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力与标准压力的差值就可以检验气室是否存在气体泄漏情况。这个压力转换便是SF6密度控制器的温度补偿功能。即SF6表计的温度补偿以20 ℃为界限，温度高于20℃，实际压力会增大，密度控制器减去一个补偿压力，从而达到标准压力；温度低于20 ℃时，密度控制器增加一个补偿压力，从而达到标准压力。对于理想气体状态方程，补偿压力计算公式如下。

对于Beattie-Bridgman方程，补偿压力计算公式为：

式（3）和式（4）中：pΔ1为温度t下密度为ρ1的基于理想状态气体方程的补偿压力；ρ1为某一压力对应的理想气体密度；pΔ2为温度t下密度为ρ2的基于Beattie-Bridgman 方程的补偿压力；Rg为SF6气体的气体常数，5.694 5×10-5m3·MPa/（kg·K）。

选取标准压力为0.5 MPa的SF6气体为研究对象。根据式（3）、式（4）以及表1、表2可知，补偿压力随温度变化趋势如图2 所示。可以看出在20 ℃时不进行补偿，在相同温度下理想气体状态方程需要补偿的压力小于Beattie-Bridgman方程计算的补偿压力，即后者较前者的补偿度更高一些。对于图2，更具体的数值为：在-10 ℃时两者的补偿压力分别为0.051 MPa和0.059 MPa，在40 ℃时两者的补偿压力分别为-0.034 MPa和-0.039 MPa。

图2 标准压力为0.5 MPa下SF6补偿压力随温度变化的关系曲线

2 案例分析

因SF6气体的比热容C1=665.18J/（kg·K），而钢的比热容C2=460 J/（kg·K），可以看出SF6的比热容是钢的1.45 倍，即相同质量下升高相同的温度，需要的能量前者是后者的1.45 倍。同时，考虑到大气室GIS中SF6质量远大于密度传感器和补偿装置，如果太阳直射到密度控制器，将会导致密度控制器的温升远大于大气室SF6气体的温升，这将会导致过补偿，从而造成经过补偿后的压力表的指示压力小于气室实际压力的情况。《压力式六氟化硫气体密度控制器》［17］中给出了压力式SF6气体密度控制器额定压力、报警压力和闭锁压力参考值，具体如表3所示。

表3 压力式SF6气体密度控制器额定压力、报警压力、闭锁压力参考值

如果以0.05 MPa压力降为例，额定压力为0.5 MPa下，根据第1.3节计算分析可知，想达到0.05 MPa的补偿压力差，对于理想气体状态方程温度t为-9.27 ℃或者49.27 ℃；对于Beattie-Bridgman 方程则温度t为-5.55 ℃或者45.55 ℃。根据SF6气体-压力曲线［11］可知，对于工程应用中常见的SF6气室压力，Beattie-Bridgman 方程更符合压力、密度关系。通过以上的计算也可以看出，Beattie-Bridgman 方程计算的补偿压力也更为严格，更符合现场实际情况。

额定压力为0.5 MPa 时，当温度在-5.55 ℃以下或者45.55 ℃以上时，如果未进行温度补偿，则压力表会较标准压力时的差值超过0.05 MPa。对于低温时，如果补偿不及时，会出现压力低报警的情况；而对于高温时，压力补偿不及时则不会报警。所以对现场的实际应用更多是考虑低温时可能出现的压力补偿问题，即一般在冬季上午温差较大时出现压力表过补偿，从而导致压力报警的情况。根据以上分析和计算可以得到对应不同额定压力下补偿0.05 MPa 对应的温度值，如表4所示。

表4 不同额定压力下对应0.05 MPa压力补偿的低温度值

从表4可以看出，额定压力越小的气室出现由于压力补偿不及时或者不补偿而引起的压力报警所需的环境温度越低，由于华东地区冬季最低温度出现-10 ℃及以下的情况非常少见，所以可以认为额定压力0.45 MPa 及以上的气室可以通过环境温度的变化来确认是否存在压力补偿问题。

引言中出现的气室压力报警异常事件，经检查发现气室额定压力均为0.5 MPa，监控后台查阅气室压力历史曲线基本维持在约0.5 MPa，经气体泄漏检查，并未发现气室存在气体泄漏问题。2021 年1 月昼夜温差大，夜间温度特别低，白天太阳直晒表计导致表计密度控制器过补偿，气室实际温度较低且未能同步升温，从而发生压力降低到报警值的情况。放置挡板遮挡直射表计的阳光，到中午气室温度升高后压力异常报警消失。

3 建议

根据以上分析可知，对于相同补偿压力0.05 MPa的情况，一般天气情况下，0.4 MPa及以下的额定压力气室基本不会出现如此高的补偿压力；而对于0.45 MPa 及以上的额定压力，在极端天气（昼夜温差极大）下会出现补偿压力大于0.05 MPa的情况，即过补偿，从而导致气室压力报警。

对于有压力表及传感器上传压力至监控后台的情况，极端天气如果出现后台压力低报警时应及时到现场确认压力表机械指针读数是否与监控后台一致，如果一致则应及时进行检漏处理，经检查无漏气点后，可以初步判断是由于密度控制器补偿失效导致，应及时处理；如果压力表机械指针读数与平时抄录基本一致，即大于监控后台数字，则可能是经传感器上传的部分（例如传感器）出现问题或模数转换出现问题等，也应及时处理。

极端天气前注意日常气室压力低的气室，如果压力低于额定压力，要对其进行补气，应补气到高于额定压力0.02 MPa 以上。补气尽量选择气室气体与补气气瓶内气体温差不大时进行，例如选择上午进行补气。GIS气室SF6气体密度继电器和密度控制器（即压力表）设计安装位置时，要做到尽可能满足表计温升和气室内SF6气体温升一致，不能相差太多。可在压力表外部安装保护罩，既防雨又能达到避免阳光直射密度继电器和密度控制器的目的。定期对SF6压力表进行现场定期校验，对现场校验过程中存在的问题及时分析处理，必要时更换SF6压力表。

4 结语

无论何时，如果出现气室压力低报警的情况，应立即对该气室进行泄漏检查，在无泄漏的情况下再进行压力补偿等方面的分析。

在工程应用中，Beattie-Bridgman方程比理想气体状态方程更接近实际情况，前者得到的数据也更为准确。对于常见气室压力0.3 MPa、0.35 MPa、0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa和0.60 MPa，补偿压力0.05 MPa对应的低温度值分别为-25.03 ℃、-18.06 ℃、-12.86 ℃、-8.79 ℃、-5.55 ℃、-2.90 ℃和-0.69 ℃。

从前文的分析可以看出，对于常见特高压变电站GIS 气室，在无泄漏的情况下，各气室压力均应在额定压力以上。对于华东地区，在极端天气下0.4 MPa及以下额定压力的气室也不会因过补偿从而出现压力报警的情况；0.45 MPa 及以上额定压力的气室可能会发生过补偿导致压力低报警的情况，应具体分析可能的原因。