SF6密度的监控及误差分析

1.四种密度控制器工作原理及特点

SF₆密度的监控是通过监控SF₆气压实现的。SF₆密度大小对开断性能和绝缘性能有影响。因此，断路器间隔规定有补气压力p₁及操作闭锁气压p₂；隔离开关等间隔规定有补气压力。通过SF₆真空压力表监视开关的气压，通过SF₆密度控制器控制SF₆密度的变化。

开关的额定气压p₀是指20℃时的表计气压，例如为0.5MPa（5kg/cm²）。充气时环境温度如果是30℃，查图2-9的p₀曲线，此时的充气压力应取与30℃对应的气压0.525MPa。

SF₆密度的控制，实质上是通过控制气压的变化而实现的。图2-10示出了各种密度控制器的工作原理。

图2-9 SF₆气体温度—压力曲线

Ⅰ型密度控制器主要由两只波纹管A及B、杠杆、微动开关及感温包等元件组成。感温包与波纹管B相通，在20℃条件下封入额定气压p₀的SF₆气体。波纹管A与SF₆开关相通，当开关工作在额定气压p₀（20℃）时，杠杆平衡，微动开关接点处于常开位置。当环境温度升高（或降低）时，A、B中的气压也等值地升高（或降低），杠杆仍平衡，微动开关接点不动，这就是所谓的温度补偿作用。只要开关不漏气，环境温度变化不会引起接点误动作。如果开关漏气（气压达到补气压力），A中气压下降，波纹管收缩，杠杆反时针转动，微动开关接点导通，发出补气信号，如果开关未能及时补气，继续漏气至开关操作闭锁气压时，将由另一对接点（图上未绘出）发出开关操作闭锁信号。

Ⅰ型密度控制器的缺点是，它只能补偿环境温度的影响，而没有考虑到开关通电工作时因导体发热而使SF₆气体温度及压力升高造成的影响。实际上，这一影响是显著的。当产品不漏时，本来应该是平衡的杠杆，因开关通电导体发热使开关容器内的SF₆气体获得某一平均温升（例如满负荷运行时可达15℃左右），而使开关及A中气压升高（温升为15℃时气压升高约0.040MPa），使杠杆顺时针偏转一个数量可观的角度。一旦开关泄漏，就影响发布信号的精度。

此外，感温包通常放在开关的机构箱内，箱内气温与开关内SF₆温度通常不会相等，都会影响密度控制器接点的精度，导致误报警。

Ⅱ型密度控制器的波纹管A在20℃时封入额定气压p₀的SF₆，外壳内腔与SF₆开关相通，当开关漏气时，A的外部气压低于内部，A伸长而使接点导通发出补气信号。这种密度控制器如图2-10所示，为避免振动的干扰而装在离开开关本体的机构控制箱内时，也会存在Ⅰ型密度控制器的缺点。例如在环温20℃时开关不漏气，由于通电后导体发热，SF₆气体温度升高，开关内的气压升高（大于p₀），而波纹管内的气体温度因远离开关本体而与环境温度一致，气压仍为p₀，波纹管将被压缩，这就影响了接点动作的精度。要避免这一缺点，只有将密度控制器直接装到开关本体上去，使波纹管内外气温与开关的气温基本一致。但是这样接装要想免除开关操作振动的影响是很困难的。

图2-10 各种SF₆密度控制器工作原理

Ⅲ型带指示SF₆密度控制器（WIKA表），将真空压力表与SF₆密度控制器组合成一体。气压监视直观，使用方便。可将它直接装在开关壳体上，能较准确地反映环境温度和开关内SF₆气体的温度变化，监控精度较高，误报警可能性较小。如果不方便，也可安装在紧贴开关的控制箱内。控制器安装点离开关本体越近，监控精度越高。

该控制器利用蛇形弹性管1感受开关SF₆气压变化，利用膨胀系数不同的双金属片2来补偿温度对SF₆气压的影响。譬如，当温度升高时，蛇形管端头O点因管内气压上升而有向上位移的趋势，带动扇形齿轮3及指针4沿双箭头方向转动；而与B点连接的双金属片膨胀推动3与4沿单箭头反向运动，两种位移趋势抵消而使B点不动。B点不动，指针指数则不变。

使用这种控制器比较方便，在环温为-20～+60℃范围内充气时，该指针直指产品的额定SF₆气压p₀（不必考虑环境温度的影响），只要产品不漏气，环境温度在-20～+60℃范围内变化时，指针不动。双金属片特性对控制器精度影响较大。

Ⅳ型国产带指示密度控制器，采用同质双簧管结构。环温升高时，1压力检测弹簧管膨胀，A点固定，可动点B有反时针向上转趋势，并传递力给2管经C点使扇形板3和指针5沿双箭头方向转动。此时封有标准比较气体的2管也因环温升高而膨胀，使C点顺时针转，带动4、3、5沿单箭头方向运动。两种箭头所示运动趋势等值反向，使指针不动、达到温度补偿作用。

带指示的密度控制器有两种结构：带感温包和不带感温包。在低温地区使用的产品，应选用带感温包的密度控制器，并将感温包置于机构箱外大气中。这样其使用性能将更好，误报警的可能性更小。

Ⅲ型WIKA表精度受两种不同零件、三种不同材质特性的影响；Ⅳ型国产表只受两个相同零件、一种材质特性的影响，使用经验及设计都表明Ⅳ型国产表使用可靠性更高。

2.密度控制器对环境温度变化的全补偿与欠补偿

以下分析都假设开关中SF₆气体无泄漏。

（1）全补偿（补偿元件与环境同温时）SF₆密度控制器中的感温（补偿）元件放置的位置能使其与环境同温时，开关和感温（补偿）元件的温度能同时等量地随环温而变化。因此，开关内SF₆气压虽随环温变化有波动趋势，却都被补偿元件的逆动趋势所平衡，密度控制器的指针示数（密度）不变，称全补偿。

（2）欠补偿（补偿元件温度高于环境温度时）户外GCB/GIS使用的SF₆密度控制器通常置于机构箱或LCP柜中，箱内设置有加热器。冬天当加热器投入时，箱内的空气获得一定的温升ΔT₄，开关温度变化量ΔT₁与环境温度变化量ΔT₂相同，而SF₆密度控制器中的感温元件的温度变化时ΔT₃=ΔT₂-ΔT₄＜ΔT₁。当环境温度下降时，因为ΔT₃＜ΔT₁，SF₆密度控制器对开关温度下降值ΔT₁的补偿作用不足，导致指针示数在开关无泄漏时下降，称为欠补偿。

欠补偿可能导致密度控制器误发补气（或开关操作闭锁）报警。例如，某无泄漏的开关，其操作闭锁气压为0.5MPa，机构箱加热器投入后箱内空气温升15℃，随环温变化，开关及SF₆密度控制器相应的参数变化见表2-11。

表2-11 欠补偿导致提前报警

SF₆密度控制器的感温（补偿）元件因加热器的补温作用，实际温度高于环境（开关）温度15℃（ΔT₃=35℃＜ΔT₁=50℃），形成欠补偿，指针示数为0.494MPa（=0.534MPa_-15℃×0.0024MPa/℃），会产生开关不漏气而误报警。

为避免误报警，应使SF₆密度控制器的感温（补偿）元件与环境同温，例如户内GCB/GIS，补偿元件与室温是一致的。户外GCB/GIS，应选用带感温包的SF₆密度控制器，并将感温包置于机构箱的箱外，或紧贴箱壁内侧，尽量与环境保持同温，以获得对环温变化的全补偿。

3.运行开关密度控制器指针（密度）示数“假高”现象及其影响

SF₆密度控制器不能放在开关内部，因此感温（补偿）元件不能与开关内的SF₆同温。当开关带电运行时，主回路发热使SF₆具有一定的温升，而使开关内部SF₆温度T₁高于与环境同温的SF₆密度控制器的补偿元件的温度T₃，亦ΔT₃＜ΔT₁，出现欠补偿现象。这种欠补偿使运行的密度控制器指针（密度）示数升高（其实开关内部SF₆密度并没有增加），这是一种开关密度示数出现“假高”的现象，这种“假高”现象随工作电流增大而更加明显。

密度示数“假高”带来的后果是：当开关的SF₆已泄漏到报警点时，SF₆密度控制器却不报警（或延迟报警），如表2-12所示。

表2-12 SF₆密度示数“假高”导致延迟报警(www.zuozong.com)

因感温元件的欠补偿而产生的SF₆密度控制示数“假高”导致的延迟报警现象，是一种值得注意的普遍现象。

4.海拔对SF₆密度控制器监控特性的影响

SF₆密度控制器通过其表计相对气压p_x来监测产品的SF₆密度：

p_x=p_j-p_d （2-12）

式中 p_j——产品内SF₆绝对气压（MPa）；

p_d——控制器使用当地大气压（MPa）。

SF₆密度控制器制造厂基本上都在海拔1000m以下地区，对于某一恒定气压的被测量p_j，其表计气压（p_x）随安装使用处海拔的升高（p_d的下降）而升高。例如，在平原地区的产品内充入0.5MPa SF₆，运至西部海拔3000m的电站后，表计气压p_x将升到0.53MPa，或用下式表达高海拔处的表计气压p_xh：

p_xh=p_x0+H×10^-5 （2-13）

式中 p_x0——平原地区表计气压值（MPa）；

H——表使用处的海拔（m）。

值得指出的是，在3000m高原电站产品充气时其表计气压p_xh虽达到额定值0.5MPa，但是产品内SF₆的密度（与之对应的气压）只相当于平原地区的0.47MPa，必须继续充气至0.53MPa，才符合平原地区产品额定气压0.5MPa的要求。

为了处理好这个差异，用于2000m及以上高海拔地区的SF₆电器，其额定气压、补气气压和开关操作闭锁气压，都应该不同于平原地区的产品，在平原地区产品相应参数基础上再增加：H×10^-5 MPa（H为海拔/m）。

例如，通常额定气压参数为0.6/0.5/0.4MPa的产品，在海拔3000m电站运行时，应改为0.63/0.53/0.43MPa，与之配套使用的SF₆密度控制器的额定值、补气和报警值都该作相应调整。

5.充油型SF₆密度控制器在高海拔地区使用的注意事项

为了减震，Ⅲ、Ⅳ型控制器有内部充油的品种。油面上部留有一定的空腔，内充的空气气压与控制器制造厂所在地大气压相同。

充油式控制器在海拔3000m电站使用时，它所指示的额定气压（如0.5MPa）以及对应的SF₆密度与平原地区产品是完全一致的；但是，在这同一台产品上，若卸下密度控制器改装上一只标准压力表，其表计压力就变为0.53MPa了。这种差异是由于高海拔处大气压低于平原地区大气压造成的。由于同样的原因，在对充油式控制器进行接点动作值校验时，也会产生同样的偏差：对于某个接点动作值，标准表指示值较高（不正常），而充油式密度控制器等示数较低（但是正常的）。

消除这种差异的办法是“放气”——将控制器上腔气室的充油孔打开，使油面上部气室与高海拔地区的大气相通（使油压降低到当地大气压），那么它的使用特性将和不充油的干式控制器相同。在进行接点校验时，控制器与标准压力表的示数也就一致了。在（2-12）式中，对于确定的p_j，又以相同的大气压p_d为比较，其相对气压p_x（亦表针压力）当然相同了。

6.消除SF₆密度控制器密度示数“假高”、欠补偿和海拔影响的研制方向

以上四种密度控制器都不能避免开关投运后产生的密度示数“假高”现象。某些户外运行的产品也很难不产生欠补偿现象，用于高海拔电站时，其额定电压、各接点动作压力都要按海拔高度调整。

消除这些麻烦的根本出路是：研制一种新型的智能化的SF₆密度控制器，它在开关内部设置温度和压力传感器，实时采集GCB/GIS内部SF₆的温度t与压力p_t，根据产品的SF₆额定气压值，由图1-3，按下式可以将任一温度t下的SF₆气压p_t折算到20℃时的值：

p_t20=p_t-α_t（t-20） （2-14）

式中 p_t——在t时的实测气压（MPa）；

p_t20——p_t折算到20℃后的值（MPa）；

t——检测时SF₆气温（℃）。

α_t——温度系数（MPa/℃），从图1-3可知，α_t随SF₆气压而变化，见表2-13。

表2-13 SF₆气压温度修正系数αt

按（2-14）式折算到20℃的SF₆气压p_t20（与之对应的SF₆密度），与环温和海拔无关，又真实地反映了开关不同运行状态时SF₆不同的气温影响，这就是智能式SF₆控制器的突出优点。它通过采集SF₆温度t、压力p_t，折算出p_t20，利用光纤数字化输出远传和就地数字显示，实现GCB/GIS SF₆密度智能监控。