SF6高壓電器設(shè)備氣體密度的監(jiān)測及誤差分析

李海波，祁文治，張建軍

(國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

SF6高壓電器設(shè)備氣體密度的監(jiān)測及誤差分析

李海波，祁文治，張建軍

(國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州 730050)

介紹了SF6密度控制器在監(jiān)測SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)部氣體密度的重要性，總結(jié)了各種類型SF6密度控制器的結(jié)構(gòu)特點，分析了溫度補(bǔ)償方式、海拔、電氣設(shè)備溫升及表計漏油等因素對氣體準(zhǔn)確監(jiān)測產(chǎn)生的影響，并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)提出了相關(guān)注意事項。

SF6；高壓電器；氣體密度；監(jiān)測；誤差分析

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的不斷加速，SF6高壓電器得到了廣泛的應(yīng)用，并仍將成為今后高壓和超高壓領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品和全力開發(fā)的方向。作為SF6高壓電器設(shè)備的絕緣和滅弧介質(zhì)，對SF6氣體密度監(jiān)測的準(zhǔn)確性直接影響著設(shè)備的工作性能。在生產(chǎn)實際中，由于SF6高壓電器設(shè)備密度監(jiān)測容易受環(huán)境、產(chǎn)品設(shè)計及運(yùn)維等方面的影響，普遍存在密度監(jiān)測不準(zhǔn)確的問題，為電網(wǎng)安全運(yùn)行留下隱患。

1 SF6氣體密度準(zhǔn)確監(jiān)測的重要性

SF6氣體具有良好的電氣絕緣性能和滅弧性能，廣泛用于支柱式SF6斷路器、罐式SF6斷路器、變壓器、互感器、避雷器、電容器、電纜等單一設(shè)備中，也用于氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)、插接式開關(guān)系統(tǒng)(PASS)等組合電器設(shè)備中。SF6氣體被密封在高壓電器中，由于高壓電器的容積不變，在一定溫度下SF6氣體的壓力可以代表SF6氣體的密度(通常以20 ℃時的SF6氣體壓力作為密度標(biāo)準(zhǔn)值)。如果高壓電器設(shè)備內(nèi)部SF6氣體密度確實降低了，就會造成高壓電器耐壓強(qiáng)度降低，直接影響斷路器設(shè)備的滅弧性能；同時伴隨氣體泄漏，致使大氣中的水分進(jìn)入高壓電器內(nèi)部，導(dǎo)致SF6氣體微水含量超標(biāo)，進(jìn)一步影響SF6高壓電器設(shè)備的性能。因此，對SF6氣體密度進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測是非常重要的。

2015年，某省電力公司檢修公司所轄110—750 kV SF6高壓電器設(shè)備(斷路器、組合電器、電流互感器)共發(fā)生各類缺陷189項，其中涉及SF6氣體密度監(jiān)測缺陷的共計74項，比例高達(dá)39.2 %。在SF6氣體密度監(jiān)測缺陷統(tǒng)計中，氣壓降低但未檢測到漏氣的為61項，比例高達(dá)82.4 %；氣壓降低但檢測到漏氣的為6項，比例為8.1 %；監(jiān)控系統(tǒng)誤發(fā)為3項，比例為4.1 %；SF6密度控制器漏油為3項，比例為4.1 %；其他表計零部件損壞缺陷1項，比例為1.3 %。

由此可見，SF6高壓電器設(shè)備缺陷總數(shù)中密度監(jiān)測缺陷占很高比例，且絕大多數(shù)SF6氣體密度監(jiān)測缺陷為監(jiān)測不準(zhǔn)確引起，并非設(shè)備真正漏氣所致。

2 SF6密度控制器的分類及特點

SF6密度控制器主要用于實時監(jiān)測和顯示SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)SF6氣體的密度，不應(yīng)受到環(huán)境溫度的影響。為了辨別設(shè)備內(nèi)部SF6氣體密度變化是因泄漏還是受環(huán)境溫度影響，SF6密度控制器需裝設(shè)溫度補(bǔ)償元件。為了保證SF6高壓電器在壓力降低情況下的設(shè)備安全，密度控制器設(shè)置了電接點，其中安裝在斷路器上的密度控制器設(shè)置2對或3對報警和閉鎖觸點，其他設(shè)備僅設(shè)置1對報警觸點。

按照結(jié)構(gòu)的不同，常用的SF6密度控制器主要分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ型。

2.1 Ⅰ型密度控制器

Ⅰ型密度控制器由2只波紋管、杠桿、微動開關(guān)及感溫包組成(見圖1)。波紋管A與斷路器氣室相通，波紋管B與感溫包相通，且在20 ℃時注入額定氣壓的SF6氣體。當(dāng)斷路器工作在額定氣壓時(20 ℃)，杠桿平衡，微動開關(guān)接點常開；當(dāng)環(huán)境溫度變化時，波紋管A，B中的氣壓也等值變化，杠桿平衡，達(dá)到溫度補(bǔ)償作用。如果斷路器氣室漏氣，波紋管A中氣壓下降，波紋管收縮，杠桿反時針轉(zhuǎn)動，微動開關(guān)接通，發(fā)出告警信號；若未及時補(bǔ)氣，則氣壓繼續(xù)下降，直至閉鎖斷路器動作。

圖1 Ⅰ型密度控制器結(jié)構(gòu)示意

Ⅰ型密度控制器在早期SF6斷路器產(chǎn)品中應(yīng)用較多，需要配置SF6真空壓力表來監(jiān)視壓力，主要缺點是：因感溫包通常安裝在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，箱內(nèi)溫度與斷路器內(nèi)部SF6溫度通常不相等，尤其在冬季；機(jī)構(gòu)箱內(nèi)設(shè)置加熱器，極易造成密度控制器誤報警。

2.2 Ⅱ型密度控制器

Ⅱ型密度控制器由1只波紋管、1只微動開關(guān)及外殼等組成(見圖2)。波紋管A在20 ℃時注入額定氣壓SF6氣體，密度控制器外殼內(nèi)腔與斷路器氣室相通；當(dāng)斷路器漏氣時，波紋管A的外部氣壓低于內(nèi)部，波紋管A伸長而使接點導(dǎo)通發(fā)出補(bǔ)氣信號。

圖2 Ⅱ型密度控制器結(jié)構(gòu)示意

Ⅱ型密度控制器也需要配置SF6真空壓力表來監(jiān)視壓力。為了避免斷路器操作振動帶來的影響，該繼電器也安裝在機(jī)構(gòu)箱中；由于箱內(nèi)溫度與斷路器內(nèi)部SF6溫度通常不相等，現(xiàn)場密度控制器產(chǎn)生誤報警的現(xiàn)象較為普遍。

2.3 Ⅲ型密度控制器

Ⅲ型密度控制器將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，主要由壓力檢測彈簧管、溫度補(bǔ)償熱雙金屬片、機(jī)芯及扇形齒輪及指針等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。密度控制器利用壓力檢測彈簧管感受斷路器SF6氣壓變化，利用膨脹系數(shù)不同的溫度補(bǔ)償熱雙金屬片來補(bǔ)償溫度對SF6氣壓的影響。當(dāng)溫度升高時，壓力檢測彈簧管因管內(nèi)氣壓上升而有向上位移趨勢，帶動扇形齒輪及指針沿雙箭頭方向運(yùn)動，而與B點相連的雙金屬片膨脹，推動扇形齒輪及指針沿單箭頭方向運(yùn)動，2種位移趨勢相互抵消，B點不動，指針指數(shù)也不變。

圖3 Ⅲ型密度控制器結(jié)構(gòu)示意

Ⅲ型密度控制器典型產(chǎn)品為WIKA表，其主要優(yōu)點是控制器將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，氣壓監(jiān)測直觀、方便，監(jiān)控精度較高，可直接裝設(shè)在斷路器本體上，能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)環(huán)境溫度及斷路器溫度變化，主要缺點是雙金屬片特性對控制器精度影響較大。

2.4 Ⅳ型密度控制器

Ⅳ型密度控制器也是將真空壓力表與SF6密度控制器組合成一體，主要由壓力檢測彈簧管、溫度補(bǔ)償彈簧管、機(jī)芯及扇形齒輪、拉桿及指針等組成，如圖4所示。壓力檢測彈簧管與斷路器氣室SF6氣體相通，20 ℃時往溫度補(bǔ)償彈簧管內(nèi)部注入額定氣壓的SF6氣體，將其作為標(biāo)準(zhǔn)比較氣體。環(huán)溫升高時，壓力檢測彈簧管膨脹，因A點固定，使B點有反時針向上轉(zhuǎn)趨勢，并傳遞給溫度補(bǔ)償彈簧管，經(jīng)過C點后使扇形板及指針沿雙箭頭方向轉(zhuǎn)動。此時溫度補(bǔ)償彈簧管也因環(huán)溫升高而膨脹，使C點順時針轉(zhuǎn)動，帶動扇形齒輪、拉桿及指針沿單箭頭方向運(yùn)動。2種箭頭所示運(yùn)動趨勢等值反向，最終使指針不動，達(dá)到溫度補(bǔ)償作用。

圖4 Ⅳ型密度控制器結(jié)構(gòu)示意

Ⅳ型密度控制器典型產(chǎn)品為國產(chǎn)表計，其主要優(yōu)點與Ⅲ型密度控制器大致相同，且較Ⅲ型密度控制器而言，該控制器只受2個相同零件、1種材質(zhì)特性的影響，產(chǎn)品可靠性比較高。

3 SF6密度控制器監(jiān)測誤差影響因素分析

3.1 溫度補(bǔ)償方式

SF6密度控制器溫度補(bǔ)償有2種方式：全補(bǔ)償和欠補(bǔ)償。

假設(shè)斷路器中的SF6氣體無泄漏，在全補(bǔ)償方式下，SF6密度控制器中的感溫元件安裝位置與環(huán)境同溫，斷路器本體與感溫元件同時感受到環(huán)境溫度的變化，所以斷路器內(nèi)的氣壓隨環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的變化被補(bǔ)償元件的逆動趨勢所平衡，密度控制器的指針示數(shù)不會發(fā)生變化。

在欠補(bǔ)償方式下，SF6密度控制器中的感溫元件安裝位置處的溫度與環(huán)境溫度不同，主要原因是感溫元件安裝在機(jī)構(gòu)箱中，冬季加熱裝置投入運(yùn)行后，感溫元件感受到的溫度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷路器感受到的溫度變化，SF6密度控制器對斷路器溫度下降補(bǔ)償能力不足，導(dǎo)致在斷路器無泄漏的情況下指針示數(shù)為壓力下降，產(chǎn)生誤報警。舉例分析如下。

對1臺實際無泄漏的斷路器而言，設(shè)置操作閉鎖壓力為0.5 MPa。當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時，實際壓力為0.524 MPa，氣體壓力不報警；當(dāng)環(huán)境溫度為-30 ℃時，機(jī)構(gòu)箱加熱器投入后箱內(nèi)空氣溫度升高15 ℃。隨著環(huán)境溫度變化，由于SF6密度控制器的感溫元件因加熱器的溫度補(bǔ)償實際溫度高于環(huán)境溫度，形成欠補(bǔ)償，SF6密度控制器測得壓力為0.488 MPa，產(chǎn)生斷路器實際無泄漏而誤報警，如表1所示。壓力計算如下：

其中：Pt——SF6密度控制器的指示值，MPa；P——SF6實際壓力值(環(huán)境溫度下的壓力值)，MPa；P0——環(huán)境溫度與20 ℃下的SF6壓力差，MPa。

其中：αt——溫度修正系數(shù)，MPa/℃(見表2)；Δt1——環(huán)境溫度變化量，℃；Δt2——感溫元件溫度變化量，℃。

經(jīng)計算可得：Δt1=20-(-30)=50 ℃；Δt2=20-(-15)=35 ℃；P0=αt(Δt1-Δt2)=0.002 4×(50-35)=0.002 4×15=0.036 MPa；Pt=P-P0=0.524-0.036=0.488 MPa。

表1 欠補(bǔ)充導(dǎo)致誤報警

表2 SF6氣壓溫度修正系數(shù)αt

3.2 高海拔

SF6密度控制器通過表計相對氣壓來監(jiān)測產(chǎn)品的SF6氣體密度。由于SF6密度控制器基本在海拔1 000 m以下生產(chǎn)，對SF6高壓電器設(shè)備而言，假如在平原地區(qū)充入0.50 MPa氣體，當(dāng)運(yùn)輸至海拔3 000 m變電站后，表計顯示為0.530 MPa。為了處理好海拔的差異，在平原地區(qū)產(chǎn)品相應(yīng)參數(shù)基礎(chǔ)上再增加H×10-5MPa充氣壓力(H為海拔，單位為m)，同時與SF6高壓電器設(shè)備配套使用的SF6密度控制器額定值、補(bǔ)氣值及報警值都應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整。

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器內(nèi)部充有部分硅油，且在油面上部留有一定的空腔，空腔內(nèi)部的空氣氣壓與控制器制造廠所在地大氣壓相同，在高海拔地區(qū)使用時，將仍會和低海拔地區(qū)的壓力相同，這樣會造成監(jiān)測到SF6相對氣壓偏低。

3.3 溫升

在實際運(yùn)行中，電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體通過電流會產(chǎn)生溫升，該溫升會引起設(shè)備內(nèi)部氣體溫度升高，從而引起壓力偏差。根據(jù)DL/T 728—2000《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備訂貨技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，運(yùn)行人員易接觸的GIS外殼，其溫升不應(yīng)超過30 K；運(yùn)行人員易接近、但正常操作時不需接觸的外殼，其溫升不應(yīng)超過40 K；運(yùn)行人員不接觸的部位，允許溫升可提高到65 K。根據(jù)GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的共用技術(shù)要求》規(guī)定，裸銅觸頭材料在SF6氣體中的最高溫度為105 ℃，運(yùn)行溫升為65 K。由此可以看出，環(huán)境溫度引起的壓力偏差可以補(bǔ)償，但由于設(shè)備運(yùn)行造成的內(nèi)部溫升卻不易補(bǔ)償，其影響可能超過環(huán)境溫度影響。

3.4 漏油

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器一般采用磁助式接點，接點閉合時，閉合力僅靠觸頭游絲的微小力以及磁助式力；當(dāng)斷路器分、合閘振動時，接點特別容易發(fā)生問題。為了提高其抗振性，在密度控制器中充有防振硅油。在正常運(yùn)行中，密度控制器的密封問題因而也較為突出，但未引起高度重視，未意識到漏油將會給SF6電氣設(shè)備帶來潛在的安全危害。如當(dāng)密度控制器防振硅油滲漏完后，其阻尼作用將消失，在斷路器分、合閘強(qiáng)烈沖擊后，會出現(xiàn)指針卡死、接點失效及偏差超標(biāo)等故障。同時，由于無防振硅油，接點易氧化，甚至積有灰塵，接點容易出現(xiàn)接觸不良或不通的情況。2013—2015年期間，該公司共檢測SF6密度繼電器196塊，發(fā)現(xiàn)接點不能可靠導(dǎo)通的有6只，約占總數(shù)的3.1 %，而這些接點不能可靠導(dǎo)通的原因全部是防振硅油泄漏。

4 SF6氣體密度繼電器設(shè)計及運(yùn)維的注意事項

(1) 為避免因感溫元件安裝位置不當(dāng)造成的誤報警，在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)使SF6密度控制器的感溫元件與環(huán)境同溫，帶感溫包的應(yīng)將感溫包安裝于機(jī)構(gòu)箱外；Ⅲ，Ⅳ型密度控制器安裝位置應(yīng)避免日照的影響，必要時加裝遮光罩。嚴(yán)格按照《國家電網(wǎng)公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，密度繼電器應(yīng)裝設(shè)在與斷路器或GIS本體同一運(yùn)行環(huán)境溫度的位置，以保證其報警、閉鎖觸點的正確動作。

(2) 戶外使用的SF6密度控制器容易受到雨水或潮氣影響而發(fā)生誤報警，所以產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格按照《國家電網(wǎng)公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，對戶外安裝的密度繼電器設(shè)置防雨罩，且密度繼電器防雨罩應(yīng)能將表、控制電纜接線盒和充放氣接口一起放入，防止指示表、控制電纜接線盒和充放氣接口進(jìn)水受潮。

(3) 現(xiàn)場運(yùn)行的密度控制器，經(jīng)過一段時間后會出現(xiàn)動作不靈活、觸點接觸不良等現(xiàn)象，因此密度控制器應(yīng)按要求定期進(jìn)行校驗。為滿足在運(yùn)行中可以進(jìn)行校驗的要求，產(chǎn)品設(shè)計時也應(yīng)嚴(yán)格按照《國家電網(wǎng)公司十八項重大反事故措施》12.1.1.6要求，SF6密度繼電器與開關(guān)設(shè)備本體之間的連接方式應(yīng)滿足不拆卸校驗密度繼電器的要求。

(4) SF6高壓電器設(shè)備投入運(yùn)行后，運(yùn)維人員應(yīng)定期記錄SF6氣體的壓力和環(huán)境溫度?？紤]到設(shè)備運(yùn)行時溫升的影響，在巡視過程中，不但要記錄SF6氣體的壓力和環(huán)境溫度，還應(yīng)注意當(dāng)時的負(fù)荷情況。通過與過去記錄的精確比對，可準(zhǔn)確判斷壓力變化是由內(nèi)部漏氣還是溫升造成的。

(5) 充油型密度控制器在運(yùn)行中，通氣孔的螺釘要擰松，通過“放氣”使控制器內(nèi)部與大氣相通，此時充油型密度控制器的使用特性與干式密度控制器一致。在密度控制器內(nèi)部無壓力時，當(dāng)控制器溫度低于20 ℃時，指針偏于0以下；當(dāng)溫度高于20 ℃時，指針偏于0以上；當(dāng)控制器溫度等于20 ℃時，指針應(yīng)正好指向0處。

(6) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器防振硅油滲漏時，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行巡視，嚴(yán)格避免防振硅油漏完后長期運(yùn)行，對漏油的密度控制器應(yīng)盡快安排更換。

(7) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器正常工作時，指針會指示在表盤的綠色區(qū)域內(nèi)。黃色區(qū)域為警告區(qū)域，當(dāng)指針指示在該區(qū)域時，密度控制器會發(fā)出壓力低報警信號，需要及時補(bǔ)氣。紅色區(qū)域為閉鎖區(qū)域，當(dāng)指針指示在該區(qū)域時，密度控制器會發(fā)出壓力低閉鎖信號，此時斷路器設(shè)備將禁止操作。同時應(yīng)注意在給SF6高壓電器設(shè)備補(bǔ)氣時密度控制器指針不能超過綠色區(qū)域。

5 結(jié)束語

SF6密度控制器是監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部氣體密度的重要元件，各種類型的SF6密度控制器結(jié)構(gòu)特點不同。溫度補(bǔ)償方式、海拔、電氣設(shè)備溫升及表計漏油都會對SF6密度控制器準(zhǔn)確監(jiān)測產(chǎn)生影響，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)漠a(chǎn)品設(shè)計、精益的設(shè)備運(yùn)維是設(shè)備可靠運(yùn)行的保證。研制出能夠準(zhǔn)確反映SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)部氣體真實密度的密度控制器，是今后的研究方向。

1 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T 22065—2008壓力式六氟化硫氣體密度控制器[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

2 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．JB/T 10549—2006氣體密度繼電器和密度表通用技術(shù)條件[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

3 國家電網(wǎng)公司．國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施[M]．北京：中國電力出版社，2012.

4 中國人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會．DL/T 728—2000氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備訂貨技術(shù)導(dǎo)則[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

5 中國人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．DL/T 11022—2011高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

2017-03-18。

李海波(1976—)，男，高級工程師，長期從事高壓開關(guān)技術(shù)研究工作，email：lhb0943@163.com。

祁文治(1974—)，男，工程師，長期從事變電運(yùn)維管理工作。

張建軍(1972—)，男，高級工程師，長期從事變電運(yùn)維安全技術(shù)監(jiān)督管理工作。