GIS的SF6密度在线监测浅谈

艾睿

摘 要：GIS作为新型的主开关设备，在电力系统中得到了广泛的应用。而GIS中的SF6气体压力和密度，则对GIS产品的性能起到了至关重要的作用。气体密度的检测方法也有长足的发展，而在线检测是技术发展的趋势，对更好地掌握GIS产品的运行状态和工作稳定性有着关键的作用。

关键词：GIS SF6 气体密度 在线监测

中图分类号：O59 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-111-03

GIS作为近几十年得到极大发展的主开关设备，以其优越的性能、安全可靠、维护方便和使用寿命长等优势，在电力系统中得到了广泛的应用。而GIS中的SF6气体压力和密度，则对GIS产品的性能起到了至关重要的作用。

密度，是指某一特定物质在特定条件下单位体积的质量。GIS中的SF6气体密封在一个固定体积的容器内。在20℃时的额定压力下，它具有一定的密度值。在运行允许条件范围内，SF6气体的压力会随着气体温度的变化而变化，但是，SF6气体的密度值始终不变。因为GIS的绝缘和灭弧性能在很大程度上取决于SF6气体的纯度和密度，所以，对SF6气体纯度的检测和密度的监视显得特别重要。其中，SF6密度的在线监测尤为重要。如果采用普通压力表来监视SF6气体的泄漏，那就会分不清是由于真正存在泄漏还是由于环境温度变化而造成SF6气体的压力变化，普通的相对压力表在不同海拔地区也会产生显示上的变化，容易产生误报警。为了能达到经常监视密度的目的，国家标准规定，SF6断路器应装设压力表或SF6气体密度表和密度继电器。压力表或SF6气体密度表是起监视作用的，密度继电器是起控制和保护作用的。

在GIS上装设的SF6气体密度监测装置，带指针及有刻度的称为密度表；不带指针及刻度的称为密度继电器或密度压力开关；有的SF6气体密度表也同时带有电触点，即兼作密度继电器使用，密度继电器如再带有密度、压力、温度三合一的实时数字信号输出，则被称为远传式密度继电器，它们都是用来测量SF6气体的专用表计。

密度表的原理是通过具有温度补偿特性的双层金属带来补偿外界温度对气压造成的影响。

当外界温度等于20℃时，双层金属带不起作用。

当外界温度升高，高于20℃时，气室内部气压将随着温度的升高而相应升高。带动机构向上移动（4方向）。双层金属带由于温度的改变而发生弯曲变形，其下端将向下移动（5方向）。补偿了由于外界环境温度升高导致的气室内部气压的升高。

当外界温度下降，低于20℃时，气室内部气压将随着温度的下降而相应下降。带动机构向上移动（4方向）。双层金属带由于温度的改变而发生弯曲变形，其下端向下移动（5方向）。补偿了由于外界环境温度升高导致的气室内部气压的升高。

而在外界温度不变，但是发生气室内部气体泄露时，则双层金属带不变形，不会造成内部气压测量的误差。

SF6电气设备上的SF6气体密度是以SF6气体经温度补偿后的压力来表示的，即以20℃时的压力值来表示的。

在GIS运行当中，由于电流的流通，导体不断发出热量，因此气室内部的温度会有所增高。其气压也随之增高。当导体发热与GIS外壳散热到达平衡时，气室内部SF6的温度就到达一个稳定值。这个稳定值减去环境温度，就是SF6的温升值。由于双层金属带的补偿，这时SF6密度表所显示的值，就是气室内部SF6在20℃的压力值+温升值的温度时的气压值。密度表一般都会做成绝压表，以适合设备在不同海拔地区工作。

图2 SF6气体密度继电器外形图

SF6气体密度继电器（如图2）的结构是密度表加上电触点开关，电触点开关可实现将机械动作转换为电信号，它除了具有密度表的显示功能外增加了继电器功能，即输出现场补气报警和闭锁节点信号。

一般密度继电器有三对接点，每对接点有一个静触点和一个动触点，静触点是根据设备的灭弧性能要求的SF6气体密度值设定的，当SF6气体发生泄露，压力就下降，降到报警设定值时，静触点与动触点吸合，继电器输出一对接点报警信号，此时要求用户对设备补气，如果压力继续下降，降到闭锁设定值时，继电器输出另一对接点闭锁信号，使设备的控制系统进行闭锁，另外当设备因补气或其它意外情况发生产生过压时，继电器也会输出一对接点过压报警信号来提醒用户，从而实现对电气设备的安全运行保护，继电器触点导通的可靠程度直接决定了高压开关设备运行的可靠性，一般需要继电器触点材料采用银镍合金，表面镀金处理厚度达10 m，以确保开关设备在各种恶劣环境中长期工作的可靠性。

SF6气体远传式密度继电器（如图3），包括机械密度继电器部分与电子数字密度监测部分。

图3 SF6气体远传式密度继电器外形图

电子数字密度监测部分主要由压力传感器、温度传感器、主板组成。主板上装有嵌入式微处理器，并以此为核心，采集压力和温度信号，通过分析运算，输出可供后台远程监测的基于RS485传输的实时压力、温度、密度数字信号。

SF6气体密度在线监测软件是一款嵌入式的软件，通过嵌入在16位DSP的硬件平台上，实现对GIS气室内的SF6气体进行在线监测。台由温度传感器、压力传感器、滤波放大、AD转化、地址设定开关、RS-485接口及电源组成。硬件平台控制单元选用microchip的dsPIC33FJ64GP804，是主频为80MHz的16为DSP。软件系统由压力采集、温度采集、控制算法、通讯应答四部分功能单元组成，软件是在MPLAB平台上使用C和汇编语言对DSP进行编程，实现控制和算法。

SF6气体远传密度继电器，上位机时既可以分别对温度、压力、密度也可以同时进行查询，查询时间大于300mS。以RS-485方式进行上传，波特率为9600，在无中继器的状态下可延伸1200km，方便远程在线监测待测点的SF6气体密度值。

机械式密度继电器除了有度盘显示功能外，还可输出预设定的SF6气体密度的接点信号。机械式密度继电器部分与电子数字密度监测部分相互独立，互不影响，实现了双重安全保护。SF6气体远传式密度继电器主要是用来远程监视开关设备中SF6气体的密度、压力和温度。它不仅能满足电力人员现场的巡检抄表、充气补气，而且能远程监控开关设备中SF6气体状态、随时采集各类参数数据，可充分满足现代化智能电网在线检测的要求。

根据通讯信号传输介质的不同，远传式密度继电器又分为电缆、光纤、无线三种，由于光纤式远传密度继电器具有传输容量大，抗电磁干扰能力强的特点，因此被广泛应用于存在较强电磁辐射和电磁干扰的高压、超高压开关设备上，以保证光纤远传密度继电器采集的数据能快速准确的传递。而无线式远传密度继电器由于不需要铺设用于传递信号的电缆线，因此被广泛应用在高压开关设备的升级换代和技术改造。

为解决目前已有的GIS内部空间比较紧张，机电一体化的远传式密度继电器很难安装的问题，现在又出现了一种数字式远传密度继电器（如图4）。

图4 SF6气体数字式远传密度继电器外形图

数字式远传密度继电器主要由压力传感器、温度传感器、主板、LED或LCD显示屏和可充电电池组成。主板上装有嵌入式微处理器，并以此为核心，采集压力和温度信号，通过分析运算，输出可供后台远程监测的基于RS485传输的实时压力、温度、密度数字信号。LED或LCD显示屏可在现场交替显示SF6气体的密度、压力和温度，此外该产品还可输出现场补气报警和闭锁的接点信号，接点信号的设定是通过软件编程设置的，该产品最大的特点是结构紧凑，同时也完全满足用户的现场密度、压力和温度信号显示、报警和闭锁的接点信号输出和SF6气体的密度、压力和温度实时远传输出功能，但与传统的机械式密度继电器相比，存在抗电磁干涉能力弱，可靠性差的缺点，目前该产品在电力行业还未得到广泛的应用，数字式远传密度继电器如不含现场显示屏显示和接点信号输出特性，只保留SF6气体的密度、压力和温度实时远传输出功能，则被称为密度变送器，它一般会和机械式密度继电器配合使用，在电力行业已得到了广泛的应用。

最近在国网电力公司有关《10kV环网柜通用技术规范》的招标技术文件中提到了如下要求：“SF6气体监测设备：环网柜应装设SF6气体监测设备（包括密度继电器，压力表），且该设备应设有阀门，以便在不拆卸的情况下进行校验”。

该产品是将密度继电器装在三通阀门上，阀门再与开关柜本体相连（参见图5），该阀门除了有与开关柜本体和密度继电器相配的接口外，一般还带有充气阀和调节手柄，在正常工作时，调节手柄处于开的状态，开关本体、密度继电器和充气阀的气路都是相通的，当对密度继电器进行校验时，需要将调节手柄调到关的状态，此时开关本体与密度继电器和充气阀的气路是断开的，将充气阀接口与校验仪的气路连接上，就可以实现对密度继电器进行校验，而充气阀则是在开关柜气压不足时用来冲气的，冲气阀本身有自封功能，冲气时只要将冲气阀盖拧开，将冲气装置与冲气阀接口相连就可以对开关柜进行冲气，其不足之处也是外形尺寸较大，在内部空间位置比较紧张的GIS中不太好安装。

综上所述，未来GIS开关柜对密度表的发展要求，很可能是带数字信号传输，并有专家系统分析的模式，可进行泄漏等故障趋势预测分析，具体产品是带数字信号输出的机电一体化远传式密度继电器和可实现不拆卸密度继电器进行校验的三通阀门的组合并配有后台监测系统，这样的产品既利用了机械式SF6密度继电器的稳定、可靠的特点，用于控制部分，又集成了电子数字式密度继电器对密度、压力及温度信号的采集、监测并提供远程监测信号。机械式密度继电器部分与电子数字密度继电器部分相互独立，互不影响，实现了双重安全保护。而三通阀门又实现了远传式密度继电器在不拆卸的情况下进行校验，避免了在校验密度继电器过程中从开关设备上拆装密度继电器可能存在的SF6气体漏气风险。

国家智能电网建设规划的提出，为GIS的SF6气体密度在线监测的市场应用前景拓展了非常大市场空间，它替代了人工巡检，节省人力成本，减少人为误判。实现无人值守，尤适用于偏远地区变电站。实时监测监控，可保留历史数据，为后续分析提供依据。同时，可进行泄漏等故障趋势预测，可提前采取预防措施，真正实现智能化在线监测。

参考文献：

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