SF6密度繼電器監(jiān)測GIS氣室壓力的誤差分析

劉 杰，毛海波，姜 濤，周愛良

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，杭州 311121）

0 引言

SF6具有良好的電氣絕緣性能和優(yōu)異的滅弧性能，因此被廣泛于應(yīng)用變電站中［1-3］。GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）絕緣氣體一般為SF6氣體，變電站為了節(jié)約土地資源，大量應(yīng)用GIS 設(shè)備來替代原來敞開式的電氣設(shè)備，在超高壓及特高壓變電站中尤其如此。一般情況下，GIS 設(shè)備通過不同的SF6氣室將不同的電氣設(shè)備隔離開來。不同氣室的SF6壓力也不一樣，一般開關(guān)氣室壓力最高，隔離開關(guān)、接地閘刀及電流互感器氣室壓力次之，母線氣室壓力最低。GIS 氣室有時會存在氣體泄漏情況，泄漏嚴(yán)重時可能發(fā)展成設(shè)備故障問題［4-8］，因此需要對氣室壓力進(jìn)行監(jiān)視，以便及時了解氣室變化從而采取進(jìn)一步的處理措施。目前常用的監(jiān)視方法是在氣室上安裝SF6密度繼電器來監(jiān)視壓力，通過監(jiān)視氣室密度來反映氣室的壓力變化。

2021 年1 月，某特高壓交流變電站監(jiān)控后臺出現(xiàn)某電流互感器及隔離開關(guān)氣室壓力報警報文，經(jīng)檢查確認(rèn)SF6大氣室壓力監(jiān)測存在問題。一般對于較大氣室，壓力表處裝有密度傳感器及溫度補(bǔ)償裝置即密度控制器，受熱時，氣室內(nèi)SF6的溫升較壓力表處傳感器的溫升慢，導(dǎo)致密度控制器過補(bǔ)償，造成溫度升高時，密度繼電器補(bǔ)償后的壓力小于實際壓力，從而導(dǎo)致報警。文獻(xiàn)［9］通過理想氣體狀態(tài)方程分析了SF6密度繼電器補(bǔ)償原理，給出了誤報氣壓低告警信號的原因。文獻(xiàn)［10］同樣通過理想氣體狀態(tài)方程分析了密度繼電器指針波動原因及處理方法。不同于文獻(xiàn)［8-9］，文獻(xiàn)［11］指出當(dāng)氣體壓力高于0.3 MPa 時，SF6氣體的壓力變化特性不再符合理想氣體狀態(tài)方程，可以用SF6氣體壓力-溫度曲線（等密度線）表示［12］。對于以上文獻(xiàn)所提的2種分析方法在具體實際應(yīng)用中有多少不同，目前還未見相關(guān)文獻(xiàn)報道，2種方法分析具體溫度與補(bǔ)償壓力的關(guān)系需要進(jìn)一步的分析研究。

1 SF6補(bǔ)償分析

1.1 理想氣體狀態(tài)方程

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得到壓力與密度的關(guān)系式［9-10］：

式中：M為SF6氣體質(zhì)量，無氣體泄漏時為常數(shù)；Rg為SF6氣體常數(shù)，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）；V為氣室體積，為常數(shù)；T為密度繼電器安裝處的絕對溫度（T=t+273）；t為環(huán)境溫度；ρ為SF6氣體密度。

根據(jù)式（1）可知，在常見氣室額定壓力與密度關(guān)系如表1所示。

理想氣體狀態(tài)是在特定環(huán)境下的情況，實際應(yīng)用中SF6氣體的分子質(zhì)量大，分子間相互作用明顯。當(dāng)SF6氣體壓力大于0.3 MPa時，氣體壓力的變化特性不再符合理想氣體狀態(tài)方程［11，15］。如果繼續(xù)使用理想氣體狀態(tài)方程，將會造成一定的誤差，這時就需要引入新的計算方法。

1.2 Beattie-Bridgman方程

《六氟化硫氣體密度繼電器校驗規(guī)程》中給出了SF6氣體狀態(tài)方程，即Beattie-Bridgman（貝蒂-布里奇曼）方程式，根據(jù)該方程式可知氣體密度與壓力的關(guān)系［16］：

式中：p為壓力×0.1 MPa；d為密度；T為溫度。

根據(jù)式（2）可知，在20 ℃下常見氣室額定壓力與密度關(guān)系如表2所示。

表2 20℃下常見氣室額定壓力與密度對應(yīng)關(guān)系（Beattie-Bridgman方程）

由式（1）和式（2）可以看出，不僅密度影響壓力的大小，溫度也影響壓力的大小。一定質(zhì)量和體積下的氣體，即密度固定的情況下，溫度與壓力呈線性關(guān)系。溫度升高時壓力增加，溫度降低時壓力減小。用于檢測氣室壓力的表計，工程應(yīng)用中希望氣室壓力不隨環(huán)境溫度的變化而變化，即在氣室不發(fā)生氣體泄漏的情況下，希望監(jiān)測的氣室壓力維持在一個不變的數(shù)值。這就需要對氣室壓力進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)溫度升高時壓力上升，給予負(fù)的壓力補(bǔ)償；溫度降低時壓力下降，給予正的壓力補(bǔ)償，從而達(dá)到氣室壓力盡可能不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化。

1.3 SF6補(bǔ)償計算

由表1 和表2 的數(shù)據(jù)，可以繪制如圖1 所示的20 ℃下常見氣室額定壓力與密度關(guān)系曲線。

圖1 20 ℃下常見氣室SF6額定壓力與密度關(guān)系曲線

由圖1 可以看出，在相同壓力下，Beattie-Bridgman 方程計算的SF6密度比理想氣體狀態(tài)方程計算的SF6密度大一些，隨著額定壓力的增加，兩者計算的密度差值也隨之增加。在0.3 MPa～0.6 MPa，2 種不同的計算公式密度計算差值在0.64 kg/m3～2.79 kg/m3。根據(jù)2 種不同的計算公式可以計算出一定氣室體積和預(yù)定壓力下需要充裝的SF6質(zhì)量，對氣室氣體質(zhì)量的估算具有一定的參考價值。

20 ℃下的氣室壓力稱為標(biāo)準(zhǔn)壓力，為了真實反映GIS 氣室的壓力，工程應(yīng)用中將不同溫度下的氣室壓力轉(zhuǎn)換成20 ℃下的壓力，這樣，無論溫度如何變化，只需要考慮轉(zhuǎn)換后的壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力的差值就可以檢驗氣室是否存在氣體泄漏情況。這個壓力轉(zhuǎn)換便是SF6密度控制器的溫度補(bǔ)償功能。即SF6表計的溫度補(bǔ)償以20 ℃為界限，溫度高于20℃，實際壓力會增大，密度控制器減去一個補(bǔ)償壓力，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力；溫度低于20 ℃時，密度控制器增加一個補(bǔ)償壓力，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力。對于理想氣體狀態(tài)方程，補(bǔ)償壓力計算公式如下。

對于Beattie-Bridgman方程，補(bǔ)償壓力計算公式為：

式（3）和式（4）中：pΔ1為溫度t下密度為ρ1的基于理想狀態(tài)氣體方程的補(bǔ)償壓力；ρ1為某一壓力對應(yīng)的理想氣體密度；pΔ2為溫度t下密度為ρ2的基于Beattie-Bridgman 方程的補(bǔ)償壓力；Rg為SF6氣體的氣體常數(shù)，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）。

選取標(biāo)準(zhǔn)壓力為0.5 MPa的SF6氣體為研究對象。根據(jù)式（3）、式（4）以及表1、表2可知，補(bǔ)償壓力隨溫度變化趨勢如圖2 所示?？梢钥闯鲈?0 ℃時不進(jìn)行補(bǔ)償，在相同溫度下理想氣體狀態(tài)方程需要補(bǔ)償?shù)膲毫π∮贐eattie-Bridgman方程計算的補(bǔ)償壓力，即后者較前者的補(bǔ)償度更高一些。對于圖2，更具體的數(shù)值為：在-10 ℃時兩者的補(bǔ)償壓力分別為0.051 MPa和0.059 MPa，在40 ℃時兩者的補(bǔ)償壓力分別為-0.034 MPa和-0.039 MPa。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓力為0.5 MPa下SF6補(bǔ)償壓力隨溫度變化的關(guān)系曲線

2 案例分析

因SF6氣體的比熱容C1=665.18J/（kg·K），而鋼的比熱容C2=460 J/（kg·K），可以看出SF6的比熱容是鋼的1.45 倍，即相同質(zhì)量下升高相同的溫度，需要的能量前者是后者的1.45 倍。同時，考慮到大氣室GIS中SF6質(zhì)量遠(yuǎn)大于密度傳感器和補(bǔ)償裝置，如果太陽直射到密度控制器，將會導(dǎo)致密度控制器的溫升遠(yuǎn)大于大氣室SF6氣體的溫升，這將會導(dǎo)致過補(bǔ)償，從而造成經(jīng)過補(bǔ)償后的壓力表的指示壓力小于氣室實際壓力的情況?！秹毫κ搅驓怏w密度控制器》［17］中給出了壓力式SF6氣體密度控制器額定壓力、報警壓力和閉鎖壓力參考值，具體如表3所示。

表3 壓力式SF6氣體密度控制器額定壓力、報警壓力、閉鎖壓力參考值

如果以0.05 MPa壓力降為例，額定壓力為0.5 MPa下，根據(jù)第1.3節(jié)計算分析可知，想達(dá)到0.05 MPa的補(bǔ)償壓力差，對于理想氣體狀態(tài)方程溫度t為-9.27 ℃或者49.27 ℃；對于Beattie-Bridgman 方程則溫度t為-5.55 ℃或者45.55 ℃。根據(jù)SF6氣體-壓力曲線［11］可知，對于工程應(yīng)用中常見的SF6氣室壓力，Beattie-Bridgman 方程更符合壓力、密度關(guān)系。通過以上的計算也可以看出，Beattie-Bridgman 方程計算的補(bǔ)償壓力也更為嚴(yán)格，更符合現(xiàn)場實際情況。

額定壓力為0.5 MPa 時，當(dāng)溫度在-5.55 ℃以下或者45.55 ℃以上時，如果未進(jìn)行溫度補(bǔ)償，則壓力表會較標(biāo)準(zhǔn)壓力時的差值超過0.05 MPa。對于低溫時，如果補(bǔ)償不及時，會出現(xiàn)壓力低報警的情況；而對于高溫時，壓力補(bǔ)償不及時則不會報警。所以對現(xiàn)場的實際應(yīng)用更多是考慮低溫時可能出現(xiàn)的壓力補(bǔ)償問題，即一般在冬季上午溫差較大時出現(xiàn)壓力表過補(bǔ)償，從而導(dǎo)致壓力報警的情況。根據(jù)以上分析和計算可以得到對應(yīng)不同額定壓力下補(bǔ)償0.05 MPa 對應(yīng)的溫度值，如表4所示。

表4 不同額定壓力下對應(yīng)0.05 MPa壓力補(bǔ)償?shù)牡蜏囟戎?/p>

從表4可以看出，額定壓力越小的氣室出現(xiàn)由于壓力補(bǔ)償不及時或者不補(bǔ)償而引起的壓力報警所需的環(huán)境溫度越低，由于華東地區(qū)冬季最低溫度出現(xiàn)-10 ℃及以下的情況非常少見，所以可以認(rèn)為額定壓力0.45 MPa 及以上的氣室可以通過環(huán)境溫度的變化來確認(rèn)是否存在壓力補(bǔ)償問題。

引言中出現(xiàn)的氣室壓力報警異常事件，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)氣室額定壓力均為0.5 MPa，監(jiān)控后臺查閱氣室壓力歷史曲線基本維持在約0.5 MPa，經(jīng)氣體泄漏檢查，并未發(fā)現(xiàn)氣室存在氣體泄漏問題。2021 年1 月晝夜溫差大，夜間溫度特別低，白天太陽直曬表計導(dǎo)致表計密度控制器過補(bǔ)償，氣室實際溫度較低且未能同步升溫，從而發(fā)生壓力降低到報警值的情況。放置擋板遮擋直射表計的陽光，到中午氣室溫度升高后壓力異常報警消失。

3 建議

根據(jù)以上分析可知，對于相同補(bǔ)償壓力0.05 MPa的情況，一般天氣情況下，0.4 MPa及以下的額定壓力氣室基本不會出現(xiàn)如此高的補(bǔ)償壓力；而對于0.45 MPa 及以上的額定壓力，在極端天氣（晝夜溫差極大）下會出現(xiàn)補(bǔ)償壓力大于0.05 MPa的情況，即過補(bǔ)償，從而導(dǎo)致氣室壓力報警。

對于有壓力表及傳感器上傳壓力至監(jiān)控后臺的情況，極端天氣如果出現(xiàn)后臺壓力低報警時應(yīng)及時到現(xiàn)場確認(rèn)壓力表機(jī)械指針讀數(shù)是否與監(jiān)控后臺一致，如果一致則應(yīng)及時進(jìn)行檢漏處理，經(jīng)檢查無漏氣點后，可以初步判斷是由于密度控制器補(bǔ)償失效導(dǎo)致，應(yīng)及時處理；如果壓力表機(jī)械指針讀數(shù)與平時抄錄基本一致，即大于監(jiān)控后臺數(shù)字，則可能是經(jīng)傳感器上傳的部分（例如傳感器）出現(xiàn)問題或模數(shù)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)問題等，也應(yīng)及時處理。

極端天氣前注意日常氣室壓力低的氣室，如果壓力低于額定壓力，要對其進(jìn)行補(bǔ)氣，應(yīng)補(bǔ)氣到高于額定壓力0.02 MPa 以上。補(bǔ)氣盡量選擇氣室氣體與補(bǔ)氣氣瓶內(nèi)氣體溫差不大時進(jìn)行，例如選擇上午進(jìn)行補(bǔ)氣。GIS氣室SF6氣體密度繼電器和密度控制器（即壓力表）設(shè)計安裝位置時，要做到盡可能滿足表計溫升和氣室內(nèi)SF6氣體溫升一致，不能相差太多?？稍趬毫Ρ硗獠堪惭b保護(hù)罩，既防雨又能達(dá)到避免陽光直射密度繼電器和密度控制器的目的。定期對SF6壓力表進(jìn)行現(xiàn)場定期校驗，對現(xiàn)場校驗過程中存在的問題及時分析處理，必要時更換SF6壓力表。

4 結(jié)語

無論何時，如果出現(xiàn)氣室壓力低報警的情況，應(yīng)立即對該氣室進(jìn)行泄漏檢查，在無泄漏的情況下再進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)确矫娴姆治觥?/p>

在工程應(yīng)用中，Beattie-Bridgman方程比理想氣體狀態(tài)方程更接近實際情況，前者得到的數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。對于常見氣室壓力0.3 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa和0.60 MPa，補(bǔ)償壓力0.05 MPa對應(yīng)的低溫度值分別為-25.03 ℃、-18.06 ℃、-12.86 ℃、-8.79 ℃、-5.55 ℃、-2.90 ℃和-0.69 ℃。

從前文的分析可以看出，對于常見特高壓變電站GIS 氣室，在無泄漏的情況下，各氣室壓力均應(yīng)在額定壓力以上。對于華東地區(qū)，在極端天氣下0.4 MPa及以下額定壓力的氣室也不會因過補(bǔ)償從而出現(xiàn)壓力報警的情況；0.45 MPa 及以上額定壓力的氣室可能會發(fā)生過補(bǔ)償導(dǎo)致壓力低報警的情況，應(yīng)具體分析可能的原因。