高緯度地區(qū)六氟化硫密度繼電器校驗(yàn)技術(shù)研究

關(guān)艷玲，付麗君，關(guān)艷艷，金海全

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司七臺(tái)河供電公司，黑龍江 七臺(tái)河 154600；3.哈爾濱鐵路集團(tuán)有限公司綏化工務(wù)段，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

黑龍江省冬季氣溫低，在低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備的電氣性能和機(jī)械性能都直接受到影響，國(guó)內(nèi)的輸變電設(shè)備在出廠和運(yùn)行中都沒(méi)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的低溫性能試驗(yàn)，所以在高緯度地區(qū)的輸變電設(shè)備出現(xiàn)的事故較多，甚至威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行，而現(xiàn)有校驗(yàn)規(guī)程和儀器設(shè)備只適用于常溫條件下對(duì)六氟化硫密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)和評(píng)價(jià)。近兩年，黑龍江省多個(gè)變電站出現(xiàn)六氟化硫斷路器低溫閉鎖情況，現(xiàn)有的技術(shù)方法無(wú)法對(duì)密度繼電器低溫準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷，無(wú)法確定密度繼電器的檢測(cè)值和反饋值是否準(zhǔn)確，密度繼電器作為六氟化硫電氣設(shè)備重要的在線監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置又長(zhǎng)時(shí)間在低溫下運(yùn)行，需要定期進(jìn)行校驗(yàn)。因此需開(kāi)展六氟化硫密度繼電器低溫校驗(yàn)的技術(shù)研究，從而確保密度繼電器低溫運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 六氟化硫氣體密度繼電器校驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前六氟化硫氣體密度繼電器校驗(yàn)技術(shù)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(yàn)儀，只能在常溫狀態(tài)下進(jìn)行檢驗(yàn)，而不能實(shí)現(xiàn)低溫下校驗(yàn)，特別是在極限低溫狀態(tài)下進(jìn)行校驗(yàn)，因此不能對(duì)六氟化硫氣體密度繼電器進(jìn)行全面的性能檢驗(yàn)和綜合判斷。

中國(guó)投入電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，在設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、選型和招投標(biāo)過(guò)程中，尚未有低溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)、指標(biāo)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)了解國(guó)產(chǎn)的設(shè)備和材料大多沒(méi)有進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，國(guó)外大部分設(shè)備也未進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，這就使高緯度低溫地區(qū)電網(wǎng)在設(shè)備選型、設(shè)備交接驗(yàn)收、運(yùn)行等方面存在嚴(yán)重弊端，給低溫運(yùn)行帶來(lái)事故隱患。為解決六氟化硫密度繼電器在嚴(yán)寒地區(qū)能夠可靠運(yùn)行的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和開(kāi)關(guān)制造廠家對(duì)此進(jìn)行了初步的分析研究和試驗(yàn)。中國(guó)對(duì)高緯度地區(qū)低溫條件下開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)的研究相對(duì)滯后，對(duì)低溫環(huán)境下開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)維技術(shù)的研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)甚少，相關(guān)試驗(yàn)研究工作尚處于起步階段。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)六氟化硫密度繼電器校驗(yàn)設(shè)備的生產(chǎn)仍處于發(fā)展初期，所生產(chǎn)的產(chǎn)品都自成系列，不具備通用的測(cè)試接口和統(tǒng)一的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，在校驗(yàn)精度和工作可靠性方面并不具備成熟的競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)品自動(dòng)化程度較低，功能單一，缺乏核心的高端技術(shù)，這些因素都限制了六氟化硫密度繼電器校驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展[1]。國(guó)外對(duì)六氟化硫氣體密度繼電器的研究和檢測(cè)雖然比較早，測(cè)試六氟化硫氣體密度技術(shù)也已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于六氟化硫密度繼電器低溫的補(bǔ)償方法以及密度繼電器的低溫校驗(yàn)方法亦存在空白。

因此，盡快開(kāi)發(fā)新一代六氟化硫密度繼電器校驗(yàn)系統(tǒng)，加強(qiáng)產(chǎn)品實(shí)用性，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力是國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2 低溫下壓力和溫度測(cè)試研究

2.1 壓力示值誤差測(cè)試

采用與壓力標(biāo)準(zhǔn)器比對(duì)的方法進(jìn)行壓力校準(zhǔn)。除去零點(diǎn)和最大壓力值，在裝置壓力測(cè)量量程范圍內(nèi)，還需選取4個(gè)校驗(yàn)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(zhǔn)時(shí)首先進(jìn)行一個(gè)正向行程，然后再進(jìn)行一個(gè)反向行程，將待校驗(yàn)的裝置與壓力標(biāo)準(zhǔn)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(wú)泄漏之后方可校驗(yàn)。首先升壓到待校準(zhǔn)的壓力點(diǎn)，等待壓力示值穩(wěn)定后讀取并記錄壓力標(biāo)準(zhǔn)器和被校驗(yàn)裝置的壓力示值，分別測(cè)量各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)直至滿量程，然后，再通過(guò)降壓方式進(jìn)行反行程校準(zhǔn)，等待壓力示值穩(wěn)定后讀取并記錄壓力標(biāo)準(zhǔn)器和被校驗(yàn)裝置的壓力示值。通過(guò)測(cè)得表1中各個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)的壓力示值，計(jì)算誤差并對(duì)被校驗(yàn)裝置進(jìn)行壓力校正[2]。

表1 壓力示值誤差的測(cè)量Table 1 Measurement of pressure indication error

校驗(yàn)儀壓力示值誤差按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：δ為壓力示值誤差，%；pX為第X個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)校驗(yàn)儀的壓力示值，MPa ；pXi為第X個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)器壓力示值，MPa；pFS為校驗(yàn)儀的量程，MPa。

2.2 溫度測(cè)量誤差測(cè)試

校驗(yàn)裝置溫度測(cè)量誤差的校準(zhǔn)，在溫度測(cè)量范圍內(nèi)選擇6個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，分別為-40 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃。

將被校校驗(yàn)儀的溫度傳感器與溫度標(biāo)準(zhǔn)器同時(shí)放置在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，降低溫度至校準(zhǔn)點(diǎn)，從低溫逐點(diǎn)升溫至各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)[3]。在每一校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量時(shí)，待溫度穩(wěn)定后，分別讀取并記錄溫度標(biāo)準(zhǔn)器與被校校驗(yàn)儀顯示的溫度值。通過(guò)測(cè)得表2中各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的溫度，計(jì)算誤差對(duì)被校驗(yàn)裝置進(jìn)行溫度校正[4]。

表2 溫度誤差的測(cè)量Table 2 Measurement of temperature error ℃

溫度誤差=被校校驗(yàn)裝置示值-標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)示值

2.3 溫度補(bǔ)償誤差測(cè)試

當(dāng)環(huán)境溫度為(20±1)℃，對(duì)待校驗(yàn)裝置進(jìn)行抽真空處理，抽至真空度為當(dāng)?shù)卣婵諛O限的90%以上，再充入純六氟化硫氣體，調(diào)壓至校驗(yàn)裝置量程范圍內(nèi)的某一點(diǎn)，確認(rèn)無(wú)泄漏后，將校驗(yàn)裝置放到低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度補(bǔ)償誤差的校驗(yàn)，在校驗(yàn)裝置的工作溫度測(cè)量范圍內(nèi)選擇4個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)(-20 ℃，-10 ℃，10 ℃，20 ℃)。首先將溫度設(shè)置到參考點(diǎn)20 ℃后，穩(wěn)定2 h甚至更久，讀取并記錄校驗(yàn)裝置的p20示值，此為p20 標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；然后降溫到相應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)，穩(wěn)定兩小時(shí)甚至更久，分別讀取并記錄校驗(yàn)裝置的p20示值。

溫度補(bǔ)償誤差按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ΔT為當(dāng)環(huán)境溫度不是20 ℃時(shí)的溫度補(bǔ)償誤差(以量程的百分?jǐn)?shù)表示)%；p20為六氟化硫氣體密度為定值時(shí)，不同的溫度下，校驗(yàn)設(shè)備p20示值，MPa;p20標(biāo)為六氟化硫氣體密度不變時(shí)，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，校驗(yàn)設(shè)備p20示值，MPa;pFS為校驗(yàn)設(shè)備的量程，MPa。

溫度補(bǔ)償誤差測(cè)試結(jié)果如表3所示。

3 低溫補(bǔ)償方法的選擇

六氟化硫氣體密度繼電器是一個(gè)具有溫度補(bǔ)償功能的壓力控制繼電器，采用溫度為20 ℃時(shí)的壓力表示其密度，普通的壓力表，因在密封系統(tǒng)中壓力大小和溫度有直接關(guān)系而不能實(shí)現(xiàn)密度的監(jiān)測(cè)，所以當(dāng)溫度偏離20 ℃的情況下需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。這對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求很高，既要考慮壓力又要兼顧溫度的影響，因此，依據(jù)壓力及溫度的關(guān)系曲線，對(duì)壓力進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)氣體密度的目的。

在不同的溫度下，需對(duì)壓力進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，補(bǔ)償方法主要有兩種，即軟件補(bǔ)償法和氣體補(bǔ)償法。氣體補(bǔ)償法與軟件補(bǔ)償法相比較為復(fù)雜，而且對(duì)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求極高，測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[5]。軟件補(bǔ)償法則是利用壓力和溫度的關(guān)系曲線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，校準(zhǔn)精確度高，其準(zhǔn)確度也很高，而且便于操作，對(duì)六氟化硫氣體壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的密封性要求相對(duì)較低，能夠有效的縮短校驗(yàn)時(shí)間，軟件補(bǔ)償法能夠適用于高標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量要求。

研究采用先進(jìn)的中控單元、溫度控制單元及封閉的六氟化硫壓力調(diào)節(jié)控制單元來(lái)進(jìn)行。該方法采集六氟化硫氣體壓力和溫度，將采集的數(shù)據(jù)傳至中控單元，使用六氟化硫氣體的壓力和溫度之間的關(guān)系曲線數(shù)學(xué)模型，采用測(cè)量的軟件補(bǔ)償方法，經(jīng)過(guò)中控單元計(jì)算，獲得六氟化硫密度值[6]。根據(jù)六氟化硫氣體密度曲線方程，進(jìn)行計(jì)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(duì)壓力，MPa；A、B是由試驗(yàn)測(cè)得的常數(shù)，對(duì)于不同種類的氣體有不同值。

利用上述關(guān)系式，在測(cè)量得到溫度和壓力值后，利用能夠準(zhǔn)確表示六氟化硫氣體壓力與溫度關(guān)系的Beattie&Bridgeman方程[1]，即可得到密度ρ的唯一解，并換算成20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，從而完成了壓力、溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，完成了六氟化硫氣體密度繼電器的低溫性能校驗(yàn)。

4 溫度測(cè)量元件的選擇

溫控系統(tǒng)對(duì)校驗(yàn)裝置來(lái)說(shuō)非常重要，其核心技術(shù)指標(biāo)是溫度波動(dòng)度和溫度偏差，這關(guān)系到整個(gè)校驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。經(jīng)過(guò)大量測(cè)溫試驗(yàn)，選擇鉑電阻溫度傳感器，其具備高精度且穩(wěn)定性很好，測(cè)溫范圍廣，是中低溫區(qū)(-200～650 ℃)最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。依據(jù)綜合技術(shù)參數(shù)以及性價(jià)比，決定采用采集精度相對(duì)較高的PT100鉑電阻作為低溫下校驗(yàn)裝置的溫度傳感器，鉑金易于提純、復(fù)制性好，在低溫環(huán)境下的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，雖然價(jià)格較高，但從校驗(yàn)裝置的要求來(lái)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(shù)采集總體要求[7]。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善純六氟化硫氣體壓力和溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，建立低溫下氣體溫度-壓力的曲線。

2)通過(guò)溫度測(cè)量的相關(guān)試驗(yàn)確定溫度測(cè)量方法，選擇溫度敏感元件鉑電阻。

3)通過(guò)理論分析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)仿真以及軟件測(cè)量技術(shù)手段，提高測(cè)試性能，完善工程應(yīng)用條件。

結(jié)合設(shè)備檢修計(jì)劃，對(duì)運(yùn)行密度繼電器進(jìn)行低溫校驗(yàn)，徹底消除目前常溫校驗(yàn)的局限性，評(píng)估密度繼電器準(zhǔn)確性和可靠性，確定閉鎖及報(bào)警點(diǎn)的示值誤差是否在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，對(duì)異常密度繼電器及時(shí)更換。為高緯度地區(qū)電網(wǎng)的預(yù)防性試驗(yàn)、交接試驗(yàn)、密度繼電器選型等工作提供技術(shù)支撐，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。