±660kV 換流變壓器閥側(cè)套管SF6 氣體壓力變化原因分析和數(shù)據(jù)抄錄注意事項

曲文韜，趙航

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東濟南，250061）

0 引言

在高壓直流輸電系統(tǒng)中.換流變壓器是連接交直流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，換流變壓器布置在交流場及閥廳之間，在換流站中起著電能傳遞與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用。換流變壓器閥側(cè)套管是換流變壓器的核心元件，其與閥側(cè)引線共同構(gòu)成的閥側(cè)出線裝置是引導(dǎo)閥側(cè)出線并承接閥側(cè)內(nèi)、外絕緣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，支撐著換流變壓器長期穩(wěn)定運行。閥側(cè)套管充滿SF6 氣體，用于套管絕緣，在閥側(cè)套管底部安裝SF6 密度繼電器，監(jiān)視套管壓力。換流變壓器投運后，閥側(cè)套管壓力出現(xiàn)波動性變化，在波底時接近報警壓力，需分析壓力變化原因，判斷換流變運行狀態(tài)是否正常。

國內(nèi)對斷路器SF6 密度繼電器運行中出現(xiàn)誤報警故障進行分析，發(fā)現(xiàn)原因是太陽光直射而造成表壓力降低導(dǎo)致，隨后對SF6 壓力表進行改造后再未出現(xiàn)此故障，為SF6 斷路器密度繼電器在設(shè)計、安裝過程中提供了借鑒[1]。

山東電力公司分析GIS 組合電器母線SF6 氣體壓力指示異常的原因，闡述壓力指示不準確產(chǎn)生的危害，并提出應(yīng)對措施[2]。文獻3 分析220 kV 斷路器誤發(fā)SF6 氣體壓力低報警信號原因，提出改進措施并實施，提高斷路器運行的可靠性[3]。文獻4 針對器SF6 氣壓低報警事件，指出需保證密度控制器與主氣室所處環(huán)境一致或接近，防止壓力指示不準確故障。冀北電力科學(xué)院發(fā)現(xiàn)極端氣候條件下SF6 氣體密度繼電器的溫度補償性能會變差，出現(xiàn)較大誤差，發(fā)現(xiàn)一種在極端溫度下對SF6 氣體密度繼電器進行校驗方法[5]。文獻[6]分析SF6 氣體密度繼電器氣體泄漏和誤動作原因，提出校驗SF6 密度繼電器的對策，確保表計指示的準確性。寧夏電力公司對分析一起SF6 密度繼電器壓力異常，發(fā)現(xiàn)其連續(xù)報警后又自行恢復(fù)的原因，指出溫度對SF6 密度繼電器溫度補償?shù)挠绊慬7]。

1 事件過程

某±660kV 直流工程換流站有14 臺換流變壓器（2 臺備用），換流變閥側(cè)套管為上下布置方式，上、下分別命名為閥側(cè) 2.1、2.2 套管。閥側(cè)套管絕緣介質(zhì)為 SF6 氣體，每根套管配置一塊 SF6 密度繼電器，共計28塊 SF6壓力繼電器，SF6 壓力額定值為3.2bar，報警值為2.4bar，跳閘值為1.0bar，生產(chǎn)廠家為WIKA（威卡）。閥側(cè)套管位置如圖1 所示。

圖1 換流變壓器和閥側(cè)套管

由圖1 可知，閥側(cè)套管位于換流變的閥側(cè)，套管內(nèi)充滿SF6 氣體，表計安裝于換流變本體，監(jiān)視閥側(cè)套管內(nèi)氣體壓力。

換流變壓器投運后，對閥側(cè)套管壓力進行實時監(jiān)測，形成壓力－時間曲線。閥側(cè)套管的SF6 氣體壓力出現(xiàn)規(guī)律性變化，經(jīng)紅外檢測未發(fā)現(xiàn)漏氣點。需要分析SF6 氣體壓力變化的原因，并判斷設(shè)備是否存在異常。

在對SF6 壓力進行檢查時，發(fā)現(xiàn)壓力數(shù)值有波動，對閥側(cè)套管進行檢漏，未發(fā)現(xiàn)泄漏點。橫向比較12 臺換流變壓器，閥側(cè)套管壓力均出現(xiàn)類似波動。檢查換流站直流斷路器、直流穿墻套管壓力均存在波動情況，總體呈現(xiàn)白天壓力低，晚上壓力高的情況。閥側(cè)套管壓力變化情況如圖2 所示。

圖2 SF6 氣體壓力－時間曲線

2 閥側(cè)套管SF6 壓力變化分析

分析閥側(cè)套管壓力變化，首先需要分析SF6 密度繼電器結(jié)構(gòu)和原理，查清楚壓力變化的原因。閥側(cè)套管為環(huán)氧樹脂和SF6 氣體復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 換流變壓器閥側(cè)套管結(jié)構(gòu)

電容芯子(7)是環(huán)氧樹脂浸紙式套管的主絕緣。電容芯子由絕緣紙卷繞而成，并且經(jīng)過真空、干燥后浸漬環(huán)氧樹脂，在卷制時插入的鋁箔屏(8)保證了套管徑向和軸向電場的均勻分布。電容芯子安裝在硅橡膠復(fù)合絕緣外套(6)內(nèi)。硅橡膠傘裙和法蘭直接模壓到玻璃鋼環(huán)氧筒上。套管頭部的均壓罩(3)用于均勻頭部的電壓。GSETF 型套管電容芯子與復(fù)合外套之間填充 SF6 絕緣氣體(4)。通過連接氣管，將SF6 壓力表計安裝在換流變本體上，運維人員可以實時檢查閥側(cè)套管的SF6氣體壓力。當(dāng)SF6 氣體出現(xiàn)泄漏時，壓力會下降，絕緣性能降低，會導(dǎo)致內(nèi)部導(dǎo)體對外殼放電短路故障。

2.1 SF6 氣體壓力－溫度關(guān)系分析

在SF6 呈氣態(tài)情況下，在密閉容器內(nèi)，其壓力、溫度和密度這三個參數(shù)表征氣體處于一種平衡狀態(tài)。參照無粘性理想氣體，此時三個參數(shù)為一個方程，即氣體狀態(tài)方程，也稱克拉伯龍方程，描述氣體在平衡時壓強、密度、溫度間的關(guān)系。

由（1）公式可以推出：

P--氣體壓強，單位帕斯卡帕 Pa；

V--氣體體積，單位為立方米m3；

N--氣體的物質(zhì)的量，單位為摩爾 mol；

T--熱力學(xué)溫度，單位開爾文開 K；

R--比例常數(shù)，單位是焦耳/摩爾·開，即J/(mol·K) ；

ρ--氣體密度，kg/m3。

在摩爾表示的狀態(tài)方程中，R 為熱力學(xué)常數(shù)，對任意理想氣體而言，R 是一定的，約為8.31441±0.00026 J/(mol·K)。例如，密度為40kg/m3的情況下，在20℃壓力為0.62Mpa，在0℃時壓力為0.57Mpa.如果此時沒有溫度補償，SF6 表計會顯示開關(guān)內(nèi)壓力快速下降。

SF6 氣體的溫度和壓力曲線如圖4 所示。

圖4 SF6 氣體的溫度和壓力曲線

從圖4 可以看出，一是SF6 在高壓和低溫情況下會液化，在20℃時高于2.1MPA，或者在一個大氣壓下低于-63.8℃時液化，不具備分析條件。在SF6 壓力為0.75Mpa 時，其液化溫度為-25℃,巴基斯坦最低溫度為5℃，不存在液化風(fēng)險。二是在同樣密度下，即設(shè)備內(nèi)不漏氣情況，壓力會隨著溫度升高而增大。如圖5 所示。

由圖5 可知，在密度不變情況下，氣體的壓力隨溫度升高而線性增大。

圖5 密閉情況下壓力和溫度關(guān)系

SF6 氣體密度繼電器是一個帶溫度補償?shù)膲毫^電器，都以20℃的相應(yīng)壓力值來表示其密度值。普通的壓力表是不適合用來監(jiān)測密度的。因為在同樣氣體密度的密封系統(tǒng)中壓力取決于溫度，所以必須進行補償。如圖6 所示。

由圖6 可知，經(jīng)過溫度補償后，壓力不再隨溫度變化，而是表現(xiàn)為一條直線。

圖6 經(jīng)過溫度補償后的壓力-溫度曲線

這種相關(guān)性是氣體特定的并可以用氣體壓力圖像在同等密度的情況下用圖線表示出來，也就是等容線（P-T 曲線）。因此必須采用合適的測量系統(tǒng)在測量壓力的同時也要考慮溫度，這使得測量單元可根據(jù)等容線來糾正已測量的壓力值，就能達到監(jiān)視SF6 氣體密度的目的。

2.2 SF6 密度繼電器結(jié)構(gòu)和原理

現(xiàn)場SF6 密度繼電器原理為微動開關(guān)式，微動開關(guān)式密度繼電器內(nèi)部表芯組件主要由彈簧管組件、機芯組件、操作臂、溫度補償片、線路板組件（其中包含微動開關(guān)、擺片、線路板）、調(diào)節(jié)螺釘?shù)攘慵?gòu)成。如圖7 所示。

圖7 微動開關(guān)式內(nèi)部表芯組件結(jié)構(gòu)圖

SF6 壓力表工作原理：

當(dāng)密度繼電器受到外部氣體壓力時，彈簧管在內(nèi)腔壓力作用下，利用其所具有的彈性特性，將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閺椈晒茏杂啥说膹椥晕灰?，?jīng)過溫度補償片的溫度補償，將正確的位移量通過齒輪傳動放大機構(gòu)和桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移，與轉(zhuǎn)角位移同步的儀表指針就會在示數(shù)裝置的刻度盤上指示出被測介質(zhì)的壓力。

與此同時，報警和閉鎖節(jié)點的信號輸出部分，通過裝置在溫度補償片上經(jīng)過溫度補償過后的操作臂位移，帶動操作臂上預(yù)制好相對應(yīng)氣體壓力值的調(diào)節(jié)螺釘位移，使微動開關(guān)上擺片產(chǎn)生位移，從而使微動開關(guān)內(nèi)部觸點發(fā)生閉合或斷開情況，使控制系統(tǒng)中的電路得以斷開或接通，達到自動控制和發(fā)信號報警的目的。總結(jié)來講，即彈簧管監(jiān)測氣體實際壓力，雙金屬片進行溫度補償，配合實現(xiàn)監(jiān)測20℃時本體內(nèi)壓力。

溫度補償方式：

采用空心彈簧管（波登管）和雙金屬片，用彈簧管連通斷路器內(nèi)部SF6 氣體，用雙金屬片實現(xiàn)溫度補償。雙金屬片原理為在溫度升高時兩片之間距離會增大，在溫度降低時兩片之間距離會減小，配合彈簧管實現(xiàn)溫度補償。如圖8所示。

由圖8 可知，在無漏氣故障時，溫度上升，彈簧管舒張，雙金屬的溫度補償片空隙同步變大，指針不動作。溫度下降時，彈簧管收縮，和雙金屬的溫度補償片空隙同步變小，指針不動。此時，SF6 壓力表讀數(shù)不隨溫度變化，實現(xiàn)溫度補償功能。

圖8 無漏氣狀態(tài)下，SF6 表計溫度補償圖

當(dāng)閥側(cè)套管出現(xiàn)漏氣時，套管內(nèi)SF6 壓力迅速下降，表計動作如圖9 所示。

圖9 漏氣狀態(tài)下，SF6表計動作圖

由圖9 可知，當(dāng)閥側(cè)套管出現(xiàn)漏氣故障時，套管內(nèi)壓力迅速下降，彈簧管收縮。而此時溫度無變化，雙金屬的溫度補償片不動，SF6 表計指針向下動作，壓力降低發(fā)出報警。

3 SF6 表計壓力的變化分析及措施

檢查在線監(jiān)測記錄，1 月10 日—14 日，天氣晴，夜間低溫7℃，白天18℃。每日溫度變化有規(guī)律，具備分析條件。溫度變化曲線如圖10 所示。

圖10 環(huán)境溫度曲線

3.1 閥側(cè)套管壓力變化分析

閥側(cè)套管與換流變本體所處環(huán)境不同。換流變本體在戶外。閥側(cè)套管深入閥廳內(nèi)部，溫度恒定為25℃，而SF6 表計在換流變本體，溫度隨外部溫度變化而變化。

白天溫度高，夜間溫度低，溫差10K～12K，在這種情況下，白天表計溫度高，本體溫度不變，表計向低壓方向補償，壓力降低。夜間表計溫度低，本體溫度不變，表計向上溫度補償，顯示壓力升高。最終形成的曲線就是一個白天低夜間高的溫度時間曲線。如圖11 所示。

由圖11 可知，閥側(cè)套管SF6 表計顯示壓力呈波動性變化，且在白天壓力降低至0.374Mpa，晚上壓力升高至0.383Mpa。

圖11 閥側(cè)套管壓力波動曲線

3.2 數(shù)據(jù)抄錄注意事項

在抄錄SF6 壓力數(shù)據(jù)時應(yīng)注意，如將白天和夜間的數(shù)據(jù)進行對比，參考性較差。

一是分析該設(shè)備每日同一時刻的壓力數(shù)據(jù)，記錄當(dāng)時溫度，形成溫度和時間曲線，進行縱向比較，無明顯下降即判斷設(shè)備正常。

二是對同一類型設(shè)備壓力數(shù)據(jù)進行橫向比較，無明顯下降即判斷設(shè) 備正常。

三是在發(fā)現(xiàn)某臺設(shè)備SF6 表計橫向和縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)壓力下降后，應(yīng)立即對該設(shè)備進行紅外檢漏，判斷設(shè)備是否存在泄漏。

4 結(jié)語

換流變壓器是高壓直流輸電的核心設(shè)備，閥側(cè)套管是換流變壓器的關(guān)鍵部件。對閥側(cè)套管的狀態(tài)監(jiān)測是運維直流工程的重要工作。

閥側(cè)套管在運行時SF6 壓力會出現(xiàn)波動。此時需要橫向?qū)θ块y側(cè)套管壓力進行比較，同時縱向查詢歷史數(shù)據(jù)。對閥側(cè)套管運行狀態(tài)進行真實的判斷，保證高壓直流工程安全運行。