密度继电器校验平台研制

秦任鹏 牛卫光 李景生 王大鹏 李基康 国网东营供电公司

一、小组/人员概况

国网东营供电公司变电一次检修班，先后获得山东电力首批“双无”班组、山东省质量信得过班组、国网公司先进班组等荣誉。班组现有员工10人，高级职称1人，中级职称3人。目前班组承担东营地区22座220千伏、34座110千伏以及3座35千伏变电站的组合电器、断路器、隔离开关等6088组主设备及其附件的日常维护、事故抢修工作。班组坚持以“小、实、活、新”为基础，充分利用QC理念，不断创新，解决了许多生产、工作中的实际问题，完成了ZS3.2型开关柜活门专用开启装置的研制、GIS刀闸操作电机保护装置的研制、SF6气体成套充气装置的研制等优秀QC成果，并多次获得市公司及省公司优秀质量管理小组称号。

团队成员具有一定的专业技术水平，并且在实际工作中积累了比较多的工作经验，对问题有较高的解决能力。近年来，小组以科技创新为主线，大力开展技术革新、管理创新等活动，在建设智能电网、维护配网运行过程中，发现并解决了配网运行检修中的许多难题，为公司做出了较大贡献。

二、方案的必要性

SF6断路器和GIS组合电器设备作为重要必备的一次高压设备，承担着供电系统可靠带负荷开断和闭合的重要作用。考虑开闭类设备合分闸的可靠性，必须要求其内部具有良好的绝缘性能和灭弧性能，目前国内外均采用在一次高压电气设备内部充装一定密度的SF6气体作为绝缘介质。即使是全密闭设备内充装的SF6气体日积月累后也会发生微量的泄露，为保证高压电气设备运行安全，因此必须对高压电气设备内SF6气体的密度进行在线式监测。保证高压设备的SF6气体的密度在合格范围以内，并经常观察其密度读数，了解其变化趋势。安装在现场高压一次设备之上的SF6气体密度继电器因长期处于运行不动作状态，所以有可能出现动作不灵活、触点接触不良等潜在故障问题，而这一切我们不用仪器测试单凭肉眼是很难发现的。更严重的情况还可能出现密度继电器温度补偿性能变差，当环境温度突变或出现极端天气时可能导致SF6密度继电器误动作。因此DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》规定：各SF6开关使用单位应定期对SF6气体密度继电器进行校验。从近年来实际运行情况看，对现场运行中的SF6密度继电器、压力表定期进行在线式校验，确实发现了不少潜在的问题，进行更换或维修后避免了故障发生，是保障SF6充气式一次电力设备可靠运行的有力手段。

鉴于此本文根据SF6密度继电器在高压电气设备应用环境中的特点，并分析借鉴市面同类型相关校验设备，运用现代电子信息技术、气动压力控制技术和嵌入式计算机软件开发，研发出新一代智能型密度继电器校验平台。该新型智能SF6密度继电器校验仪压力测量准确度0.02级、露点测量误差优于0.5℃、压力加减的速度可以控制在0.001 MPa/s以内，且能将其他温度下SF6气体压力换算为20℃时标准压力值，该智能型SF6密度继电器校验仪具备了对现场运行中的SF6气体密度继电器进行高精度定期检定的能力。

三、设计方案

本方案设计的智能化全自动SF6气体密度继电器校验平台，MCU采用的是欧洲意法半导体公司基于Cortex-M4内核的32位STM32F429ZGT6微处理器，主频最高180M，运行速度是传统51单片机的几十倍，能对目前市面上的所有机械和智能型SF6密度继电器进行现场快速校验。系统软件采用多线程定时器中断方式，高速MCU控制SF6密度继电器进行程序化动作，配备的大容量SDROM高速缓存处理，实时采集动作过程，缓存的大量数据加以计算分析，快速准确的测量出结果。

本校验装置能在设备运行环境温度下对各类型SF6密度表、压力表进行准备校验。校验的原理：因为SF6气体压力在密闭在容器中的是随着温度的变化而变化的。为了有个统一标准进行比对，国标规定在密闭容器中，把20℃时SF6气体相对压力值作为标准值。密度表校验的时候就是根据压力和温度的对应关系，将所测压力转换成20℃时的等效压力值，表示SF6气体的密度，用这个指标来评价SF6密度继电器的性能。本款密度继电器校验装置可全自动完成校验过程，完成以下几个参数值的精确测量。

闭锁回复值：在SF6密度继电器指针或读数为零位时，给继电器缓慢匀速进行充气，当SF6密度继电器发出闭锁动作，此时记录当时环境温度下的压力值，并转换成20℃时的标准压力值，此压力值即为SF6密度继电器的闭锁回复值。

报警回复值：给SF6密度继电器缓慢匀速进行充气，当SF6密度继电器发出报警动作时，记录当时环境温度下的压力值，并转换成20℃时的等效压力值，此等效压力值即为SF6密度继电器的报警回复值。

超压回复值：给SF6密度继电器缓慢匀速进行充气，当SF6密度继电器发出超压信号后，开始缓慢匀速的给SF6密度继电器进行放气当继电器超压报警信号发出时，记录当时环境温度下的压力值，并转换成20℃时的等效压力值，此等效压力值即为SF6密度继电器的超压回复值。

报警值：在环境温度下，当SF6密度继电器内压力值高于报警回复值时，开始匀速缓慢放气，当SF6密度继电器发出报警信号时记录当时环境温度下的压力值，并换算到20℃时的等效压力值，此等效压力值即为SF6密度继电器的报警值。

闭锁值：给SF6密度继电器缓慢匀速进行放气，当SF6密度继电器发出闭锁信号时，记录当时环境温度下的压力值，并转换成20℃时的等效压力值，此等效压力值即为SF6密度继电器的闭锁值。

超压值：给SF6密度继电器缓慢匀速进行充气，当SF6密度继电器发出超压信号时，记录当时环境温度下的压力值，并转换成20℃时的等效压力值，此等效压力值即为SF6密度继电器的超压值。

四、工作流程

近年来，随着传感器和自动化技术的发展，SF6密度继电器的校验技术也日趋自动化和智能化，出现了一批能够自动控制压力、自动处理和储存校验数据且具有将其他温度下SF6气体压力换算为20℃时压力值的智能化的SF6密度继电器校验仪。

1.测量过程

校验仪组成单元主要由MCU主控核心板、AD/DA信号处理单元、压力控制器、传感器采集单元、触点信号处理单元等主要部分组成。产生压力的气源一般采用充装SF6气体的小型高压气瓶。校验前在仪器大屏幕液晶显示触摸屏上输入校验点对应的压力值，然后点击开始，仪器会按照软件设计流程，自动完成气体压力的加（减），直到最终完成到设定值。并以此流程过程中采集的数据进行分析计算和处理。

2.关键器件及功能

校验仪的核心组成器件主要有MCU控制器及AD采样器、各种传感器模块测控单元（压力、温湿度）、信号处理和测控单元等（如图1）。

图1 硬件结构图

1）压力传感器工作原理：当SF6气体压力作用在压力传感器测量膜片的表面时，传感器膜片会发生形变，同时膜片上的相关测量电路会将其形变量转换成与压力值对应的线性电压信号，再通过仪表放大器进行放大传输给处理电路，通常是A/D转换器和MCU控制器。为保证压力测量和控制的准确性，采用美国泰科公司 0.01级的高精度压力传感器。

2）温湿度传感器将采集到的温湿度信号转换、放大并传送到AD转换器和MCU控制器，作为温湿度换算基准值。为保证温度信号的准确性，温度传感器使用AA级的铂电阻温度计。湿度传感器采用芬兰维萨拉公司的DMT143高精度露点传感器。

3）压力测控单元在进行仪器设定点压力偏差校验时，压力变化的速度要求控制在0.001MPa/s以内，这样才能保证AD读取以及回采数值的稳定可靠。但是如果校验全过程以如此低速进行气体压力加减，整个校验时间会延长不少。为了高效可靠的工作，本校验仪的压力测控子系统设计为PID闭环自动化控制系统。工作初期采用快速，中期压力接近目标时慢速，进入定速高精度升（降）控制压力，循环比对检测。后期当压力达到设定值时，停止加（减）压力，仪器进入高精度稳态控制模式，系统压力将稳稳的维持在设定值。当压力值超差时，PID自动控制系统会精确控制压力回调至设定值。

4）触点信号测控单元主要是采集SF6密度继电器触点的接触状态，并同步传递给MCU微处理器进行信号处理，从而完成报警值的校验。硬件采用高速光耦6N137进行信号隔离的抗干扰设计，通过判断光耦导通与否，微处理器I/O电平高低变换来判断SF6密度继电器触点状态是闭合还是开启。

5）信号处理和测控单元主要是将压力传感器和温湿度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并执行MCU发出的各种指令，按照预设程序进行工作。采集处理的模拟量数据全部经过隔离运算放大器输入到AD采样转换为数字信号，然后再交给MCU控制系统外设进行显示，打印数据等完成示值误差、回程误差、设定点偏差等项目的校验。为了提高采样精度，AD芯片选用24位AD7793芯片。

3.校准仪的软件采用前后台模式进行开发，用户选择开始测量后，根据用户选择对比例阀进行充放气，同时前台程序通过中断服务程序对相关模拟量信号进行采集（主要是压力信号和温湿度信号），数据采集完毕后。后台程序对采集所得的原始信号进行相关滤波等预处理后，对测量所得的数据与设定值进行比较，得出检测结果。测量结束后，对采样的相关的数据进行数据存储和打印。（如图2）。

图2 主程序图

五、方案现场实施

如图3所示。

图3 测试流程图

密度继电器校验仪主机接口定义：在确认密度继电器校验仪控制电源已经断开的状态下方可进行，连接校验仪与待校表之间的信号线（如图4）。

图4

1.密度继电器的闭锁、报警、超压输出与校验仪相连

将校验仪机械信号输入接口上写有‘绿、红、黄’三个鳄鱼夹分别与待测密度表的‘接点一、接点二、接点三’对应输出端的一个端子相连接（有该输出就连接否则不用），将三个‘黑色’鳄鱼夹分别与待测密度表的‘接点一、接点二、接点三’对应输出端的另外一个端子相连接。

2.密度继电器的4~20mA输出与校验仪相连

将校验仪电流输入插头上的4~20mA输入信号‘红色’鳄鱼夹与待测密度表的4~20mA对应输出端的正端相连接将‘黑色’鳄鱼夹与待测密度表的4~20mA对应输出端的负端相连接（有该输出就连接否则不用）。用仪器自带的测试管道将被校密度继电器连接到仪器面板上的“测试口”。

3.功能选择界面：可以直接触摸各选择框实现相应操作

4.密度继电器校验仪的设定

具体定义：

a.密度继电器密度范围下限：定义密度继电器整个测试量程的最小值。

b.密度继电器密度范围上限：定义密度继电器整个测试量程的最大值。

以上两个数值，定义了整个测试过程中，校验仪所发生的密度值的范围，当压力上升到上限值时，则上升停止，2秒后转为下降模式，压力表测试不在此限制范围内。

c.密度继电器类型：0 常规的机械动作式密度继电器（默认）

1 电流输出式密度继电器

d.密度显示的方法：0 密度继电器校验仪将使用表压法显示数值

1 密度继电器校验仪将使用绝压法显示数值

e.修改时间 按“年月日时分秒”顺序输入，确定保存。

f.删除历史记录 选择后可以删除仪器内部所有记录，请谨慎操作。

所有修改，按确定保存设置。

5.密度继电器校验

进入密度继电器校验功能后，请先输入继电器编号，本仪器最多可以输入16位编号，按数字键输入，清除键删除后重新输入，确定键保存并进入下一步骤。（继电器编号非必须）

进入继电器编号后机器进入复位模式，为即将开始的测试做好准备。复位完成后，仪器自动进入测试模式。

按照屏幕所示链接好继电器（特殊接线方式请参照密度继电器说明），打开设备面板上的测试阀阀门，按开始进入测试，整个测试过程全自动操作，不需要认为干预。按返回键立即终止测试。

测试完成后，您可以按保存键保存数据，或者打印当前测试记录。按继续键进行下一次测量。测量完毕后请关闭测试阀阀门。

6.压力（密度）表测量：打开面板上的测试阀阀门，按上升或下降按键。校验仪根据指令升压或者降压，再次按下按键，则动作停止，退出此界面前需要关闭测试阀阀门并将压力降至0.01Mpa以下。

7.历史数据查询：按上页或下页查看前一页或后一页。按打印可当前记录。

六、结束语

在智能化全自动SF6气体密度继电器校验平台设计研发中，硬件采用高速MCU微处理器和高精度AD采样器，精密压力比对阀等器件；软件采用PID闭环自动化控制系统的算法，确保压力值到达预设压力值时，能够保持稳态高精度测量工作，因此已经具备了对现场运行的SF6气体密度继电器进行在线式现场自动检定。