数控式SF6在线补气机研究应用

李贵良

摘要：本课题以创新运用单片机、电测量及SF6压力温度函数关系理论，研究出一種能够实现SF6在线补气的数控装置，并推广使用。

关键词：SF6在线补气；单片机；电测量

中图分类号：TN506 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0100-02

1 课题研究意义

SF6开关设备由于日常的气体微水测量、密度继电器校验、设备老化裂损等因素，导致SF6气体外泄、压力下降。为了保障高压设备内SF6的绝缘和灭弧性能，必须进行补气。传统的补气方式中，检修人员将高压气瓶内的SF6气体经减压阀减压后，直接使用橡胶管连接到高压设备上进行补气。整个过程操作困难，非常危险：补气前不能完全排出橡胶管内的杂质，会将一部分杂质和水分带入开关设备中。安装补气接头过程中会使橡胶管扭曲缠绕，甚至爆裂；补气时只能参照高压设备上的SF6密度继电器进行补气，全程手动操作，不能实现定额定量。

传统的SF6补气方式弊端很多。为了解决以上问题，我们在充分研究SF6补气特点的基础上，认真分析SF6压力温度关系，结合单片机、电测量理论，研制出了ZBQ-17数控式SF6在线补气装置，并推广使用。

2 设计原理如图1

2.1 补气前后排气原理

将ZBQ-17数控式补气机作为中间链接点，使用插拔接头及阀门组件将气瓶气源与开关设备气室接通。如图所示，SF6气源经过减压阀后传输给电磁阀门，再通过管道连接排尾气三通阀，最后流经排空气阀体和补气口接头后进入SF6高压开关设备。补气前可以通过排空气阀体将空气从管道中排出；补气后关闭减压阀和排空气阀体，让尾气从排尾气阀体排出，将管道压力泄载。同时快速插拔接头可360度旋转，避免橡胶管拆装时缠绕扭曲，简单安全。

2.2 补气过程控制原理

补气过程控制主要运用了电测量知识和单片机控制理论。在补气时，单片机作为中央处理控制器发挥着两方面的作用，即监测SF6高压开关设备内的气压和控制补气源处的电磁阀门开启度。

一方面在补气机出气侧装设高精度的压力传感器，把测量到的气路压力转换成DC4-20mA直流信号提供给单片机。单片机采集到压力传感器的电信号后，计算成实际温度下对应的压力值P1。由于SF6密度继电器表征的是20℃下SF6气体压力，我们定义的补气压力也是指20℃下的压力，所以还需将气压P1等效换算成标准温度20℃下的气压P2。换算时需要提供当时气路的环境温度，因而在补气机出气侧还需要安装一只温度传感器，把温度转换成DC4-20mA电信号送入单片机。单片机通过执行换成程序完成压力换算。

另一方面单片机将P2值与补气设定值P0进行比较，其比较结果作为指令控制进气侧处的电磁阀门。P2

2.3 运算控制程序的开发

编辑程序前，首先得确定出核心运算处理公式如图2。

其一，传感器输送的DC4-20mA直流信号转换成对应的温度值、压力值。压力传感器参数为0-1Mpa输入、4-20mA输出，单片机接收到的电流记为I1。那么P1=（I1-4）（1-0）/16。温度传感器参数为0-100℃输入、4-20mA输出，单片机接收到的电流值记为I2、实测温度记为T。那么T=（I2-4）（100-0）/16。

其二，P1等效换算成P2的公式选取。选择科学的计算公式将直接决定着补气机的控制精度。由于补气过程是一个随机动态过程，所以理想气体方程PV=RnT将不再适用；传统的经验压力温度系数0.03Mpa/10℃（温度每变化1℃，SF6气体压力变化0.003Mpa）只应用于允许误差较大的计算中；如要准确计算SF6的状态参数，保障补气机的控制精度，Beattie-Bridgman公式是非常科学的选择。

P=0.58×10-4ρT（1+B）- 10-1ρ2A

A=0.75×10-3（1-0.727×10-3ρ）

B=2.51×10-3ρ（1-0.846×10-3ρ）

公式中：p—六氟化硫的压力，MPa。ρ—六氟化硫的密度，kg/m3。T—六氟化硫的温度，K。那么反复运用此公式可换算出比较准确的P2值。先将实测温度值T代入以上公式，可解出ρ。将ρ和T20（温度值20℃）再次代入以上公式，可换算出P2。同理当实测温度变化时，另进行此运算得到实时动态P2值。

其三，补气时电磁阀门的开启度。SF6从气源进入高压开关设备中将经历温度变化、分子扩散、分子平衡等过程，所以补气时需要缓慢进行，不可过急过快。在ZBQ-17数控式补气机中：P2/P0<80%时，电磁阀门完全开启；80%

确定好运算公式后，可采用C++及汇编等机器语言将公式写入单片机，作为补气机的运算控制程序，并根据使用需要定于词语描述。当然，为了使用操作方便，完善操作功能还可以设置手动微调等菜单。

3 应用前景

数控式SF6在线补气机安装了高精度压力传感器，运用单片机进行科学的压力温度换算，能够动态监测开关设备气室内的气体压力。通过设定值与自动控制实现定额补气，一键操作，控制精度高。能适用于需要补气的SF6高压开关设备，同时也可以在其它介质气体的补气场合使用，应用前景广泛。

参考文献

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2003：424.

[2]王桂荣.传感器原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2010：320.

[3]黄林鹏.程序设计方法[M].北京：高等教育出版社，2003：460.