SF6高压电器设备气体密度的监测及误差分析

李海波，祁文治，张建军

(国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730050)

SF6高压电器设备气体密度的监测及误差分析

李海波，祁文治，张建军

(国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730050)

介绍了SF6密度控制器在监测SF6高压电器设备内部气体密度的重要性，总结了各种类型SF6密度控制器的结构特点，分析了温度补偿方式、海拔、电气设备温升及表计漏油等因素对气体准确监测产生的影响，并结合产品设计、运行维护提出了相关注意事项。

SF6；高压电器；气体密度；监测；误差分析

0 引言

随着我国电网建设的不断加速，SF6高压电器得到了广泛的应用，并仍将成为今后高压和超高压领域的主导产品和全力开发的方向。作为SF6高压电器设备的绝缘和灭弧介质，对SF6气体密度监测的准确性直接影响着设备的工作性能。在生产实际中，由于SF6高压电器设备密度监测容易受环境、产品设计及运维等方面的影响，普遍存在密度监测不准确的问题，为电网安全运行留下隐患。

1 SF6气体密度准确监测的重要性

SF6气体具有良好的电气绝缘性能和灭弧性能，广泛用于支柱式SF6断路器、罐式SF6断路器、变压器、互感器、避雷器、电容器、电缆等单一设备中，也用于气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)、插接式开关系统(PASS)等组合电器设备中。SF6气体被密封在高压电器中，由于高压电器的容积不变，在一定温度下SF6气体的压力可以代表SF6气体的密度(通常以20 ℃时的SF6气体压力作为密度标准值)。如果高压电器设备内部SF6气体密度确实降低了，就会造成高压电器耐压强度降低，直接影响断路器设备的灭弧性能；同时伴随气体泄漏，致使大气中的水分进入高压电器内部，导致SF6气体微水含量超标，进一步影响SF6高压电器设备的性能。因此，对SF6气体密度进行准确监测是非常重要的。

2015年，某省电力公司检修公司所辖110—750 kV SF6高压电器设备(断路器、组合电器、电流互感器)共发生各类缺陷189项，其中涉及SF6气体密度监测缺陷的共计74项，比例高达39.2 %。在SF6气体密度监测缺陷统计中，气压降低但未检测到漏气的为61项，比例高达82.4 %；气压降低但检测到漏气的为6项，比例为8.1 %；监控系统误发为3项，比例为4.1 %；SF6密度控制器漏油为3项，比例为4.1 %；其他表计零部件损坏缺陷1项，比例为1.3 %。

由此可见，SF6高压电器设备缺陷总数中密度监测缺陷占很高比例，且绝大多数SF6气体密度监测缺陷为监测不准确引起，并非设备真正漏气所致。

2 SF6密度控制器的分类及特点

SF6密度控制器主要用于实时监测和显示SF6高压电器设备内SF6气体的密度，不应受到环境温度的影响。为了辨别设备内部SF6气体密度变化是因泄漏还是受环境温度影响，SF6密度控制器需装设温度补偿元件。为了保证SF6高压电器在压力降低情况下的设备安全，密度控制器设置了电接点，其中安装在断路器上的密度控制器设置2对或3对报警和闭锁触点，其他设备仅设置1对报警触点。

按照结构的不同，常用的SF6密度控制器主要分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ型。

2.1 Ⅰ型密度控制器

Ⅰ型密度控制器由2只波纹管、杠杆、微动开关及感温包组成(见图1)。波纹管A与断路器气室相通，波纹管B与感温包相通，且在20 ℃时注入额定气压的SF6气体。当断路器工作在额定气压时(20 ℃)，杠杆平衡，微动开关接点常开；当环境温度变化时，波纹管A，B中的气压也等值变化，杠杆平衡，达到温度补偿作用。如果断路器气室漏气，波纹管A中气压下降，波纹管收缩，杠杆反时针转动，微动开关接通，发出告警信号；若未及时补气，则气压继续下降，直至闭锁断路器动作。

图1 Ⅰ型密度控制器结构示意

Ⅰ型密度控制器在早期SF6断路器产品中应用较多，需要配置SF6真空压力表来监视压力，主要缺点是：因感温包通常安装在机构箱内，箱内温度与断路器内部SF6温度通常不相等，尤其在冬季；机构箱内设置加热器，极易造成密度控制器误报警。

2.2 Ⅱ型密度控制器

Ⅱ型密度控制器由1只波纹管、1只微动开关及外壳等组成(见图2)。波纹管A在20 ℃时注入额定气压SF6气体，密度控制器外壳内腔与断路器气室相通；当断路器漏气时，波纹管A的外部气压低于内部，波纹管A伸长而使接点导通发出补气信号。

图2 Ⅱ型密度控制器结构示意

Ⅱ型密度控制器也需要配置SF6真空压力表来监视压力。为了避免断路器操作振动带来的影响，该继电器也安装在机构箱中；由于箱内温度与断路器内部SF6温度通常不相等，现场密度控制器产生误报警的现象较为普遍。

2.3 Ⅲ型密度控制器

Ⅲ型密度控制器将真空压力表与SF6密度控制器组合成一体，主要由压力检测弹簧管、温度补偿热双金属片、机芯及扇形齿轮及指针等组成，其结构如图3所示。密度控制器利用压力检测弹簧管感受断路器SF6气压变化，利用膨胀系数不同的温度补偿热双金属片来补偿温度对SF6气压的影响。当温度升高时，压力检测弹簧管因管内气压上升而有向上位移趋势，带动扇形齿轮及指针沿双箭头方向运动，而与B点相连的双金属片膨胀，推动扇形齿轮及指针沿单箭头方向运动，2种位移趋势相互抵消，B点不动，指针指数也不变。

图3 Ⅲ型密度控制器结构示意

Ⅲ型密度控制器典型产品为WIKA表，其主要优点是控制器将真空压力表与SF6密度控制器组合成一体，气压监测直观、方便，监控精度较高，可直接装设在断路器本体上，能较为准确地反应环境温度及断路器温度变化，主要缺点是双金属片特性对控制器精度影响较大。

2.4 Ⅳ型密度控制器

Ⅳ型密度控制器也是将真空压力表与SF6密度控制器组合成一体，主要由压力检测弹簧管、温度补偿弹簧管、机芯及扇形齿轮、拉杆及指针等组成，如图4所示。压力检测弹簧管与断路器气室SF6气体相通，20 ℃时往温度补偿弹簧管内部注入额定气压的SF6气体，将其作为标准比较气体。环温升高时，压力检测弹簧管膨胀，因A点固定，使B点有反时针向上转趋势，并传递给温度补偿弹簧管，经过C点后使扇形板及指针沿双箭头方向转动。此时温度补偿弹簧管也因环温升高而膨胀，使C点顺时针转动，带动扇形齿轮、拉杆及指针沿单箭头方向运动。2种箭头所示运动趋势等值反向，最终使指针不动，达到温度补偿作用。

图4 Ⅳ型密度控制器结构示意

Ⅳ型密度控制器典型产品为国产表计，其主要优点与Ⅲ型密度控制器大致相同，且较Ⅲ型密度控制器而言，该控制器只受2个相同零件、1种材质特性的影响，产品可靠性比较高。

3 SF6密度控制器监测误差影响因素分析

3.1 温度补偿方式

SF6密度控制器温度补偿有2种方式：全补偿和欠补偿。

假设断路器中的SF6气体无泄漏，在全补偿方式下，SF6密度控制器中的感温元件安装位置与环境同温，断路器本体与感温元件同时感受到环境温度的变化，所以断路器内的气压随环境温度变化产生的变化被补偿元件的逆动趋势所平衡，密度控制器的指针示数不会发生变化。

在欠补偿方式下，SF6密度控制器中的感温元件安装位置处的温度与环境温度不同，主要原因是感温元件安装在机构箱中，冬季加热装置投入运行后，感温元件感受到的温度变化远远小于断路器感受到的温度变化，SF6密度控制器对断路器温度下降补偿能力不足，导致在断路器无泄漏的情况下指针示数为压力下降，产生误报警。举例分析如下。

对1台实际无泄漏的断路器而言，设置操作闭锁压力为0.5 MPa。当环境温度为20 ℃时，实际压力为0.524 MPa，气体压力不报警；当环境温度为-30 ℃时，机构箱加热器投入后箱内空气温度升高15 ℃。随着环境温度变化，由于SF6密度控制器的感温元件因加热器的温度补偿实际温度高于环境温度，形成欠补偿，SF6密度控制器测得压力为0.488 MPa，产生断路器实际无泄漏而误报警，如表1所示。压力计算如下：

其中：Pt——SF6密度控制器的指示值，MPa；P——SF6实际压力值(环境温度下的压力值)，MPa；P0——环境温度与20 ℃下的SF6压力差，MPa。

其中：αt——温度修正系数，MPa/℃(见表2)；Δt1——环境温度变化量，℃；Δt2——感温元件温度变化量，℃。

经计算可得：Δt1=20-(-30)=50 ℃；Δt2=20-(-15)=35 ℃；P0=αt(Δt1-Δt2)=0.002 4×(50-35)=0.002 4×15=0.036 MPa；Pt=P-P0=0.524-0.036=0.488 MPa。

表1 欠补充导致误报警

表2 SF6气压温度修正系数αt

3.2 高海拔

SF6密度控制器通过表计相对气压来监测产品的SF6气体密度。由于SF6密度控制器基本在海拔1 000 m以下生产，对SF6高压电器设备而言，假如在平原地区充入0.50 MPa气体，当运输至海拔3 000 m变电站后，表计显示为0.530 MPa。为了处理好海拔的差异，在平原地区产品相应参数基础上再增加H×10-5MPa充气压力(H为海拔，单位为m)，同时与SF6高压电器设备配套使用的SF6密度控制器额定值、补气值及报警值都应做相应的调整。

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器内部充有部分硅油，且在油面上部留有一定的空腔，空腔内部的空气气压与控制器制造厂所在地大气压相同，在高海拔地区使用时，将仍会和低海拔地区的压力相同，这样会造成监测到SF6相对气压偏低。

3.3 温升

在实际运行中，电气设备内部导体通过电流会产生温升，该温升会引起设备内部气体温度升高，从而引起压力偏差。根据DL/T 728—2000《气体绝缘金属封闭开关设备订货技术导则》规定，运行人员易接触的GIS外壳，其温升不应超过30 K；运行人员易接近、但正常操作时不需接触的外壳，其温升不应超过40 K；运行人员不接触的部位，允许温升可提高到65 K。根据GB/T 11022—2011《高压开关设备和控制设备的共用技术要求》规定，裸铜触头材料在SF6气体中的最高温度为105 ℃，运行温升为65 K。由此可以看出，环境温度引起的压力偏差可以补偿，但由于设备运行造成的内部温升却不易补偿，其影响可能超过环境温度影响。

3.4 漏油

Ⅲ，Ⅳ型密度控制器一般采用磁助式接点，接点闭合时，闭合力仅靠触头游丝的微小力以及磁助式力；当断路器分、合闸振动时，接点特别容易发生问题。为了提高其抗振性，在密度控制器中充有防振硅油。在正常运行中，密度控制器的密封问题因而也较为突出，但未引起高度重视，未意识到漏油将会给SF6电气设备带来潜在的安全危害。如当密度控制器防振硅油渗漏完后，其阻尼作用将消失，在断路器分、合闸强烈冲击后，会出现指针卡死、接点失效及偏差超标等故障。同时，由于无防振硅油，接点易氧化，甚至积有灰尘，接点容易出现接触不良或不通的情况。2013—2015年期间，该公司共检测SF6密度继电器196块，发现接点不能可靠导通的有6只，约占总数的3.1 %，而这些接点不能可靠导通的原因全部是防振硅油泄漏。

4 SF6气体密度继电器设计及运维的注意事项

(1) 为避免因感温元件安装位置不当造成的误报警，在产品设计时应使SF6密度控制器的感温元件与环境同温，带感温包的应将感温包安装于机构箱外；Ⅲ，Ⅳ型密度控制器安装位置应避免日照的影响，必要时加装遮光罩。严格按照《国家电网公司十八项重大反事故措施》12.1.1.6要求，密度继电器应装设在与断路器或GIS本体同一运行环境温度的位置，以保证其报警、闭锁触点的正确动作。

(2) 户外使用的SF6密度控制器容易受到雨水或潮气影响而发生误报警，所以产品设计时应严格按照《国家电网公司十八项重大反事故措施》12.1.1.6要求，对户外安装的密度继电器设置防雨罩，且密度继电器防雨罩应能将表、控制电缆接线盒和充放气接口一起放入，防止指示表、控制电缆接线盒和充放气接口进水受潮。

(3) 现场运行的密度控制器，经过一段时间后会出现动作不灵活、触点接触不良等现象，因此密度控制器应按要求定期进行校验。为满足在运行中可以进行校验的要求，产品设计时也应严格按照《国家电网公司十八项重大反事故措施》12.1.1.6要求，SF6密度继电器与开关设备本体之间的连接方式应满足不拆卸校验密度继电器的要求。

(4) SF6高压电器设备投入运行后，运维人员应定期记录SF6气体的压力和环境温度。考虑到设备运行时温升的影响，在巡视过程中，不但要记录SF6气体的压力和环境温度，还应注意当时的负荷情况。通过与过去记录的精确比对，可准确判断压力变化是由内部漏气还是温升造成的。

(5) 充油型密度控制器在运行中，通气孔的螺钉要拧松，通过“放气”使控制器内部与大气相通，此时充油型密度控制器的使用特性与干式密度控制器一致。在密度控制器内部无压力时，当控制器温度低于20 ℃时，指针偏于0以下；当温度高于20 ℃时，指针偏于0以上；当控制器温度等于20 ℃时，指针应正好指向0处。

(6) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器防振硅油渗漏时，应加强运行巡视，严格避免防振硅油漏完后长期运行，对漏油的密度控制器应尽快安排更换。

(7) Ⅲ，Ⅳ型密度控制器正常工作时，指针会指示在表盘的绿色区域内。黄色区域为警告区域，当指针指示在该区域时，密度控制器会发出压力低报警信号，需要及时补气。红色区域为闭锁区域，当指针指示在该区域时，密度控制器会发出压力低闭锁信号，此时断路器设备将禁止操作。同时应注意在给SF6高压电器设备补气时密度控制器指针不能超过绿色区域。

5 结束语

SF6密度控制器是监测设备内部气体密度的重要元件，各种类型的SF6密度控制器结构特点不同。温度补偿方式、海拔、电气设备温升及表计漏油都会对SF6密度控制器准确监测产生影响，严谨的产品设计、精益的设备运维是设备可靠运行的保证。研制出能够准确反映SF6高压电器设备内部气体真实密度的密度控制器，是今后的研究方向。

1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T 22065—2008压力式六氟化硫气体密度控制器[S]．北京：中国标准出版社，2008.

2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．JB/T 10549—2006气体密度继电器和密度表通用技术条件[S]．北京：中国标准出版社，2006.

3 国家电网公司．国家电网公司十八项电网重大反事故措施[M]．北京：中国电力出版社，2012.

4 中国人民共和国国家经济贸易委员会．DL/T 728—2000气体绝缘金属封闭开关设备订货技术导则[S]．北京：中国标准出版社，2001.

5 中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局．DL/T 11022—2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].北京：中国标准出版社，2012.

2017-03-18。

李海波(1976—)，男，高级工程师，长期从事高压开关技术研究工作，email：lhb0943@163.com。

祁文治(1974—)，男，工程师，长期从事变电运维管理工作。

张建军(1972—)，男，高级工程师，长期从事变电运维安全技术监督管理工作。