不同原理的SF6混合气体密度监测技术差异分析

刘 伟， 季严松， 刘子恩， 房 超， 方红磊， 卢小龙， 朱 捷

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 安徽 合肥 230022; 2.中国电力科学研究院，北京 100192； 3.康姆德润达(无锡)测量技术有限公司， 江苏 无锡 214028)

0 前言

SF6气体因其良好的电气绝缘性能和优异的灭弧性能，被广泛应用于断路器、封闭式组合电器、封闭式管道母线、互感器、避雷器等中高压电力设备。但从环境保护的角度考虑，SF6气体是一种非常强效的温室气体，随着环境问题的日益突出，SF6替代介质的研究成为国内外科学家们关注的热点[1,2]。美国科学家L.G. Christophorous认为，为适应环保的要求，近期比较实际的解决方案是使用SF6混合绝缘气体代替纯SF6气体。将SF6气体与缓冲气体(N2、CO2等)混合使用，不仅能满足电气设备的需求，而且大大降低了SF6气体的使用量[3]。此外，使用SF6混合气体能有效防止带压的SF6气体在低温环境中液化从而影响到电力开关设备的绝缘性能和开断容量的问题。

所谓密度，是指某一特定物质在特定条件下单位体积的质量。SF6气体绝缘性能与设备内部气体密度密切相关，SF6气体设备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，气体密度下降会使SF6气体绝缘灭弧性能降低，进而危害设备的安全运行[4,5]。因此，密度作为SF6气体的一个重要物理参数，对SF6气体密度的监测显得尤为重要，常被作为电气设备泄露的重要技术指标。常规的压力仪表和压力开关不能正确反映气室是否发生气体泄漏，因为在温度降低时，气压可能低于限值而发出误报警。为避免这一误报警，基于压力测量原理的监控仪表必须具有温度补偿的能力，即对环境温度变化所引起的指示和控制偏差进行修正[6,7]。

目前，电气设备中主要采用压力式和参比气体式这两种原理的SF6气体密度继电器，本文对基于不同原理的SF6/N2混合绝缘气体设备密度继电器的研制进行了分析和讨论，并对SF6/N2混合绝缘气体密度监测提出了新的思路，提出了具有混合比监测功能的SF6/N2混合绝缘气体继电器的研制。

1 压力式SF6混合气体密度监测技术

电气设备内的绝缘气体是密封在一个固定不变的容器内的，在20℃时的额定压力下，它具有一定的密度值，在设备运行条件下，尽管气体压力随着温度的变化而变化，但绝缘气体的密度值始终不变。不同压力下SF6气体密度见表1。

表1 20℃时不同压力下SF6气体的密度

图1是传统波登管式压力表改造而来的SF6气体密度继电器，采用波登管作为压力感测元件，被测气体密度变化引起的压力变化使波登管的末端产生形变位移，该位移被双金属片在不同温度下的变形所补偿，即温度补偿，经机芯(传动机构)放大后，驱动指针偏转，在刻度盘上指示气体密度(折算至20℃的压力)。指针上配有拨杆可带动磁助式电接点，当气体密度变化超过限定值时，指针驱动电接点闭合或断开，从而发出报警信号。假定气室未发生泄漏，当环境温度上升时，压力会随之升高，波登管末端产生向上的位移；此时，双金属片的结构张角也会变大，抵消了波登管因为温度上升而引起的位移变化，最终机芯连接端的位移变化为0。

图1 压力式SF6气体密度 继电器的结构原理

biand该密度表未安装使用时，如果环境温度是20℃，指针2指向0 MPa。双金属片是按20℃时环境温度进行补偿的，当环境温度高于20℃时， 双金属片伸长，其下端将向5的方向发生位移，带动齿轮机构和指针向密度( 或压力) 指示值减小的方向移动，指针2的读数小于0 MPa；否则，当环境温度低于20℃时， 齿轮机构和指针将向密度( 或压力)指示值增大的方向移动，指针的读数大于0 MPa。就是说，这种SF6气体密度表还没有使用时，就已经由环境温度的变化带来一定的误差， 误差的大小取决于环境温度与20℃之间的差值[8-10]。

用SF6混合气体代替纯SF6气体之后，对密度表的压力测量没有影响，唯一影响的是温度补偿，即气体温度-压力特性曲线与纯SF6气体不同，同样的温差下，双金属片需要补偿的位移发生改变。

假设电气设备内充有一定质量m的SF6混合绝缘气体，设备体积V不变，假设气体不发生泄漏，混合气体的质量也不会改变。根据克拉伯龙方程式推导如下：

根据阿伏伽德罗定律推论：

已知混合气体混合比的情况下，可得到SF6混合气体的平均摩尔质量，即，m、R、、V皆为常数。通过计算SF6/N2混合气体在不同温度下的压力，可得到SF6混合气体的温度压力特性曲线。

对于SF6混合气体密度继电器双金属片的选型，需要根据混合气体的组成和比例重新选择合适的双金属片，难度更大。而且，一旦运行设备内混合气体比例发生改变，混合气体的T-P曲线也会随之发生改变，双金属片的精度也会随之降低，影响SF6混合绝缘气体密度继电器准确性。

2 参比气体式SF6混合气体密度监测技术

参比气体式SF6混合气体密度继电器主要由波纹管、微动开关、标准参比气室等组成。它的工作原理是在波纹管系统构成的“参比气室”内预先充入与被测气体组成和压力相同的标准气体，作为检测的基准，波纹管外部与被测气体连通，通过波纹管内外的气体压力差变化，反映被测气体的密度改变。

图2 参比气体式SF6气体密度继电器的原理图

当密度继电器正常工作时，标准参比气室与被测设备内气体组成和压力完全一样，此时波纹管处于平衡位置，密度继电器动作元件受力方程可表示为：

Fn-Fw-ΣFt=Fb

(1)

P0Sb-PqSb-ΣFtLt=EbLb

(2)

式中，P0-标准气室压力或额定压力；Sb-波纹管截面积；Fn-波纹管伸长的内压力，可表示为P0Sb；Pq-被测气室内压力；Fw-被测气室内气体使波纹管收缩的压力，可表示为“PqSb”；Ft-微动开关复位时的弹力；Lt-微动开关复位的压缩长度；Eb-波纹管的弹性系数；Lb-波纹管的伸缩长度；Fb-波纹管的弹力，可表示为EbLb。

由(1)(2)可得：

(3)

式中的P0、Eb、Sb都可视为常数，ΣFtLt又很小，可忽略不计。故，Lb的大小取决于Pq与额定压力之间的压力差大小，即波纹管的长度与被测设备内的压力Pq具有一一对应的关系。因此，若将微动开关的触点安装在与波纹管相对应的适当位置上，密度继电器会根据Pq的变化发出报警或闭锁信号。

对于运行设备，被测气室中SF6混合气体在额定密度(或压力)时的温度与外界环境温度相等时，波纹管的端部内外侧承受的压力相等，保持在某一平衡位置，使微动开关的电触点在打开位置；当环境温度发生变化，波纹管内外SF6混合气体的压力同时发生变化，作用在波纹管的端部内外侧的压力变化相互抵消，仍然保持在某一平衡位置，微动开关的电触点仍然在打开位置不变。

当设备内SF6混合气体发生泄漏时，被测气室内气体压力逐渐降低，密度继电器中标准参比气体压力保持恒定不变，此时密度继电器内标准气体压力高于被测气室，在内外压力差的作用下，内波纹管的端部向下压缩。当气体压力降低到限定值时，内波纹管经由顶杆驱动，带动微动开关的第一个电触点闭合，密度继电器发出补气报警；如果设备继续漏气，被测气室与标准参比气室之间的压力差继续增大，微动开关的所有电触点将发生闭合，进而发出闭锁信号。

与压力式密度继电器相比，参比气体式SF6混合气体密度继电器只需要在“参比气室”内充入与设备内组成和压力完全相同的标准参比气体，通过波纹管内外的气体压力差变化，即可实现SF6混合气体密度的监测，不需要对波纹管等核心元件进行调整，具有更好的适应性。需要注意的是，“参比气室”的结构小巧，灌充SF6/N2混合绝缘气体气体时，控制SF6/N2混合绝缘气体的比例和压力具有较大的难度。由于波纹管本身特点的限制，显示部分无法做到全量程显示，仅能做到在额定区域很小范围内的显示。

3 基于传感器的参比气体式SF6混合气体密度监测技术

对于SF6/N2混合绝缘气体电气设备，混合气体的密度是由压力和混合比共同决定。当设备发生泄漏或者过充时，混合气体的压力改变，此时，原有的密度继电器可以检测到气体压力的改变，发出报警信号；当混合气体比例发生变化时，混合气体的密度也发生了改变，但总压力可能维持不变。由于原有的密度继电器的监测原理是基于压力差，此时就无法反映设备内密度的真实变化。

为解决这一难题，项目组在原有参比气体式SF6混合气体密度继电器基础上，引入石英传感器，利用石英音叉传感器、压力传感器和温度传感器分别测量混合气体的密度、压力和温度，结合理想气体方程和道尔顿气体分压定律，即可进一步测算出被测气室内SF6/N2混合绝缘气体的混合比。

根据石英音叉传感器、压力传感器和温度传感器测得的密度、压力和温度，即可得到混合气体中六氟化硫的含量，进一步得到混合气体的混合比。

经过合理的校准设定和补偿算法，能够实现很好的混合比检测精度。

4 结论

本文对两种不同检测原理的SF6气体密度继电器进行了比较，并对他们在SF6/N2混合绝缘气体密度监测中的适用性进行了探讨。对于混合气体混合比发生改变的SF6/N2混合绝缘气体电气设备，亟需开发新型的能反映混合比变化的SF6/N2混合绝缘气体密度控制器，作者进行了初步分析，后期需要开展更深入的研究。