ＳＦ６氣體密度表、密度繼電器在實際應用中的使用分析

摘 要：詳細介紹密度表和密度繼電器在工程實際中的應用巡視維護經(jīng)驗。

關鍵詞：密度表；密度繼電器；應用；維護

SF6斷路器中的SF6氣體是密封在一個固定不變的容器內(nèi)的。在２０°Ｃ時的額定壓力下，它具有一定的密度值，在斷路器運行的各種允許條件范圍內(nèi)，盡管SF6氣體的壓力隨著溫度的變化而變化，但是，SF6氣體的密度值始終不變。（所謂密度，是指某一特定物質(zhì)在某一特定條件下單位體積的質(zhì)量）。因為SF6斷路器的絕緣和滅弧性能在很大程度上取決于SF6氣體的純度和密度，所以，對SF6氣體純度的檢測和密度的監(jiān)視顯得特別重要。為了能夠達到經(jīng)常監(jiān)視其密度的目的，國家標準規(guī)定，SF6斷路器應裝設壓力表或SF6氣體密度表和密度繼電器。壓力表或SF6氣體密度表是起監(jiān)視作用的；密度繼電器是起控制和保護作用的。

在SF6斷路器上裝設的SF6氣體密度表，帶指針及有刻度的稱為密度表；不帶指針及刻度的稱為密度繼電器；有的SF6氣體密度表也帶有電觸點，即兼作密度繼電器使用。它們都是用來測量SF6氣體的專用表計。目前在我處ＬＷ６－１１０型ＬＷ６Ｂ－１２６型ＳＦ６斷路器上分別裝有密度表、密度繼電器。從查閱資料，詢問廠家及實際應用中分析可知， SF6氣體密度表和密度繼電器，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，不同制造廠家使用的各不相同，型式多樣。但是，從以下的分析可知，它們只能夠在SF6斷路器退出運行時，即在SF6斷路器內(nèi)部溫度和外部環(huán)境溫座相同的時候，才能夠準確測量出SF6氣體的密度值。而當向斷路器充注SF6氣體時或斷路器投入運行之后，它們的測量就不一定準確。例如由于負荷電流通過導電回路電阻和接觸電阻時，消耗的電能轉(zhuǎn)化成熱能，使SF6氣體產(chǎn)生溫升，由此便產(chǎn)生壓力增量，具有只能按環(huán)境溫度變化進行補償?shù)难a的裝置就不能補償由于內(nèi)部溫升引起的壓力增量。所以，SF6斷路器一般裝設壓力表迸行監(jiān)視，報警和閉鎖元件仍使用密度繼電器，而且對動作值正負誤差范圍的要求也比較寬，達10%～15%左右。當投入運行后，特別是負荷電流較大的情況下，其誤差會更大，目前我們所裝ＺＭＪ１型密度表，運行人員可根據(jù)設備負荷、表計指示等情況判斷分析SF6氣體泄漏以及其它情況。而ＭＤ１型密度繼電器，運行人員在正常、異常情況下，都無法監(jiān)視和判斷、分析SF6氣體泄漏等情況，只能待其出現(xiàn)漏氣或其它情況發(fā)出報警或閉鎖“光字”時才能知道。給設備安全運行和巡視檢查帶來了一定困難。下面就以上提到的密度表和密度繼電器的結(jié)構(gòu)、原理、作用及其應用中應注意的有關問題進行分析，幫助我們正確判斷設備運行情況。

1 SF6氣體密度表

1.1SF6氣體密度表

圖１為SF6斷路器配置的SF6氣體密度表正面圖，其刻度范圍只顯示0.3～0.8MPa的使用范圍。它有兩種刻度線，內(nèi)圈的刻度表示O.3～0.8MPa的測量范圍，abs表示使用的是絕對壓力單位MPa；20℃表示指針指示值為折算到20℃時的壓力。外圈的刻度表示44～117的測量范圍，但沒有任何使用。

1.2SF6氣體密度表的結(jié)構(gòu)和工作原理

SF6氣體密謀密度表的結(jié)構(gòu)原理。圖２所示的SF6氣體密度表主要由彈性金屬曲管、齒輪機構(gòu)和指針、雙層金屬帶等零部件組成，空心的彈性金屬曲管1與斷路器相連接，其內(nèi)部空間與斷路器中的SF6氣體相通，彈性金屬曲管1的端部與起溫度補償作用的雙層金屬帶3鉸鏈連接，雙層金屬帶3與齒輪機構(gòu)和指針機構(gòu)2鉸鏈連接。

SF6氣體密度表的工作原理。

當密度表沒有安裝使用時，如果環(huán)境溫度是20℃，指針2指向OMPa。但如果環(huán)境溫度不是20℃時，因為雙層金屬帶3是按環(huán)境溫度與20℃的差進行補償?shù)?，所以，當環(huán)境溫度高于20℃時，雙層金屬帶3伸長，其下端將向5的方向發(fā)生位移，帶動齒輪機構(gòu)和指針2向密度（或壓力）指示值減小的方向移動，指針2的讀數(shù)小于OMPa；否則，當環(huán)境溫度低于20℃時，齒輪機構(gòu)和指針2將向密度（或壓力）指示值增大的方向移動，指針2的讀數(shù)大于OMPa。就是說，這種SF6氣體密度表還沒有使用時，就已經(jīng)由環(huán)境溫度的變化帶來一定的誤差，誤差的大小取決于環(huán)境溫度與20℃之間的差值。

當向斷路器充SF6氣體的過程中，隨著氣體壓力的逐漸升高，彈性金屬曲管l的端部向4的方向發(fā)生位移，雙層金屬帶3始終按20℃進行補償，也隨著向4的方向發(fā)生位移，帶動齒輪機構(gòu)和指針2向密度（或壓力）指示值增大的方向移動，其指示值變大。密度表（或壓力）的指示值不僅與壓力有關，而且還與溫度有關。在對斷路器充SF6氣體的過程中，由于SF6氣體突然膨脹降壓，溫度一般由環(huán)境溫度降至0℃以下，雙層金屬帶3始終按20℃進行補償，而不能對sF6氣體的實際溫度與環(huán)境溫度之間的溫差進行補償，所以，在這種情況下，密度表的指示值，既不能代表SF6氣體的實際溫度下的密度（或壓力）值，也不能代表環(huán)境溫度下的密度（或壓力）值，更不能代表20℃時的密度（或壓力）值。

當給斷路器充入SF6氣體后，等待一段時間，使SF6斷路器內(nèi)部溫度升高至與外部環(huán)境溫度達到平衡后，調(diào)整SF6氣體至額定密度（或壓力）值，這時，不管SF6氣體受環(huán)境溫度的影響使其壓力增大還是減小，由于雙層金屬帶3的溫度補償作用，密度表的指針始終指向20℃時的額定壓力(或密度)值不變。

當斷路器退出運行后，如果斷路器內(nèi)部SF6氣體的溫度與外部環(huán)境溫度達到平衡時，其指示的密度(或壓力)值將不隨外部環(huán)境溫度的變化而變化。當環(huán)境溫度升高時，斷路器內(nèi)部SF6氣體的溫度也隨著升高，壓力也隨之增大，彈性金屬曲管1的端部向4的方向移動，有帶動指針向密度(或壓力)值增大的方向移動的趨勢，但是，由于雙層金屬帶3隨環(huán)境溫度升高而伸長，其下端向5的方向移動，那么，兩者的變化量完全抵消，其結(jié)果是指針的指示值不變，即：自動折算到20℃時的密度(或壓力)值保持不變。反之，當環(huán)境溫度降低時，指針的指示值也保持原來的密度(或壓力)值不變。

當斷路器由于某種原因，如漏氣或做試驗時取氣等，使ＳＦ６氣體質(zhì)量減少，壓力變小，彈性金屬曲管l的端部向5的方向移動，環(huán)境溫度引起的壓力變化由雙層金屬帶3進行補償，帶動指針2向指示值減小的方向移動，其結(jié)果是指針指示的密度(或壓力)值變小。

當斷路器投入運行后，由于斷路器的負荷電流通過導電回路的導體電阻和接觸電阻R∑時，消耗的電功率R∑I2將全部轉(zhuǎn)化為熱能，加熱SF6氣體而產(chǎn)生溫升，進而產(chǎn)生壓力增量。這時，密度表的雙層金屬帶3只能補償由于環(huán)境溫度產(chǎn)生的壓力增量，而不能補償由于溫升產(chǎn)生的壓力增量。因此，在實際運行中就會出現(xiàn)下列現(xiàn)象：

a．假如由于負荷電流使斷路器內(nèi)部SF6氣體的溫度在某一時間段內(nèi)暫時保持不變，環(huán)境溫度越高，雙層金屬帶3的端部向5的方向移動越大，指針指示的密度(或壓力)值越小；環(huán)境溫度越低，則指針指示的密度(或壓力)值越大。

b．假如在某一時間段內(nèi)環(huán)境溫度暫時保持不變，負荷電流越大，溫升越高，產(chǎn)生的壓力增量越大，指針指示的密度(或壓力)值越大；負荷電流越小，溫升越低，產(chǎn)生的壓力增量越小，指針指示的密度(或壓力)值越小。

使用SF6氣體密度表的注意事項：

密度表只有在SF6斷路器退出運行時，而且在斷路器內(nèi)外溫度達到平衡之后，才能夠準確測量出SF6氣體的密度(或壓力)值。

密度表中起溫度補償作用的雙層金屬帶3，只能夠補償由于環(huán)境溫度變化引起的密度(或壓力)讀數(shù)的變化，而不能夠補償由于溫升引起的密度(或壓力)讀數(shù)的變化。

密度表的主要作用是監(jiān)視SF6氣體是否漏氣，只有在斷路器退出運行時，而且在斷路器內(nèi)外溫度達到平衡后，才能夠根據(jù)密度(或壓力)讀數(shù)的變化，進行判斷是否漏氣。

SF6斷路器在運行時，如果斷路器的負荷電流較大，由于溫升的作用，密度表的讀數(shù)就會偏大，這是這種密度表的正?，F(xiàn)象。如果密度表的讀數(shù)是對應于20℃時的額定壓力，那么，就可能會有漏氣現(xiàn)象存在。

根據(jù)密度表配置在斷路器上的位置不同，其讀數(shù)也有偏差。所謂的環(huán)境溫度，一般是沒有陽光照射下的空氣溫度，如果密度表安裝在斷路器的背陽光側(cè)，密度讀數(shù)就會大些；如果密度表安裝在斷路器的朝陽光側(cè)，經(jīng)陽光照射后溫度就會高些，密度讀數(shù)就會小些。其偏差的大小取決于溫差的大小。

斷路器在運行時，密度表讀數(shù)誤差的大小，取決于斷路器的負荷電流和回路電阻所引起的溫升的大小，并且誤差的大小與環(huán)境溫度無關。嚴格地講，這種讀數(shù)，既不能代表SF6氣體的實際壓力值，也不能代表SF6氣體的實際密度值。

使用密度表，要根據(jù)密度表的結(jié)構(gòu)、原理、使用條件等進行具體分析，不能因為SF6氣體實際密度不隨溫度變化而變化，就認為密度表讀數(shù)也不隨環(huán)境溫度變化而變化。在實際工作中，如果發(fā)現(xiàn)密度表讀數(shù)誤差較大時，也不能就肯定密度表質(zhì)量有問題。

根據(jù)幾年來密度表在冬、夏季的統(tǒng)計分析結(jié)果，負荷電流越大，誤差越大，誤差可達0%～20％。當對類似這種情況不能正確理解時，往往會懷疑密度表或壓力表質(zhì)量差、指示不準確等，而當成缺陷處理，要求更換密度表或壓力表。

在運行中的巡視檢查時，既需要記錄SF6氣體的密度(或壓力)值和環(huán)境溫度，又需要記錄SF6斷路器的負荷電流和溫升情況，只有通過各種因素的分析、比較，才能正確地判斷出設備是否出現(xiàn)漏氣或回路電阻增大等異常現(xiàn)象。

2 SF6氣體密度繼電器

SF6氣體密度繼電器的結(jié)構(gòu)原理。如圖３，它主要由波紋管、微動開關、儲氣杯、塞子、接線柱、軟導接、出線套、大自動接頭、小自動接頭等組成。按其功能可分為傳感元件和電氣元件。傳感元件包括：一個密封的波紋管構(gòu)成的標準氣室(波紋管5的內(nèi)腔)、充放氣塞子4、監(jiān)控氣室(儲氣杯7的內(nèi)腔)等；電氣元件包括微動開關6、軟導線l0、接線柱3、軟連接l等。標準氣室與充放氣塞子4連在一起并固定在密封座上，然后置于用作監(jiān)控氣室的儲氣杯7內(nèi)，兩個氣室內(nèi)的氣體靠波紋管完全隔絕。儲氣杯有兩個自封接頭ll、12，分別與充放氣管路和斷路器的內(nèi)腔相連。微動開關及其機構(gòu)置于波紋管下方的剛性支架上，受波紋管的收縮所驅(qū)動，其觸點由軟導線l0連接到接線柱3上，接線柱3澆裝在隔板9上，然后通過接線板與控制回路連接。

SF6氣體密度繼電器的工作原理。

實際上，它的工作原理是以密封在波紋管5內(nèi)SF6氣體的狀態(tài)為基準，使與斷路器中SF6氣體連通的儲氣杯7中SF6氣體的狀態(tài)與之相比較進行動作的。

當斷路器退出運行時，而且斷路器中SF6氣體在額定密度(或壓力)時的溫度與外界環(huán)境溫度相等時，波紋管5的端部內(nèi)外側(cè)承受的壓力相等，保持在某一平衡位置，使微動開關6的電觸點在打開位置；隨著環(huán)境溫度的變化，波紋管5內(nèi)外SF6氣體的壓力同時發(fā)生變化，因此，作用在波紋管5的端部內(nèi)外側(cè)的壓力變化相互抵消，仍然保持在某一平衡位置，微動開關6的電觸點仍然在打開位置不變。當斷路器退出運行時，而且斷路器中SF6氣體的溫度與外界環(huán)境溫度相等時，如果斷路器泄漏SF6氣體，波紋管5外側(cè)SF6氣體的壓力將會減小，在內(nèi)外壓力差的作用下，將會使波紋管5的端部向下位移，當漏氣到一定程度時，就會使微動開關6各個不同功能的電觸點分別閉合，發(fā)出不同的指令或信號，實現(xiàn)其不同的功能。當斷路器投入運行時，密封在波紋管5內(nèi)的SF6氣體還是在環(huán)境溫度下，由于負荷電流通過回路電阻時消耗的電功率轉(zhuǎn)化成熱能，使斷路器內(nèi)的SF6氣體升溫，產(chǎn)生壓力增量，也即作用于波紋管5外側(cè)SF6氣體的壓力將會增大，就會推動波紋管5的端面向上移動，使微動開關6的電觸點不會閉合。在這種情況下，如果斷路器泄漏SF6氣體，就會使波紋管5外側(cè)SF6氣體的壓力減小。但是，由于溫升的作用，要比斷路器退出運行時漏更多的SF6氣體，微動開關6的電觸點才會閉合。當波紋管5漏氣時，波紋管5內(nèi)與儲氣杯7內(nèi)SF6氣體的壓力相等，在波紋管自身收縮彈力Fb的作用下，由式(３)得波紋管5的伸長量Lb=0，其端部向上位移，這樣，在任何情況下微動開關6的電觸點都不會閉合，密度繼電器就失去了其應有的保護功能。

SF6氣體密度繼電器的工作原理分析。SF6氣體密度繼電器的組裝和整定是在凈化恒溫室(20+1℃)內(nèi)進行的。標準氣室內(nèi)充入SF6氣體的壓力與所配置的斷路器的額定壓力P。達到內(nèi)外壓力平衡。其漏氣率非常微小，可認為是不漏氣。儲氣杯7內(nèi)充入SF6氣體的壓力為Pq，因運行中儲氣杯7是與被監(jiān)控的斷路器氣室連通的，所以在整定時，按照斷路器的低壓報警壓力和閉鎖壓力Pq值進行整定。

標準氣室和監(jiān)控氣室充氣后，當波紋管處于某一平衡位置時，密度繼電器動作元件受力的平衡方程式為

Fn-Fw-ΣFt=Fb(１)

PoSb-PqSb-ΣFt Lt=EbLb(２)

式中 Po—標準氣室壓力或額定壓力；Sb—波紋管截面積；Fn—使波紋管伸長的內(nèi)壓力，其大小等于“PoSb ”；Pq—監(jiān)控氣室內(nèi)壓力；Fw—監(jiān)控氣室內(nèi)氣壓使波紋管縮短的外壓力，其大小等于“PqSb”；Ft —微動開關復位彈簧的彈力；Lt—微動開關復位彈簧的壓縮長度；Eb—波紋管的彈性系數(shù)；Lb—波紋管的伸、縮長度(伸長為正值，縮短為負值)；Fb—波紋管的彈力，其大小等于“EbLb”。

由式(２)可得

(３)

式中的Po、Eb、Sb都可視為常數(shù)，ΣFt Lt又很小，可以忽略不計。因此，Lb的大小基本上取決于Pq與額定壓力之間壓力差的大小。即波紋管的長度與斷路器內(nèi)的壓力Pq具有一一對應的關系。所以，若將微動開關的觸點安裝在與波紋管相對應的適當位置上，就會根據(jù)Pq的變化情況，分別發(fā)出相應的報警或閉鎖信。

使用SF6氣體密度繼電器的注意事項

SF6氣體密度繼電器和SF6氣體密度表相類似，只有在斷路器退出運行時，而且在斷路器內(nèi)外溫度達到平衡后，才能夠準確測量出SF6氣體的密度值；在對斷路器充SF6氣體時和斷路器投入運行時，都不能夠準確測量出SF6氣體的密度值。

SF6氣體密度繼電器，不論其結(jié)構(gòu)原理怎樣不同，它們都只能夠補償由環(huán)境溫度變化帶來的壓力變化，而不能夠補償由斷路器內(nèi)部溫升帶來的壓力變化。實際工程中，使用的都是壓力單位MPa，而不是使用密度的單位。斷路器投入運行時，如果斷路器泄漏SF6氣體，由于溫升的作用，要比斷路器退出運行時漏更多的SF6氣體，才能使密度繼電器的有關電觸點閉合。

有些SF6斷路器制造廠家“產(chǎn)品安裝使用說明書”中要求氣體密度繼電器允許誤差±0.03MPa。但有些制造廠家強調(diào)，SF6氣體密度繼電器和SF6氣體密度表準確度為1.0級，要定期或根據(jù)情況進行校驗，測量值誤差超過0.01MPa時必須更換。這一要求已相互矛盾。在實際工程中，上述類型的SF6氣體密度繼電器和SF6氣體密度表無法達到他們的要求值和國家標準中規(guī)定的最大允許誤差。

SF6氣體密度繼電器讀數(shù)誤差的原因

對于密封在斷路器中固定容器內(nèi)一定質(zhì)量的SF6氣體，在不漏氣的情況下，它的密度是始終不變的。但是，現(xiàn)在使用的SF6氣體密度繼電器和SF6氣體密度表是在抽取壓力量的基礎上進行環(huán)境溫度補償?shù)?，而對于SF6氣體實際溫度與環(huán)境溫度之間的溫升沒有得到補償，因此，溫升越大，誤差越大。如果在漏氣的情況下，同樣不能夠準確判斷，只有在漏氣比較多的情況下，才能夠報警或閉鎖。

運行中的SF6斷路器內(nèi)各處的溫度(或溫升)是不相同的。因為負荷電流通過導電回路時，發(fā)熱點是在處于中間位置的導電回路和接觸電阻處，由于SF6斷路器內(nèi)外存在溫差引起的散熱作用，在整個空間內(nèi)的溫度場中存在著溫度梯度，那么，要想直接測量出SF6斷路器內(nèi)各處的溫度(或溫升)值幾乎是不可能的。所以，沒有辦法測量SF6斷路器內(nèi)部的平均溫度。但是，由于溫升效應引起的壓力增量在密閉空間內(nèi)各處都是相等的，這個壓力增量就是引起SF6氣體密度表和SF6氣體密度繼電器誤差的直接原因。

在斷路器投入運行后的巡視檢查中，不但應檢查并記錄ＳＦ６的壓力和環(huán)境溫度，而且更要注意檢查當時的負荷情況和溫升情況。通過與過去的記錄進行比較，可以大概判斷出內(nèi)部的溫度是否過高，是否超過標準規(guī)定的溫度允許值，進而可以大概判斷出導電回路的接觸電阻是否超標。

在ＳＦ６斷路器停電的情況下，可以根據(jù)ＳＦ６氣體“壓力——溫度曲線”修正后的壓力值，大概判斷出斷路器是否存在漏氣現(xiàn)象。

以上只是對目前我處使用的SF6氣體密度表和SF6氣體密度繼電器作了定性的分析，如果能夠正確地理解和掌握SF6氣體密度表和SF6氣體密度繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及SF6氣體在各種條件下的物理特性，對于實際工程中正確使用、分析、判斷、處理各種具體問題具有一定的實際意義。