基于自動(dòng)控制壓力的智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀

孫曉全姜東飛戴翔/ . 河南省計(jì)量科學(xué)研究院；. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司檢修公司

基于自動(dòng)控制壓力的智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀

孫曉全1姜東飛2戴翔1/ 1. 河南省計(jì)量科學(xué)研究院；2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司檢修公司

從SF6密度繼電器在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用及其定期校驗(yàn)的必要性出發(fā)，分析了早期手動(dòng)校驗(yàn)設(shè)備的不足，闡述了基于自動(dòng)控制壓力的智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀的特點(diǎn)，并對(duì)其核心器件以及軟件流程進(jìn)行了分析。智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀壓力測(cè)量準(zhǔn)確度0.05級(jí)、溫度測(cè)量誤差小于0.2 ℃、加減壓力的速度可以控制在0.001 MPa/s以?xún)?nèi)，且具有將其他溫度下SF6氣體壓力換算為20 ℃時(shí)壓力值的功能。智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀具備了對(duì)SF6氣體密度繼電器進(jìn)行自動(dòng)檢定和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定的能力。

壓力；SF6密度繼電器；智能；校驗(yàn)儀

0 引言

為了保證互感器、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器等高壓電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，通常需要在密閉的高壓電氣設(shè)備內(nèi)充裝一定密度的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，由于密閉設(shè)備會(huì)發(fā)生微量的泄露，因此，必須對(duì)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的密度進(jìn)行監(jiān)控。

目前通用的方法是使用SF6密度控制器（行業(yè)內(nèi)俗稱(chēng)密度繼電器）通過(guò)測(cè)量氣體壓力對(duì)其密度進(jìn)行監(jiān)控。SF6密度繼電器其實(shí)是一種具有溫度補(bǔ)償功能的電接點(diǎn)壓力表，它的表盤(pán)以20 ℃時(shí)SF6氣體的壓力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)度，以彈簧管作為壓力敏感元件、以雙金屬片作為溫度補(bǔ)償元件，可以將不同溫度下的SF6氣體壓力轉(zhuǎn)換為20 ℃時(shí)的壓力值并可以發(fā)出補(bǔ)氣或閉鎖信號(hào)。為保證密度繼電器的準(zhǔn)確可靠和高壓電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布了JJG 1073-2011《壓力式六氟化硫氣體密度控制器》檢定規(guī)程，國(guó)家電力總公司也要求對(duì)SF6密度繼電器進(jìn)行定期校驗(yàn)。

1 早期的校驗(yàn)設(shè)備

早期通常采用電接點(diǎn)壓力表的檢定設(shè)備來(lái)對(duì)密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)。例如采用精密壓力表或數(shù)字壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)器；使用手動(dòng)的壓力校驗(yàn)器作為加減壓力的工具；設(shè)定點(diǎn)偏差的校驗(yàn)以聲音或燈光作為發(fā)訊信號(hào)，人工讀取切換值。

這種設(shè)備的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。首先，檢定設(shè)定點(diǎn)偏差時(shí)JJG 1073-2011檢定規(guī)程要求加（減）壓力的速度不得大于0.001 MPa/s，手動(dòng)的壓力校驗(yàn)器很難達(dá)到這一要求；其次，作為標(biāo)準(zhǔn)器的精密壓力表或數(shù)字壓力表不具備將常溫SF6氣體壓力換算為20 ℃時(shí)壓力值的功能，無(wú)法攜帶至現(xiàn)場(chǎng)對(duì)SF6密度繼電器進(jìn)行檢修或校驗(yàn)。目前，這種早期的設(shè)備已基本被能夠自動(dòng)控壓、智能化的校驗(yàn)儀所替代。

2 自動(dòng)控制壓力的智能密度繼電器校驗(yàn)儀

近年來(lái)，隨著傳感器和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，SF6密度繼電器的校驗(yàn)技術(shù)也日趨自動(dòng)化和智能化，出現(xiàn)了一批能夠自動(dòng)控制壓力、自動(dòng)處理和儲(chǔ)存校驗(yàn)數(shù)據(jù)且具有將其他溫度下SF6氣體壓力換算為20 ℃時(shí)壓力值的智能化的SF6密度繼電器校驗(yàn)儀。下面以某公司的產(chǎn)品為例，介紹這種智能SF6密度繼電器校驗(yàn)儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)校驗(yàn)儀）的工作原理。

2.1 測(cè)量過(guò)程

校驗(yàn)儀通常由工控電腦、信號(hào)處理及控制單元、壓力控制單元、觸點(diǎn)信號(hào)采集單元、壓力（溫度）傳感器等部分組成，壓力源一般使用充裝SF6氣體的小型高壓氣瓶，如圖1所示。示值校驗(yàn)時(shí)，使用者只需在校驗(yàn)儀面板上通過(guò)觸摸屏或鍵盤(pán)輸入校驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值，校驗(yàn)儀即可自動(dòng)加（減）壓至該點(diǎn)；進(jìn)行設(shè)定點(diǎn)偏差校驗(yàn)時(shí)，校驗(yàn)儀能夠自動(dòng)控制壓力使密度繼電器的指針以小于0.001 MPa/s的速度接近設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)密度繼電器發(fā)出報(bào)警或補(bǔ)氣信號(hào)時(shí)校驗(yàn)儀的觸點(diǎn)信號(hào)采集單元能夠?qū)⒂|點(diǎn)信號(hào)同步傳遞給信號(hào)處理和控制單元，完成設(shè)定點(diǎn)偏差的校驗(yàn)；當(dāng)環(huán)境溫度偏離20 ℃時(shí)，校驗(yàn)儀可以根據(jù)內(nèi)置程序以及所測(cè)量的溫度自動(dòng)將測(cè)得的壓力換算為20 ℃時(shí)的壓力值并以此進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 密度繼電器校驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 關(guān)鍵器件及功能

校驗(yàn)儀的關(guān)鍵器件主要有壓力傳感器、溫度傳感器、壓力控制單元、觸點(diǎn)信號(hào)采集單元、信號(hào)處理和控制單元等。

2.2.1 壓力傳感器

校驗(yàn)儀工作時(shí)，SF6氣體壓力作用在壓力傳感器測(cè)量膜片的表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，膜片上的測(cè)量電路將此形變轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的電壓信號(hào)，然后再將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)。為保證壓力測(cè)量和控制的準(zhǔn)確性，需要采用較高準(zhǔn)確度級(jí)別的壓力傳感器，當(dāng)校驗(yàn)儀為0.1級(jí)以上級(jí)別時(shí)，需要采用0.01級(jí)的壓力傳感器。

2.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器的作用是將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳送到信號(hào)處理和控制單元，校驗(yàn)儀可以根據(jù)接收到的溫度信號(hào)將壓力傳感器傳送來(lái)的壓力信號(hào)換算成20 ℃時(shí)的壓力值。為保證溫度信號(hào)的準(zhǔn)確性，溫度傳感器需要使用AA級(jí)的鉑電阻溫度計(jì)。若使用A級(jí)的鉑電阻溫度計(jì)，則必須根據(jù)其檢定證書(shū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.2.3 壓力控制單元

根據(jù)JJG 1073-2011檢定規(guī)程的相關(guān)要求，在進(jìn)行設(shè)定點(diǎn)偏差校驗(yàn)時(shí)，壓力變化的速度必須控制在0.001 MPa/s以?xún)?nèi)，這樣才能保證讀取的切換值沒(méi)有過(guò)沖。但是如果整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程都是以這么慢的速度加減壓力，校驗(yàn)時(shí)間肯定會(huì)大幅增加。為了提高工作效率，該校驗(yàn)儀的壓力控制設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)控制、定速控制和靜態(tài)控制三種模式。當(dāng)校驗(yàn)系統(tǒng)的壓力由一個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)向另一個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)變化時(shí)，校驗(yàn)儀首先進(jìn)入動(dòng)態(tài)控制模式，此時(shí)校驗(yàn)儀處于快速升（降）壓力的狀態(tài)；當(dāng)校驗(yàn)系統(tǒng)的壓力接近目標(biāo)時(shí)，校驗(yàn)儀進(jìn)入定速控制模式，此時(shí)校驗(yàn)儀以規(guī)定的速度控制壓力緩慢變化，在進(jìn)行設(shè)定點(diǎn)偏差校驗(yàn)時(shí)，壓力變化的速度可以控制在0.001 MPa/s以?xún)?nèi)；當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)值后，停止加（減）壓力，校驗(yàn)儀進(jìn)入靜態(tài)控制模式，將校驗(yàn)系統(tǒng)壓力維持在目標(biāo)值，通常要求壓力波動(dòng)范圍須控制在最大允許誤差絕對(duì)值的1/2以?xún)?nèi)，當(dāng)壓力超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)重新加（減）壓力，將其調(diào)回至目標(biāo)值。

2.2.4 觸點(diǎn)信號(hào)采集單元

該單元的主要功能是采集密度繼電器觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)，當(dāng)壓力大于報(bào)警值時(shí)觸點(diǎn)閉合，當(dāng)壓力低于報(bào)警值時(shí)觸點(diǎn)則斷開(kāi)，此時(shí)觸點(diǎn)信號(hào)采集單元應(yīng)能夠?qū)⒂|點(diǎn)的接觸狀態(tài)同步傳遞給信號(hào)處理和控制單元，從而完成報(bào)警值偏差（即設(shè)定點(diǎn)偏差）的校驗(yàn)。為了減小觸點(diǎn)閉合對(duì)系統(tǒng)的干擾，采用光耦進(jìn)行信號(hào)隔離處理。如圖2所示，兩個(gè)觸點(diǎn)連接到光耦的輸入端（SW1和SW2），光耦的輸出端（DI）上拉后連接到處理器的GPIO引腳。當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，光耦不導(dǎo)通，光耦輸出高電平；當(dāng)觸點(diǎn)接觸時(shí)，光耦導(dǎo)通，光耦輸出低電平。處理器通過(guò)測(cè)量該電平的高低，判斷觸點(diǎn)是否閉合。

圖2 觸點(diǎn)信號(hào)采集單元示意圖

2.2.5 信號(hào)處理和控制單元

該單元的主要功能是將壓力傳感器和溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)壓力控制單元及驅(qū)動(dòng)電路、工控電腦等發(fā)出指令，使校驗(yàn)儀按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行工作直至校驗(yàn)完成。

壓力信號(hào)的轉(zhuǎn)換是將壓力傳感器輸出的4～20 mA電流信號(hào)通過(guò)高精度采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后進(jìn)行運(yùn)放處理，將運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換是將恒流源輸出的電流，激勵(lì)到鉑電阻溫度傳感器上，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再將該電壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)放處理，然后進(jìn)行AD采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為了提高采樣精度，AD芯片通常選用24位AD，采樣及恒流源的基準(zhǔn)電壓選用溫度系數(shù)較小、長(zhǎng)期穩(wěn)定性較高的參考源（如REF3230）。

校驗(yàn)儀根據(jù)處理后的壓力信號(hào)、溫度信號(hào)及觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)判斷當(dāng)前的校驗(yàn)狀態(tài)，對(duì)壓力控制單元及驅(qū)動(dòng)電路、工控電腦等發(fā)出指令，使其按照規(guī)定的模式完成示值誤差、回程誤差、設(shè)定點(diǎn)偏差等項(xiàng)目的校驗(yàn)。

2.3 軟件流程

校驗(yàn)儀的軟件程序主要由測(cè)控程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。中斷服務(wù)程序主要進(jìn)行壓力信號(hào)采樣和溫度信號(hào)采樣，對(duì)采樣的數(shù)值進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除信號(hào)上迭加的干擾信號(hào)，對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。測(cè)控程序主要是控制電磁閥進(jìn)行充放氣，對(duì)采樣的觸點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)采樣的壓力值和溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將測(cè)量的結(jié)果存入工控電腦中，通過(guò)預(yù)設(shè)的程序?qū)⑵渌麥囟认虏蓸拥膲毫χ祿Q算為20 ℃時(shí)的壓力值并計(jì)算出檢定結(jié)果。校驗(yàn)儀的主程序框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖

3 結(jié)語(yǔ)

在校驗(yàn)儀的技術(shù)要求中，關(guān)鍵部分在于壓力的測(cè)量、控制以及不同溫度下SF6氣體壓力與密度的換算等。目前國(guó)內(nèi)的校驗(yàn)儀技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)可以達(dá)到壓力測(cè)量準(zhǔn)確度0.05級(jí)、溫度測(cè)量誤差小于0.2 ℃、加減壓力的速度可以控制在0.001 MPa/s以?xún)?nèi)，且具有將其他溫度下SF6氣體壓力換算為20 ℃時(shí)壓力值的功能，因此已經(jīng)具備了對(duì)SF6氣體密度繼電器進(jìn)行自動(dòng)檢定和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定的能力。

[1] 全國(guó)壓力計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 1073-2011 壓力式六氟化硫氣體密度控制器[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

[2] JJG 1107-2015 自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2015.

[3] 全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 22065-2008壓力式六氟化硫氣體密度控制器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4] 屠本燁，孫曉全.SF6氣體密度監(jiān)控儀表在高壓電氣設(shè)備中的應(yīng)用與檢定[J].中國(guó)計(jì)量，2011（2）：118-119.

An intelligent SF6gas density monitor calibrator based on automatic control of gas pressure

Sun Xiaoquan1，Jiang Dongfei2，Dai Xiang1
（1. Henan Institute of Metroiogy；2. Xingjiang power maintenance company of State Grid）

The paper starts from the application and the necessity of periodic calibration of the SF6gas density monitor in high voltage electrical equipment. The shortage of the common manual calibration equipment designed in early period was analyzed and the distinguishing features of the intelligent SF6gas density monitor calibrator based on automatic control of pressure were also stated. Moreover, the key components and the software flow for designing the intelligent SF6gas density monitor calibrator were analyzed. Experiment results showed that the accuracy of pressure measurement of 0.05, the temperature measurement error less than 0.2 ℃ and the rising and falling rate of gas pressure controlled within 0.001 MPa/s have been obtained. For this intelligent SF6gas density monitor calibrator, the pressure value measured at different temperatures can be converted to the pressure value at 20 ℃.This intelligent SF6density monitor calibrator can be on-site used to calibrate the SF6gas density monitor, automatically.

pressure; SF6gas density monitor; intelligent; calibrator