基于自动控制压力的智能SF6密度继电器校验仪

孙晓全姜东飞戴翔/ . 河南省计量科学研究院；. 国网新疆电力公司检修公司

基于自动控制压力的智能SF6密度继电器校验仪

孙晓全1姜东飞2戴翔1/ 1. 河南省计量科学研究院；2. 国网新疆电力公司检修公司

从SF6密度继电器在高压电气设备中的应用及其定期校验的必要性出发，分析了早期手动校验设备的不足，阐述了基于自动控制压力的智能SF6密度继电器校验仪的特点，并对其核心器件以及软件流程进行了分析。智能SF6密度继电器校验仪压力测量准确度0.05级、温度测量误差小于0.2 ℃、加减压力的速度可以控制在0.001 MPa/s以内，且具有将其他温度下SF6气体压力换算为20 ℃时压力值的功能。智能SF6密度继电器校验仪具备了对SF6气体密度继电器进行自动检定和进行现场检定的能力。

压力；SF6密度继电器；智能；校验仪

0 引言

为了保证互感器、隔离开关、断路器等高压电气设备的安全运行，通常需要在密闭的高压电气设备内充装一定密度的SF6气体作为绝缘介质，由于密闭设备会发生微量的泄露，因此，必须对设备内SF6气体的密度进行监控。

目前通用的方法是使用SF6密度控制器（行业内俗称密度继电器）通过测量气体压力对其密度进行监控。SF6密度继电器其实是一种具有温度补偿功能的电接点压力表，它的表盘以20 ℃时SF6气体的压力为标准进行标度，以弹簧管作为压力敏感元件、以双金属片作为温度补偿元件，可以将不同温度下的SF6气体压力转换为20 ℃时的压力值并可以发出补气或闭锁信号。为保证密度继电器的准确可靠和高压电气设备的安全运行，国家质检总局发布了JJG 1073-2011《压力式六氟化硫气体密度控制器》检定规程，国家电力总公司也要求对SF6密度继电器进行定期校验。

1 早期的校验设备

早期通常采用电接点压力表的检定设备来对密度继电器进行校验。例如采用精密压力表或数字压力表作为标准器；使用手动的压力校验器作为加减压力的工具；设定点偏差的校验以声音或灯光作为发讯信号，人工读取切换值。

这种设备的缺点是显而易见的。首先，检定设定点偏差时JJG 1073-2011检定规程要求加（减）压力的速度不得大于0.001 MPa/s，手动的压力校验器很难达到这一要求；其次，作为标准器的精密压力表或数字压力表不具备将常温SF6气体压力换算为20 ℃时压力值的功能，无法携带至现场对SF6密度继电器进行检修或校验。目前，这种早期的设备已基本被能够自动控压、智能化的校验仪所替代。

2 自动控制压力的智能密度继电器校验仪

近年来，随着传感器和自动化技术的发展，SF6密度继电器的校验技术也日趋自动化和智能化，出现了一批能够自动控制压力、自动处理和储存校验数据且具有将其他温度下SF6气体压力换算为20 ℃时压力值的智能化的SF6密度继电器校验仪。下面以某公司的产品为例，介绍这种智能SF6密度继电器校验仪（以下简称校验仪）的工作原理。

2.1 测量过程

校验仪通常由工控电脑、信号处理及控制单元、压力控制单元、触点信号采集单元、压力（温度）传感器等部分组成，压力源一般使用充装SF6气体的小型高压气瓶，如图1所示。示值校验时，使用者只需在校验仪面板上通过触摸屏或键盘输入校验点对应的压力值，校验仪即可自动加（减）压至该点；进行设定点偏差校验时，校验仪能够自动控制压力使密度继电器的指针以小于0.001 MPa/s的速度接近设定点，当密度继电器发出报警或补气信号时校验仪的触点信号采集单元能够将触点信号同步传递给信号处理和控制单元，完成设定点偏差的校验；当环境温度偏离20 ℃时，校验仪可以根据内置程序以及所测量的温度自动将测得的压力换算为20 ℃时的压力值并以此进行数据处理。

图1 密度继电器校验仪的结构框图

2.2 关键器件及功能

校验仪的关键器件主要有压力传感器、温度传感器、压力控制单元、触点信号采集单元、信号处理和控制单元等。

2.2.1 压力传感器

校验仪工作时，SF6气体压力作用在压力传感器测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，膜片上的测量电路将此形变转换成与压力成正比的电压信号，然后再将电压信号转换为4～20 mA的电流信号。为保证压力测量和控制的准确性，需要采用较高准确度级别的压力传感器，当校验仪为0.1级以上级别时，需要采用0.01级的压力传感器。

2.2.2 温度传感器

温度传感器的作用是将测得的温度信号转换为电信号并传送到信号处理和控制单元，校验仪可以根据接收到的温度信号将压力传感器传送来的压力信号换算成20 ℃时的压力值。为保证温度信号的准确性，温度传感器需要使用AA级的铂电阻温度计。若使用A级的铂电阻温度计，则必须根据其检定证书中的数据进行修正。

2.2.3 压力控制单元

根据JJG 1073-2011检定规程的相关要求，在进行设定点偏差校验时，压力变化的速度必须控制在0.001 MPa/s以内，这样才能保证读取的切换值没有过冲。但是如果整个校验过程都是以这么慢的速度加减压力，校验时间肯定会大幅增加。为了提高工作效率，该校验仪的压力控制设计为动态控制、定速控制和静态控制三种模式。当校验系统的压力由一个校验点向另一个校验点变化时，校验仪首先进入动态控制模式，此时校验仪处于快速升（降）压力的状态；当校验系统的压力接近目标时，校验仪进入定速控制模式，此时校验仪以规定的速度控制压力缓慢变化，在进行设定点偏差校验时，压力变化的速度可以控制在0.001 MPa/s以内；当压力达到目标值后，停止加（减）压力，校验仪进入静态控制模式，将校验系统压力维持在目标值，通常要求压力波动范围须控制在最大允许误差绝对值的1/2以内，当压力超出规定范围时，系统重新加（减）压力，将其调回至目标值。

2.2.4 触点信号采集单元

该单元的主要功能是采集密度继电器触点的接触状态，当压力大于报警值时触点闭合，当压力低于报警值时触点则断开，此时触点信号采集单元应能够将触点的接触状态同步传递给信号处理和控制单元，从而完成报警值偏差（即设定点偏差）的校验。为了减小触点闭合对系统的干扰，采用光耦进行信号隔离处理。如图2所示，两个触点连接到光耦的输入端（SW1和SW2），光耦的输出端（DI）上拉后连接到处理器的GPIO引脚。当触点断开时，光耦不导通，光耦输出高电平；当触点接触时，光耦导通，光耦输出低电平。处理器通过测量该电平的高低，判断触点是否闭合。

图2 触点信号采集单元示意图

2.2.5 信号处理和控制单元

该单元的主要功能是将压力传感器和温度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，并对压力控制单元及驱动电路、工控电脑等发出指令，使校验仪按照预设程序进行工作直至校验完成。

压力信号的转换是将压力传感器输出的4～20 mA电流信号通过高精度采样电阻转换为电压信号，然后进行运放处理，将运算放大器输出的信号进行AD采样转换为数字信号；温度信号的转换是将恒流源输出的电流，激励到铂电阻温度传感器上，将电阻信号转换为电压信号，再将该电压信号进行运放处理，然后进行AD采样，转换为数字信号。为了提高采样精度，AD芯片通常选用24位AD，采样及恒流源的基准电压选用温度系数较小、长期稳定性较高的参考源（如REF3230）。

校验仪根据处理后的压力信号、温度信号及触点开关信号判断当前的校验状态，对压力控制单元及驱动电路、工控电脑等发出指令，使其按照规定的模式完成示值误差、回程误差、设定点偏差等项目的校验。

2.3 软件流程

校验仪的软件程序主要由测控程序和中断服务程序两部分构成。中断服务程序主要进行压力信号采样和温度信号采样，对采样的数值进行数字滤波，滤除信号上迭加的干扰信号，对采样后的信号进行预处理。测控程序主要是控制电磁阀进行充放气，对采样的触点信号进行识别，对采样的压力值和温度值进行转换，将测量的结果存入工控电脑中，通过预设的程序将其他温度下采样的压力值换算为20 ℃时的压力值并计算出检定结果。校验仪的主程序框图如图3所示。

图3 主程序框图

3 结语

在校验仪的技术要求中，关键部分在于压力的测量、控制以及不同温度下SF6气体压力与密度的换算等。目前国内的校验仪技术指标已经可以达到压力测量准确度0.05级、温度测量误差小于0.2 ℃、加减压力的速度可以控制在0.001 MPa/s以内，且具有将其他温度下SF6气体压力换算为20 ℃时压力值的功能，因此已经具备了对SF6气体密度继电器进行自动检定和进行现场检定的能力。

[1] 全国压力计量技术委员会.JJG 1073-2011 压力式六氟化硫气体密度控制器[S].北京：中国计量出版社，2011.

[2] JJG 1107-2015 自动标准压力发生器[S].北京：中国质检出版社，2015.

[3] 全国工业过程测量和控制标准化技术委员会.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.

[4] 屠本烨，孙晓全.SF6气体密度监控仪表在高压电气设备中的应用与检定[J].中国计量，2011（2）：118-119.

An intelligent SF6gas density monitor calibrator based on automatic control of gas pressure

Sun Xiaoquan1，Jiang Dongfei2，Dai Xiang1
（1. Henan Institute of Metroiogy；2. Xingjiang power maintenance company of State Grid）

The paper starts from the application and the necessity of periodic calibration of the SF6gas density monitor in high voltage electrical equipment. The shortage of the common manual calibration equipment designed in early period was analyzed and the distinguishing features of the intelligent SF6gas density monitor calibrator based on automatic control of pressure were also stated. Moreover, the key components and the software flow for designing the intelligent SF6gas density monitor calibrator were analyzed. Experiment results showed that the accuracy of pressure measurement of 0.05, the temperature measurement error less than 0.2 ℃ and the rising and falling rate of gas pressure controlled within 0.001 MPa/s have been obtained. For this intelligent SF6gas density monitor calibrator, the pressure value measured at different temperatures can be converted to the pressure value at 20 ℃.This intelligent SF6density monitor calibrator can be on-site used to calibrate the SF6gas density monitor, automatically.

pressure; SF6gas density monitor; intelligent; calibrator