SF6继电器温度补偿方式的现状分析与探讨

林福海，周友武，贾蕗路，稂业员

（国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌330096）

0　引言

在变电站里，充SF6气体的断路器、互感器或气体绝缘金属封闭开关（GIS）通常在就地安装SF6气体密度表，通过巡视抄表、记录现场温度，从而判断设备内的气压是否正常，这已是一种公认的保障设备介质有一定绝缘强度、发现设备是否泄漏的有效手段。

目前，SF6气体密度的巡检、抄表人为因素较大，每个运维人员抄表的数据有偏差，一般的密度表有温度补偿装置，但目前的产品只有针对设备额定压力值进行准确补偿，而对于其它压力值的温度补偿精确度较差，特别是在压力值较低、温度与20℃相差较大时，误差很大。若遇到没有温度补偿功能的密度表时，需要进行人工计算，人工补偿的计算公式比较复杂，耗时、耗力。

基于上述状况，针对变电站里充SF6气体的电力设备就地密度表由于温度补偿带来的数据不准确问题，一种将电力设备内的SF6气体密度、温度实时传送至监测后台，按照SF6气体温度、压力、密度之间的状态方程，在软件上对在线数值进行实时补偿的装置，能对气体密度在不同温度下进行不间断的准确跟踪。[1-4]

1　SF6继电器温度补偿方式的现状分析

按照补偿方法分类，在SF6电气设备中，SF6气体是密封在一个固定不变的容器内，没有发生漏气时，其密度是不变的，在实际工程应用中，气体密度都是以其20℃时的绝对压力值来表示的，众所周知，SF6气体压力与其它气体一样，也是随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，为了能够使压力与密度相关联，其气体压力必须进行温度补偿，把其各种温度下的测量压力转化为20℃时的压力，即可得到对应的气体密度。目前气体密度继电器的温度补偿方法通常有两种：双金属片补偿和标准气体补偿，在电网运行中的密度继电器基本都是带温度补偿的，一般是采用双金属片补偿。[5-7]

1.1　双金属片补偿

双金属片补偿的密度继电器一般其压力测量元件采用巴登管，温度补偿采用双金属片，金属片相当于一个温度传感器，其结构如图1所示：

图1　双金属片补偿的密度继电器结构图

其主要工作原理是基于弹性感压元件巴登管，利用双金属片（温度补偿元件）对变化的温度和其压力进行相应的修正，使之能够反应SF6气体密度的变化。具体可以参考图2，SF6气体在密闭容器中，不漏气时，其密度是不变的，但其压力是随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，其实际压力-温度特性曲线见图2的曲线1。双金属片的作用是依据温度变化对气体压力进行补偿，其补偿效果的压力-温度特性曲线见图2的曲线2。巴登管和双金属片（温度补偿元件）合成的压力-温度特性曲线见曲线3，即曲线1和曲线2合成后的压力-温度特性曲线就是图2中的曲线3，曲线3就是密度值1经温度补偿后的压力-温度曲线，能够反映气体的密度值。

图2　气态下密度继电器双金属片温度补偿

从上述可知，在被测介质SF6气体压力的作用下，通过巴登管、双金属片、机芯、指针，可把被测的SF6气体密度值在刻度盘上显示出来。如果漏气了，其密度值下降到报警或闭锁值时，继电器就会发出相应的报警或闭锁信号，监视了电气设备中的SF6气体密度，从而确保电气设备安全、可靠工作。

通常，密度继电器只有一个双金属片，只能精确补偿一定范围内的气体密度值。由于不同密度值的压力-温度曲线不同，如果在不同密度值下采用同一的补偿参数，那么就会出现补偿误差，可从图2中曲线3和曲线5知道，如果密度值1的温度补偿是零偏差，那么密度值2的温度补偿就必定存在偏差。而密度继电器一般使用范围为额定压力至闭锁压力之间，所以在额定压力以外必然存在温度补偿偏差。

当被测设备内发生气体泄漏时，会造成密度下降，由于在不同密度下的温度补偿参数是不同的，而双金属片补偿元件依旧按照原来的温补参数进行调整，从而引起补偿误差，导致密度继电器示值与设备内的实际密度不同，当实际值小于示值时，可能出现运行设备的绝缘已被击穿，而密度继电器还没有报警的情况，进而对运行设备有较大危害，影响设备安全运行。

双金属片补偿的密度继电器其温度补偿精度关键因数在于：1）在特定参数下，根据其压力-温度特性关系，双金属片与巴登管的匹配度。在实际应用中，匹配关系难以准确计算，一般通过反复试验进行，往往难以实现高精度的温度补偿；2）在使用温度范围内，巴登管的管端位移与所承受压力之间的线性关系，必须选用性能优良的巴登管；3）在使用温度范围内，双金属片的端部位移与温度之间的的线性关系，必须选用性能优良的双金属片。

1.2　标准气体补偿

标准气体补偿的密度继电器结构较复杂，设备体积较大，所以在电力行业里应用较少，一般其压力测量元件采用波纹管，温度补偿采用密封的标准气体，其结构由密封气室、波纹管、信号触发机构、微动开关、显示单元组成。

通常情况下，这种密度继电器只有一个标准气室，只能补偿相应压力下的气体密度值，而密度继电器一般使用范围为额定压力至闭锁压力之间，所以必然存在温度补偿偏差。

标准气体补偿的密度继电器其温度补偿精度关键因数在于：1）标准气室的充气压力精确度，只要准确充气，容易实现高精度的温度补偿；2）在使用温度范围内，标准气室的密封性能，因为这种类型的密度继电器，工艺复杂，焊接工序多；3）在使用温度范围内，波纹管的性能；4）在使用温度范围内，标准气室的气体压力不能液化。

2　SF6继电器在线实时温度补偿的探讨

2.1　在线实时温度补偿的可行性

在线实时温度补偿装置可以将电力设备内的SF6气体温度、密度实时传送至监控平台，并根据实时温度对密度数据进行温度补偿，改变目前人工抄表、补偿误差较大的做法，减小了工作量，并对气体密度进行了准确跟踪。

本装置解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变电站内SF6气体密度的温度补偿装置如图3所示，该装置由以SF6气体为介质的设备、气体取样接头及阀门、SF6气体温度传感器、SF6气体压力传感器、SF6气体温度及压力信号处理器、工控机组成；以SF6气体为介质的设备的输出端口接气体取样接头及阀门，阀门后接SF6气体温度传感器，温度传感器的输出端口连接SF6气体压力传感器，温度传感器、压力传感器的输出端口通过电缆连接温度和压力信号处理器，再将温度及压力信号处理器连接至工控机进行监测，来实现实时温度补偿功能。

图3　密度继电器在线实时温度补偿装置

本装置用于变电站内SF6气体密度的温度补偿，可以在变电站内以SF6气体为绝缘介质的断路器、互感器、GIS设备上开展SF6气体温度、密度值的监测，同时可以对密度值进行在线补偿，并储存数值，从而实现气体密度值的精准显示，观察气体密度的变化情况，并在监测平台上实现报警和闭锁的功能。

2.2　在线实时温度补偿的实施方式

当SF6气体密度的在线实时温度补偿装置工作时，将变电站内需要监测的断路器、互感器或GIS设备内的SF6气体，通过取样阀门和接头，用铜管接入SF6气体温度传感器，再将气体串联接入压力传感器，现场获得的温度、压力信号通过电缆线传输给信号处理器，转换成4-20 mA的模拟信号，再将模拟信号接入工控机，分别换算出SF6温度、压力值，代入SF6气体温度、密度、压力之间的状态方程，即贝蒂—布里奇曼方程：

式（1）中：P为气体绝对压力，bar；R为常数；T为温度，K；ρ为密度，kg/m3；A、B均为与密度ρ相关的变量。利用现场测量的SF6温度、压力值，可以求出唯一的气体密度值，即为电力行业相关标准要求20℃下的换算值，这样就实现了SF6气体密度的精准监测，能更有效地杜绝设备误动作。

2.3　在线实时温度补偿的有益效果

设置SF6气体密度的温度补偿装置，改变目前人工抄表、人工补偿误差较大的做法，大大减小了工作量，并对气体密度进行了准确跟踪，实现电力设备智能化监测。

3　结束语

对目前电力设备的SF6气体密度继电器温度补偿现状进行了详细阐述，提出了用于SF6气体密度实时温度补偿的装置，可以对断路器、互感器或GIS内的SF6气体密度进行实时监控，并根据实时温度对气体密度数据进行温度补偿，实现了准确跟踪，避免设备误动造成的非计划停运，保证设备的安全可靠运行。