SF6 气体密度继电器的原理、结构和现场校验方法

2020-09-30杨庆贺中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院

安徽科技 2020年9期

文/杨庆贺（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院）

一、引言

六氟化硫（SF6）是一种强电负性气体，而电负性气体分子具有“吸收电子能量”和“使电子附着而消灭电子”这两个作用，因此SF6气体具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能。其耐电强度为同一压力下氮气的2.5 倍，击穿电压是空气的2.5 倍，灭弧能力是空气的100 倍，是一种优于空气介质和油介质的新一代超高压绝缘介质材料[1]。

SF6气体作为绝缘介质已经广泛地应用于高电压、高参数、大容量的电力设备中，如断路器、气体绝缘组合电器（GIS）和电流互感器等。在SF6电气设备中，对其电气强度、灭弧性能起决定性作用的因素是SF6气体的密度，一旦电气设备中的SF6气体出现泄漏，密度随之下降，设备的耐压强度和断路器的开断容量等都会严重下降，造成电力系统发生接地或其他绝缘故障[2]。

对于已投入运行的电气设备，SF6气体密度继电器是反映设备内SF6气体密度的唯一元件，而且随着使用SF6气体作为绝缘和灭弧介质的高压电气设备的日益增多和气体绝缘组合电器的广泛应用，SF6气体密度继电器对于保证运行设备和电力系统的安全运行有重大意义[3]。因此，各级标准中均明确规定，应定期对其进行校验。现场校验时，通常直接检测SF6气体的压力和温度，然后通过状态换算的方式对继电器进行校验。然而实际工作中，部分运行维护人员对SF6密度继电器的重要性认识不足，对其主要结构、检测原理及动作性能的检测方法不太了解，导致继电器检测结果不可信，造成继电器运行时出现误发报警或闭锁信号、拒动等恶性事故，严重地影响了高压电气设备和电力系统的安全运行[4]。

本文从SF6气体密度继电器的设计原理和基本结构出发，论述对该继电器进行现场校验的一般试验方法。根据《六氟化硫气体密度继电器校验规程》（DL/T 259-2012）的要求并结合现场校验经验[5]，介绍SF6气体密度继电器现场校验时的试验项目、试验方法和现场校验注意事项。

二、SF6 气体密度继电器的原理和结构

1.SF6 气体密度继电器的原理

SF6气体密度继电器是根据理想气体状态方程设计的一种带有温度补偿装置的压力监控装置，按照温度补偿方式的不同，主要分为双金属补偿型和标准气补偿型。工作时，继电器通过管路将被监测设备内的气体压力折算至20℃时的气体压力。当该温度下压力降低至某个设计值时，继电器发出报警和闭锁信号。一般报警信号的压力设定值为额定工作压力的90%～95%，闭锁信号的压力设定值为额定工作压力的80%～90%。

根据理想气体状态方程，SF6气体密度继电器测量得到的气体密度公式：

式中，ρ 为气体密度，P 为气室内SF6气体的压力，V为气室容积，T 为气室内SF6气体的绝缘温度。对于密闭的压力容器，V 为固定值；由于对SF6气体密度继电器内部采用了温度补偿装置，其压力显示值为换算至20℃的气体压力值。在理想状态即温度完全被补偿时，气体密度ρ 与压力P 为正比例关系。因此在现场试验时，运维人员可以将对SF6气体密度继电器压力的校验等效为对密度的校验。

2.SF6 气体密度继电器的结构

现场高压电气设备使用的SF6气体密度继电器主要由表头（包括表盘和指针）、二次接线端子盒和气体连接口等部分组成，其主要组成结构和温度补偿原理如图1所示。为方便运维人员直观查看继电器的工作状态，在继电器的表盘上的额定压力值点和报警压力值点上用圆点进行了标注，在闭锁压力值和报警压力值之间的刻度用黄色填充，在大于报警压力值和最大压力之间的刻度用绿色填充，在最小压力和闭锁压力值之间的刻度用红色填充[6]。

图1 SF6 密度继电器的结构和温度补偿示意图

三、SF6 气体密度继电器的现场校验

1.现场校验试验项目

根据电力行业标准《六氟化硫气体密度继电器校验规程》（DL/T 259-2012）的要求，对于新制造并附有出厂检修合格证及正常使用中的SF6气体密度继电器可按例行试验项目进行校验[5]。对于使用中的继电器的校验周期可参照标准《输变电设备状态检修试验规程》（DL/T 393-2010）的规定进行校验，一般校验周期不超过3 年[7]。例行试验的试验项目和合格标准见表1，密度继电器的指示准确度等级和允许误差见表2。

表1 密度继电器例行试验的试验项目和合格标准

表2 密度继电器的指示准确度等级和允许误差值

2.现场校验方法

目前，现场对SF6气体密度继电器进行例行试验时多采用专用的SF6密度继电器校验仪，其主要原理是利用SF6气体的状态方程即Beattie-Bridgman（贝蒂—布里奇曼）方程[5]，如公式（2）所示，输入测试时的环境温度和密度继电器的动作压力值，计算后得到对应到20℃时的压力动作值，然后与报警设定值和闭锁设定值进行比较后，判断密度继电器是否合格。

式中，P 为压力，单位0.1MPa；d为密度，单位kg/m3；T为温度，单位K。

利用MATLAB 矩阵实验室，输入测试时的环境温度T1和密度继电器压力动作值P1后，计算后可得到对应到20℃时的压力动作值。

根据表1 规定的例行试验项目，在现场进行校验时需校验以下5 项：（1）外观及零位；（2）示值误差、回程误差和轻敲位移；（3）触点动作值误差和切换值误差；（4）绝缘电阻；（5）触点电阻。其中第1 项由试验人员目视检查，第2、第3 两项使用专用的密度继电器校验仪进行测试，第4、第5 两项使用绝缘电阻表和万用表进行测试。下面对第2 项和第3 项的现场校验方法进行说明。

测量时，按照如图2 所示的接线图，关闭阀门V1 和阀门V2，将密度继电器校验仪出气端连接至阀门V2，进气端通过减压阀连接至SF6气瓶，打开阀门V2（部分气体绝缘封闭组合电器设备中V2 为逆止阀，可不操作），按照SF6密度继电器校验仪的操作规程对密度继电器进行触点动作值和切换值的测量，将仪器归算到20℃时的压力动作值与额定动作值进行比较后，判断密度继电器是否满足表2 规定的允许误差。

3.现场校验注意事项

由于SF6气体分解物中含有有毒气体，且SF6气体的密度比空气大，因此在现场进行SF6气体密度继电器校验时，为保证试验人员的安全和试验结果的准确性，需要注意以下几点：由于SF6气体在电气设备中经电晕、火花及电弧放电作用，会产生有毒、腐蚀性气体及固体分解产物，试验人员应在上风方向操作；对使用中的密度继电器进行校验时，相应的电气设备必须停止运行，并切断与密度继电器相连的控制电源，没有三通阀门或者无法进行在线校验的密度继电器，应卸下后进行校验，拆装时应注意密度继电器与设备本体的连接方式，防止漏气；校验完毕后，检查密度继电器气体指示值是否恢复至校验前示值并利用SF6气体检漏仪进行漏气检测；安装校验用接头时应注意保护好设备与连接管道接头的密封面，校验后密封垫圈要装配正确，必要时可予以更换；校验时，应避免在环境温度波动较大的时段进行，校验仪和密度继电器不得受阳光直接照射，且无较强热源影响。