SF6密度继电器监测GIS气室压力的误差分析.docx

? ? SF6密度继电器监测GIS气室压力的误差分析 ? ? 刘 杰，毛海波，姜 涛，周爱良 （国网浙江省电力有限公司超高压分公司，杭州 311121） 0 引言 SF6具有良好的电气绝缘性能和优异的灭弧性能，因此被广泛于应用变电站中［1-3］。GIS（气体绝缘全封闭组合电器）绝缘气体一般为SF6气体，变电站为了节约土地资源，大量应用GIS 设备来替代原来敞开式的电气设备，在超高压及特高压变电站中尤其如此。一般情况下，GIS 设备通过不同的SF6气室将不同的电气设备隔离开来。不同气室的SF6压力也不一样，一般开关气室压力最高，隔离开关、接地闸刀及电流互感器气室压力次之，母线气室压力最低。GIS 气室有时会存在气体泄漏情况，泄漏严重时可能发展成设备故障问题［4-8］，因此需要对气室压力进行监视，以便及时了解气室变化从而采取进一步的处理措施。目前常用的监视方法是在气室上安装SF6密度继电器来监视压力，通过监视气室密度来反映气室的压力变化。 2021 年1 月，某特高压交流变电站监控后台出现某电流互感器及隔离开关气室压力报警报文，经检查确认SF6大气室压力监测存在问题。一般对于较大气室，压力表处装有密度传感器及温度补偿装置即密度控制器，受热时，气室内SF6的温升较压力表处传感器的温升慢，导致密度控制器过补偿，造成温度升高时，密度继电器补偿后的压力小于实际压力，从而导致报警。文献［9］通过理想气体状态方程分析了SF6密度继电器补偿原理，给出了误报气压低告警信号的原因。文献［10］同样通过理想气体状态方程分析了密度继电器指针波动原因及处理方法。不同于文献［8-9］，文献［11］指出当气体压力高于0.3 MPa 时，SF6气体的压力变化特性不再符合理想气体状态方程，可以用SF6气体压力-温度曲线（等密度线）表示［12］。对于以上文献所提的2种分析方法在具体实际应用中有多少不同，目前还未见相关文献报道，2种方法分析具体温度与补偿压力的关系需要进一步的分析研究。 1 SF6补偿分析 1.1 理想气体状态方程 根据理想气体状态方程可得到压力与密度的关系式［9-10］： 式中：M为SF6气体质量，无气体泄漏时为常数；Rg为SF6气体常数，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）；V为气室体积，为常数；T为密度继电器安装处的绝对温度（T=t+273）；t为环境温度；ρ为SF6气体密度。 根据式（1）可知，在常见气室额定压力与密度关系如表1所示。 理想气体状态是在特定环境下的情况，实际应用中SF6气体的分子质量大，分子间相互作用明显。当SF6气体压力大于0.3 MPa时，气体压力的变化特性不再符合理想气体状态方程［11，15］。如果继续使用理想气体状态方程，将会造成一定的误差，这时就需要引入新的计算方法。 1.2 Beattie-Bridgman方程 《六氟化硫气体密度继电器校验规程》中给出了SF6气体状态方程，即Beattie-Bridgman（贝蒂-布里奇曼）方程式，根据该方程式可知气体密度与压力的关系［16］： 式中：p为压力×0.1 MPa；d为密度；T为温度。 根据式（2）可知，在20 ℃下常见气室额定压力与密度关系如表2所示。 表2 20℃下常见气室额定压力与密度对应关系（Beattie-Bridgman方程） 由式（1）和式（2）可以看出，不仅密度影响压力的大小，温度也影响压力的大小。一定质量和体积下的气体，即密度固定的情况下，温度与压力呈线性关系。温度升高时压力增加，温度降低时压力减小。用于检测气室压力的表计，工程应用中希望气室压力不随环境温度的变化而变化，即在气室不发生气体泄漏的情况下，希望监测的气室压力维持在一个不变的数值。这就需要对气室压力进行补偿，当温度升高时压力上升，给予负的压力补偿；温度降低时压力下降，给予正的压力补偿，从而达到气室压力尽可能不随外界环境温度的变化而变化。 1.3 SF6补偿计算 由表1 和表2 的数据，可以绘制如图1 所示的20 ℃下常见气室额定压力与密度关系曲线。 图1 20 ℃下常见气室SF6额定压力与密度关系曲线 由图1 可以看出，在相同压力下，Beattie-Bridgman 方程计算的SF6密度比理想气体状态方程计算的SF6密度大一些，随着额定压力的增加，两者计算的密度差值也随之增加。在0.3 MPa～0.6 MPa，2 种不同的计算公式密度计算差值在0.64 kg/m3～2.79 kg/m3。根据2 种不同的计算公式可以计算出一定气室体积和预定压力下需要充装的SF6质量，对气室气体质量的估算具有一定的参考价值。 20 ℃下的气室压力称为标准压力，为了真实反映GIS 气室的压力，工程应用中将不同温度下的气室压力转换成20 ℃下的压力，这样，无论温度如何变化，只需要考虑转换后的压