一种混合式SF6气体密度表的设计

宋亚凯, 张一茗, 李少华, 张文涛, 高群伟

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

一种混合式SF6气体密度表的设计

宋亚凯, 张一茗, 李少华, 张文涛, 高群伟

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

为满足智能变电站一次设备在线监测的需求，用于对设备SF6气体状态进行监测的SF6气体密度表需具备远程传输数据的功能。常用组合式密度表是在传统机械式密度表上集成远传模块，接头阀块处加装压力、温度传感器，漏气风险增大，且远传系统和机械系统相互独立，容易出现二者示数偏差较大的问题，导致调试困难。提出将机械表的指针位置信息就地数字化上传，可避免因安装压力传感器带来的漏气问题，同时还可以有效解决机械表与远传表读数误差不一致问题。

SF6气体；在线监测；SF6气体密度表；智能变电站；电力设备

0 引 言

高压电器设备内的SF6气体密封在体积固定的容器内，在20 ℃时额定压力下具有一定的密度值，在设备不漏气的情况下，气体压力随温度变化而变化，但密度值始终不变。为了能够有效监测是否漏气，将所测得的实时压力转换为20 ℃时对应的压力，此转换后的压力可作为SF6气体密度，其实质是用20 ℃时的气体压力表示固定容积内气体量的多少。

SF6气体密度表主要用于高压电器设备内部SF6气体状态的监测，预防设备漏气故障的发生，对设备工作可靠性有重要影响[1]。

1 现有SF6气体密度表介绍

现有的SF6气体密度表有传统的机械指针式和远传式以及组合式3种[2]93。

传统机械式密度表安装于被测设备上，通过指针显示SF6气体密度[3]。

1-表壳 2-弹性金属管 3-接头 4-SF6气体 5-双金属片 6-齿轮指针传动图1 机械式密度表结构图

机械式密度表的工作原理如下：

如图1所示，当接头内充入SF6气体时，随着气体压力的逐渐增大弹性金属管的端部向外扩张移动，带动双金属片向上移动，带动齿轮指针传动向指示值增大的方向移动。以双金属片在20 ℃时的形变量作为参照进行温度补偿，当环境温度高于20 ℃时，双金属片伸长，其下端带动齿轮指针传动向指示值减小的方向移动，当环境温度低于20 ℃时，双金属片收缩，其下端带动齿轮指针传动向指示值增大的方向移动，从而达到温度补偿的目的。

随着智能变电站的建设推广，需要将气体密度值就地数字化后远程传输给电子监测系统，实时监测设备气体状态[4]，于是，出现了远传式密度表,如图2所示。

图2 远传式密度表结构图

现有远传式密度表的原理是：通过在气体接头处安装压力传感器和温度传感器实时检测气体的压力和温度，并通过电子电路采集传感器信号，转换为实时数字信号，根据采集到的压力值和温度值，通过单片机实时计算出对应的气体密度值并通过通信电路远程输出[5],如图3所示。

图3 各类密度表安装结构示意图

由于远传式密度表主要由电子电路构成，与机械式密度表相比，其工作可靠性有所降低[6]。将机械式和远传式的功能整合为一体的组合式密度表既能够保留传统机械式密度表较高的可靠性，又便于远程读取数值，可满足工程建设需求。

但是，现有的组合式密度表都需要在接头阀块处加装压力和温度传感器，增大了密度表接口处漏气的风险，并且由于机械表和远传表各自是独立的系统，因零部件及安装调试工艺的微小差异，容易出现二者示数和误差方向不一致的情况，给出厂调试和工程应用带来一定的问题[2]95。

现有各类型密度表的优缺点对比如表1所示。

表1 现有密度表优缺点对比

为了解决上述问题，对现有的密度表进行改进，设计一种混合式密度表，通过检测机械式密度表的指针位置信息，将其就地转换为数字量后输出，这样不需另外加装压力传感器，可有效降低漏气风险。因远传部分采集的是指针位置信息，可解决机械指针示值和远传值示数不一致的问题。

2 混合式SF6密度表的结构

1-表壳 2-弹性金属管 3-接头 4-SF6气体 5-双金属片 6-齿轮指针传动 7-随动齿轮 8-可调电阻 9-电路板图4 混合式密度表结构图

混合式密度表的结构如图4所示。其主要结构为机械式密度表，与传统机械式密度表不同的是，在齿轮指针传动机构加装有一个用于随指针转动而转动的随动齿轮，该随动齿轮的动力输出端与用于检测指针转动角度的可调电阻传动连接，可调电阻的信号输出端连接有用于信号处理并与上位机通信的电路板。这样，指针的位置信号变化可转换为可调电阻的阻值变化，通过测量可调电阻的阻值变化，可计算出实时的指针位置信号即密度信号，这个换算过程可通过公式的推导计算来实现。

3 混合式密度表的工作原理

混合式密度表通过实时采集可调电阻的阻值，利用齿轮(指针)的旋转角度与电阻值变化的关系计算出指针位置所对应的密度值。

密度值与所测电阻的计算公式推导过程如下：

1)采用线性可调电阻，电阻变化与旋转角度成线性关系，阻角比为K，若可调电阻的电阻值为R，旋转角度为θ，则阻角比为：

K=R/θ

(1)

若主动齿轮的齿数为A1，从动齿轮的齿数为A2，则传动比为：

i=A2/A1

(2)

2)主动齿轮(即齿轮指针传动机构)与指针同轴安装，当指针转动角度变化为Δθ时，主动齿轮的转动角度变化也为Δθ，从动齿轮(即随动齿轮)转动角度为Δθ2，而Δθ2=Δθ/i，则可调电阻的电阻值变化：

ΔR=Δθ2×K=Δθ×K/i

(3)

此时，电阻值为：

R=R0+ΔR=R0+(Δθ×K/i)

(4)

其中R0为初始角度对应的电阻值，则：

Δθ=(R-R0)i/K

(5)

3)若指针(主动齿轮/齿轮指针传动机构)初始角度(指针指向量程最小值Pmin)为θ0，指针最大转动角度(指针指向量程最大值Pmax)为θ1，则指针的偏转角度为Δθ时，密度值P的计算公式如下：

P=Δθ×(Pmax-Pmin)/(θ1-θ0)=

[i(R-R0)×(Pmax-Pmin)]/[K(θ1-θ0)]

(6)

在上述公式中，i、K、R0、θ1、θ0、Pmax、Pmin均是定值，则可以通过测量R值，根据公式(6)计算出密度值P。

该计算过程由相关远传电路及相应的嵌入式程序实现。

4 远传电路设计

图5 采集电路结构图

远传电路结构如图

5所示，其硬件电路主要有主控制电路(16位的MCU芯片)、电源电路、电阻信号采集电路、A/D(模/数)转换电路、RS-485通信电路等组成。工作过程中，主控芯片控制恒流源(电阻信号采集电路)发出恒定电流，恒定的电流流过可调电阻、温度传感器(pt100铂电阻)，采集电阻两端的电压，经过模数转换后进入主控芯片[7]。主控芯片根据采集到的电压值，计算出实际的电阻值和温度，并根据公式(6)计算出实时的密度值。密度值及温度值通过RS-485通讯电路发送至上位机，实现密度值、温度值的远程数字量传输。

采集电路的结构如图5所示。

在远传电路中，各电子器件的工作特性受周围环境影响，可能会出现测量精确不够的问题[8]，因此，需对混合式密度表进行校准和试验。

5 混合式密度表的校准及试验

5.1 校准

在恒温20 ℃环境中，将待测密度表和标准压力表在同一气源下进行校准，通过对比二者示数的误差，调节待测表的读数，使其满足精度要求[9]。

5.2 温度试验

图6 温度试验系统布置图

图7 运行于变电站现场的密度表

在密度表的接头处安装密封工装，工装内充特定压力(以0.6 Mpa 20 ℃环境为例)的SF6气体，然后按照图6所示布置试验系统。将密度表与工装整体放入高低温箱中，将通信线引出连接至远程终端用于读取远传部分示数，并在试品附近放入标准温度计进行试验。

从高温到低温，依次进行试验，在特定的温度点同时读取机械指针和远传读数。

如图7所示,按照相关标准要求，在全量程范围内，密度值误差在±0.01 MPa，从表2的试验数据可以看出，在-40 ℃～+70 ℃的环境温度内，密度表机械部分和远传部分的读数误差在规定范围内，且二者示数的偏差也在规定范围内，均能满足相关性能要求。且混合式密度表很好地解决了机械部分和远传部分示数偏差不一致的问题。

表2 混合式密度表高低温试验数据

6 结束语

本文介绍的混合式密度表是在现有的机械式密度表的基础上通过加装齿轮传动、可调电阻和远传电路，检测指针位置信号并就地数字化，在实现密度值远程传输功能的同时也保留了机械式密度表可靠性高的优点的。通过高低温试验验证了其在全工作温度范围内测量精度满足工程要求。

混合式密度表从2014年6月开始批量投入工程应用，在变电站现场实现了高压电器设备的SF6气体状态可靠监测，运行效果良好。

[1] 孙银山，尹军华，寇新民，等. SF6密度继电器RS-485通信终端电阻匹配方法研究[J].电气自动化，2015,37(1)：46-47.

[2] 张军民，寇新民，张丽娜. 一种复合式SF6密度表的实现[J].电力自动化设备，2008,12(2):93-96.

[3] 洪青云，苏东青. 环境温度对断路器SF6密度继电器的影响[J].自动化应用，2010,28(10):76-77.

[4] 古玲霞，贺向前，蔡巍，等. 一种SF6气体密度继电器全温度范围校验装置的研制[J].高压电器，2015,51(1):127.

[5] 于维娟，宋亚凯.智能组件电源电路的电磁干扰防护设计浅析[J].科技视界，2015,149(26):115.

[6] 周骁威，陈振生.数字式SF6密度继电器UP908的原理及应用[J].电气技术，2005,35(8):56.

[7] 宋亚凯，张一茗，孙银山，等.基于信号压缩运算的智能高压设备传感器宽范围变化信号检测电路研究[J].科技视界，2015,139(16):71.

[8] 李志刚， 蔡巍，邓春，等. SF6气体密度继电器在极端温度下的性能校验[J].中国电力，2012,45(10):89.

[9] 马众，马静. 温度对SF6密度继电器现场校验的影响[J].新疆电力技术，2014,18(3):113.

Design of a Hybrid SF6Gas Density Meter

Song Yakai, Zhang Yiming, Li Shaohua, Zhang Wentao, Gao Qunwei

(Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan Henan 467001, China)

In order to meet the needs of on-line monitoring for primary equipment of intelligent substations, the SF6gas density meter used for SF6gas monitoring in the equipment must have the function of remote data transmission. As the common combined density meter integrates a remote transmission module to the traditional mechanical density meter and pressure and temperature sensors are added to the joint valve, leakage risk increases. Furthermore, the mutually independent remote transmission system and mechanical system might easily lead to large difference between their readings, thus making debugging difficult. This paper proposes that the position information of the pointer of the mechanical meter should be uploaded digitally on spot to avoid leakage of additional pressure sensors. The problem of different readings of the mechanical meter and remote transmission meter can also be solved effectively.

SF6gas；on-line monitoring；SF6gas density meter； intelligent substation； electric power equipment

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.028

TM932

A

1000-3886(2017)02-0092-03

宋亚凯(1987-)，男，河南平顶山人，硕士，工程师，主要从事高压开关设备状态监测及智能控制技术研究。

定稿日期: 2016-08-29