的裝置，可以對斷路器、互感器或GIS內的SF6氣體密度進行實時監控，并根據實時溫度對氣體密度數據進行溫度補償，實現了準確跟蹤，避免設備誤動造成的非計劃停運，保證設備的安全可靠運行。