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                                                       《高压电器》51卷2015第10期

                                                               《高压电器》51卷2015年第4期

 

一种SF6气体密度继电器全温度范围校验装置的研制
The R&D of a full temperature range calibrator of SF6 gas density monitors
 古玲霞1  贺向前2   蔡巍3   张吉玲1   金海勇4    郭正操4
(1.国网宁夏电力公司电力科学研究院;2.北京ABB高压开关设备有限公司;3.国网冀北电力有限公司电力科学研究院;4.上海乐研电气科技有限公司
 
《高压电器》51卷2015年第一期
  
摘要:本文分析了SF6气体密度继电器全温度范围校验的必要性,提出了研制SF6气体密度继电器全温度范围校验装置,论述了校验装置的测量方法,阐述了校验装置主要部分的设计,通过性能测试,该校验装置满足SF6气体密度继电器的全温度范围校验     
AbstractThis article analyzed the necessity of full temperature range calibration of SF6 gas density monitors, and suggested the R&D of the calibrator. The author also discussed about the gauging theory of the calibrator, described the design of its main parts, and demonstrated it can fulfill the full temperature range calibration of the SF6 gas density monitors thru tests and experiments..
 
关键词: SF6气体密度继电器  校验装置 全温度范围
Key words:   SF6 gas density monitor   calibrator   full temperature range
 
0 引言
SF6电气设备已广泛应用在电力部门、工矿企业,促进了电力行业的快速发展。如何保证SF6电气设备的可靠安全运行已成为电力部门的重要任务之一。SF6气体密度继电器是SF6电气设备的关键元件之一,它用来检测SF6电气设备本体中SF6气体密度的变化,它的性能好坏直接影响到SF6电气设备的可靠安全运行[1-3]
安装于现场的SF6气体密度继电器因不经常动作,经过一段时期后常出现动作不灵活或触点接触不良的现象,有的还会出现温度补偿性能变差,当环境温度变化时容易导致SF6气体密度继电器误动作[1]。因此《电力预防性试验规程》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》都要求要定期的对SF6气体密度继电器进行校验[4-5]
从实际运行情况来看,对SF6气体密度继电器进行定期校验是防患于未然,保障电力设备安全可靠运行的必要手段之一[1]。目前SF6气体密度继电器的校验在电力系统已经非常重视和普及,各供电公司、发电厂、大型厂矿企业都已经配置相关的SF6气体密度继电器校验仪[6-9]。但这些SF6气体密度继电器校验仪只能在常温状态下对SF6气体密度继电器进行检验。
然而密度继电器实际上是经常运行在低温或高温环境中,只有对其进行全部温度使用范围内的校验,才能真正检验其质量状况,反映其问题。如果仅仅对这些SF6气体密度继电器进行常温校验,就会出现工作不正常的现象,例如2009年年初,由于遇到极端寒冷天气,在我国华北电网、新疆电网,运行中的SF6电气设备的密度继电器出现大面积的报警、或闭锁现象,根据事后分析有的是SF6气体液化而应该报警或闭锁,而有的则是密度继电器出现误报警或误闭锁,甚至不报警或不闭锁。
而当SF6气体密度继电器由于设计和制造上存在缺陷时,可能会出现如下问题:
    (1)在低温时会存在失效(永远不再动作);
    (2)在高温时,动作和显示值会严重变差;
    (3)存在不同温度时补偿不准确,误差严重偏大;
    (4)由于材质和时效问题,时间一长可能会发生漂移,特别在低温或高温下,精度会严重偏低;
(5)对于相对腔式密度继电器,由于内在或外在原因,标准腔会漏气,存在动作值误差大或甚至失效;
(6)由于目前普遍使用的继电器其接点为磁助式电接点,本身触头闭合力小,时间稍长和动作一定数次后,触头氧化,接点就会不通或接触不可靠。这种状况在常温下难以发现问题,只有在低温或高温校验时才能发现问题[9-10]
    对SF6气体密度继电器进行全部温度使用范围内的检验是非常必要的,只有这样才能保证SF6气体密度继电器的质量和电网的安全运行。因此,在DL/T259-2012:《六氟化硫气体密度继电器校验规程》中规定了“在密度继电器温度使用范围内,即在最低温度和最高温度时,其显示值即额定压力、信号接点动作值的准确度等级或其最大允许误差都应符合要求[11],即要对SF6气体密度继电器进行全部温度使用范围内的性能校验,这比产品标准中增加了最关键的接点(报警和闭锁)动作值温度补偿测试[12-13]。但目前没有这样的校验装置,所以研发一种SF6气体密度继电器全部温度使用范围内的校验装置(简称为:SF6气体密度继电器全温度范围校验装置)是非常必要和重要的。
全温度范围校验装置的结构与测量方法
所研制的SF6气体密度继电器的全温度范围校验装置,主要由一台工控机、温控系统、检测系统、全封闭SF6气体压力调节系统、抽真空系统、反馈系统构成。
众所周知,SF6气体密度继电器是一种带温度补偿的压力控制器,它是用来检测运行中的SF6电气设备本体中SF6气体密度的变化,并根据设定值发出报警和闭锁控制信号,确保SF6电气设备中的SF6气体密度在安全范围内,从而实现对SF6电气设备安全运行的保护。在密封容器中,一定温度下的SF6气体压力可代表SF6气体密度。为了能够统一,习惯上常把20℃时SF6气体的压力作为其对应密度的代表值。所以,SF6气体密度继电器均以20℃时SF6气体的压力作为其标称值[14]。在不同的测试温度下,测量到的压力值都要换算到或转换到其对应20℃时的标称压力值,从而判断该SF6气体密度继电器的性能。
SF6气体密度继电器的全温度范围校验装置的总结构图见图1
          图1    SF6气体密度继电器的全温度范围校验装置总结构图
                 Fig.1     Whole drawing of the full temperature range calibrator of SF6 gas density monitors
根据其换算或转换方法不同,全温度范围校验装置的测量方法有软件补偿测量法和SF6气体补偿测量法。
1.1 软件补偿测量法
采用先进工控机技术、温控系统及全封闭SF6气体压力调节系统,选用高性能数字智能式压力传感器、温度传感器。校验装置同时采样被测密度继电器动作时的气体压力和温度值至工控机,利用SF6气体压力和温度之间关系的数学模型,采用软件补偿测量的方法,经过工控机的运算处理得到SF6气体的密度值。具体的过程是,根据SF6气体密度曲线方程求解,该方程是:
                   (1)
式子中,为密度,单位是kg/m3,为温度,单位K,为绝对压力,单位为MPa。利用上述关系式,在测量得到温度和压力值以后,利用皮尔卡丹公式求解,即可得到密度的唯一解,并自动换算成20℃时的标准压力值,从而完成了压力、温度的动态自动补偿,完成了SF6气体密度继电器的性能校验。软件补偿测量法的结构图见图2。
软件补偿测量法操作简单,对全封闭SF6气体压力调节系统的密封要求不高,整个校验测试时间短,但是由于利用SF6气体压力和温度之间关系的数学模型来进行换算,其准确度不是非常高,难以满足计量要求高的场合,但可以满足工程校验要求。
图2     软件补偿测量法的结构图
                                       Fig.2 Structure diagram of the software compensation method
1.2 SF6气体补偿测量法
同样采用先进工控机技术、温控系统、抽真空系统及全封闭SF6气体压力调节系统,选用高性能数字智能式压力传感器、温度传感器。校验装置的工控机通过抽真空系统,对整个全封闭SF6气体压力调节系统开始抽真空,达到真空度要求后,对全封闭SF6气体压力调节系统SF6气体,直至SF6气体压力达到充气要求。然后工控机将温控系统的温度设置到测试温度,直至到达测试温度,且温度彻底平衡后,调节全封闭SF6气体压力调节系统的压力,将气体压力缓慢下降,当报警或闭锁接点接通后,工控机自动关闭全封闭SF6气体压力调节系统。工控机又将温控系统的温度设置到20℃,直至温度恢复到20℃且彻底平衡后,工控机从高性能数字智能压力传感器处读取此时全封闭SF6气体压力调节系统的压力,该压力就是密度继电器在该测试温度下,其接点动作值所对应的20℃时的标准压力值,完成了SF6气体密度继电器的性能校验。SF6气体补偿测量法的结构图见图3。
与软件补偿测量法相比,SF6气体补偿测量法操作复杂,对全封闭SF6气体压力调节系统的密封要求非常高,整个校验测试时间很长,但是由于不是利用SF6气体压力和温度之间关系的数学模型来进行换算,而是采用实际的纯SF6气体检测,克服了采用SF6气体的压力-温度特性数学模型关系进行数据处理而存在的误差,极大地提高了校验精度,其准确度能够满足计量要求高的场合。
                                              图3         SF6气体补偿测量法的结构图
                      Fig.3   Structure diagram of SF6 gas compensation method
2  校验装置主要部分设计
2.1 工控机选择
根据全温度范围校验装置的总体技术要求,我们对工控机的技术参数作了如下要求:
CPU主频至少1GHz;
板载内存至少1GB;
可运行Windows XP/2000操作系统;
可运行SQL Server等大型数据库;
系统运行稳定可靠;
数据存储安全可靠,应至少保证10年以上寿命;
至少具有四路独立串口以连接压力传感器等采集单元;
具备至少两路标准PCI/ISA卡槽;
液晶尺寸:15寸以上;
采用触摸屏,则触摸寿命需达到250克力度,2000万次;
工作温度:-10~40℃;
相对湿度:10~95%@40℃(无凝结)。
经过认真选择,该装置中采用UNO-3072/3074型工控机作为本校验装置的控制系统主机。
2.2 温控系统选择
温控系统对本校验装置来说非常重要,其核心技术指标是温度波动度和温度偏差,这关系到整个装置的测量准确度。经过认真选择,该装置中采用EG-04A型高低温恒温试验箱作为温控系统的核心元件,其主要技术指标如表1:                                         
 
表1 EG-04A型高低温恒温试验箱的主要技术指标
Tab.1   Technical index of EG-04A constant temperature experimental box.
________________________________________________________________________________
      内 容                   技术性能或参数
________________________________________________________________________________
         标称内容积                 400L    
         温度范围                  -70℃~150℃
         温度波动度                ≤0.5℃(符合按GB/T 5170.2-1996,则波动度优于±0.5℃)
         温度偏差                  ±0.5℃
         工作方式                  机械压缩二元复叠制冷方式
         制冷压缩机                全封闭压缩机
         运行方式                  程序方式或定值方式
    设定方式                  中文菜单、触摸屏方式输入
   通讯功能                  RS-485接口_                                     _
 
2.3 检测系统设计
检测系统的准确测量是该校验装置研制的关键,采用高性能数字智能式压力传感器、温度传感器。具体由IO模块、MCU逻辑控制运算单元、稳压电源模块、高性能数字智能式压力传感器、温度传感器组成。高性能数字智能式压力传感器具有测量精度高(0.025级),高性能数字智能式温度传感器具有测量精度高(±0.1℃),两者都具有响应速度快,重复性好,测量稳定可靠,抗干扰能力强,使用温度范围宽等特点,特别适合于该校验装置的压力和温度测量。为了提高测量精度,同时还采用了工控机系统来对测量数据进行处理和误差修正,因此具有很高的精确度。
2.4 全封闭SF6气体压力调节系统设计
参见图3所示,全封闭SF6气体压力调节系统主要由SF6专用阀门B4B5B6B7、密度继电器安装架、储气罐缸D2、压力传感器G、压力调节气缸E2、若干气管等组成。其中,密度继电器安装架、阀门7、储气缸D2、调节气缸E2装配在温控系统内。而所测试的密度继电器安装在密度继电器安装架上。整个压力调节系统都通过特殊的密封设计,完全保证了整个系统的密封性能,其密封性能可以达到10-9mbar.l/s。该系统的关键是压力调节气缸E2的设计,参见图4。所建立的全封闭的SF6气体压力调节系统,可以方便,细微的,缓慢的,重复的,轻便的调节气体压力(密度),保证校验准确度。
                      图4       压力调节气缸E2结构原理图
                Fig.4   E2 Structure schematic diagram of pressure adjustment cylinder
2.5 抽真空系统设计
该校验装置的抽真空系统由机械真空泵(2XZ-5)通过电磁阀A3和阀门B2全封闭SF6气体压力调节系统连接(见图3),全部由工控机控制,可实现10-3Pa以上的真空度。
校验装置性能测试
为了考核研制的校验装置的性能,对校验装置进行了压力示值误差、温度测量误差、温度补偿误差的测试。
3.1 压力示值误差测试
使用数字压力控制器(压力标准器)比对的方法进行校准,选择了6点(包含零点和满量程),并均匀地分布在量程范围内,校准时进行一个上、下行程的循环,将所选择的压力标准器与被校校验装置连接好,确认连接管路无泄漏,升压至压力校准点,待压力稳定后分别读取压力标准器和被校校验装置的压力值,至各个校准点直到测量上限,然后,再逐点降压进行反行程校准,并记录。
校验仪压力示值误差按式(2)计算。
                                     (2)
式中:——压力示值误差,%;
pi——第i个校准点校验仪的压力示值, MPa ;
p0i——第i个校准点的标准器压力示值, MPa;
pFS——校验仪的量程,1MPa。
校验装置的压力测试结果见表2。
 
2   校验装置的压力测试结果(单位:MPa)
Tab.2 Pressure test result of the calibrator
 _______________________________________________________________________________
                                         被检校验装置示值
数字压力控制器示值     ——————————————————————————                  
                   正行程                反行程          压力误差,%
 _______________________________________________________________________________
0.0000              0.0003                0.0003             0.03
0.2000              0.1999                0.2001             0.01
0.4000              0.4001                0.4003             0.03
0.6000              0.6001                0.6002             0.02
0.8000              0.8001                0.8001             0.01
1.0000              1.0001                1.0001             0.01
最大压力示值误差(%)                                            0.03    _____
 
3.2 温度测量误差测试
校验装置温度测量误差的校准,在温度测量范围内选择8个校准点(分别为-40℃,-20℃,-10℃,0℃,10℃,20℃,40℃,60℃)。
将被校校验仪的温度传感器与温度标准器同时放置在高低温试验箱内,升温至校准点,从低温逐点升温至各个校准点。在每一校准点测量时,待温度稳定后,分别读取并记录温度标准器与被校校验仪显示的温度值。校验装置的温度测试结果见表3。
 
3   校验装置的温度测试结果(单位:℃)
Tab.3 Temperature test result of the calibrator
______________________________________________________________________________
校准点温度          标准温度计示值         被检校验装置示值        温度误差
______________________________________________________________________________
-40.00               -40.050                  -39.86               0.19
-20.00               -20.040                  -19.66               0.38
-10.00               -10.030                   -9.87               0.16
0.00                -0.012                    0.16               0.172
10.00                10.032                   10.10               0.068
20.00                20.014                   20.06               0.046
40.00                40.000                   40.06               0.06
60.00                60.015                   60.15               0.135
最大温度误差                                                           0.38_                                                                                      
 
3.3 温度补偿误差测试
在环境温度(20±1)℃的条件下,将所校准的校验装置抽真空至当地真空极限90%以上,再灌入纯净的SF6气体,调节压力至校验装置量程范围内某一点(如标称压力0.7 MPa或指定的压力值),确认无泄漏后,将校验装置放入高低温试验箱进行温度补偿误差的校验,在校验装置的工作温度测量范围内选择4个校准点(为-40℃,-30℃,-20℃,60℃)。首先升温到参考点20℃后,稳定2小时,读取并记录校验装置的压力示值p20,定义为p20标;然后升温到相应校准点,稳定2小时,再读取并记录校验装置的压力示值p20p20p20标的差值与量程的百分比即为温度补偿误差。
温度补偿误差按式(3)计算。
△=∣∣                             (3)
式中:Δ——环境温度偏离20℃时的温度补偿后的压力误差(量程的百分数)%;
p20——SF6气体密度不变时,在不同的温度时,校验装置显示的压力示值p20,MPa。
p20——SF6气体密度不变时,在20℃时,校验装置显示的压力示值p20,MPa。
pFS——校验装置量程,1MPa。
 温度补偿误差测试结果见表4,压力为绝对压力。
   
 表4  温度补偿误差测试结果
Tab.4 Test result of the temperature difference compensation
________________________________________________________________________________________
名义压力标称值     20℃时压力示值P20    校验点温度    被检器压力示值P20     补偿误差
   (MPa)             (MPa)             (℃)            (MPa)            % 
________________________________________________________________________________________
0.700              0.7002                20             0.7002              /
0.700              0.7002               -20             0.7010          0.08
0.700              0.7002                60             0.7062          0.
0.600              0.5998                20             0.5998              /
0.600              0.5998               -30             0.5959          0.39
0.600              0.5998                60             0.6057          0.59
0.500              0.4999                20             0.4999             
0.500              0.4999               -30             0.4962          0.37
0.500              0.4999                60             0.5053          0.54
0.400              0.3999                20             0.3999            
0.400              0.3999               -40             0.3969           0.
0.400              0.3999                60             0.4051           0.52
     温度补偿最大误差(%)                                                    0.6   _
         通过性能测试,表明研制的校验装置完全满足SF6气体密度继电器的全部温度使用范围内的校验需求。
结语
笔者研制的SF6气体密度继电器全温度校验装置能对各种SF6气体密度继电器实现全部温度使用范围内的校验,通过该装置的实施,从技术应用方面将产生以下积极的效果:
(1)真正实现对SF6气体密度继电器进行全面的性能分析和综合性能判断,避免不合格或已失效的产品在电力单位的使用;
(2)可以组织、开展网内运行的各种密度继电器的全部温度使用范围内的校验,摸清密度继电器的实际质量情况,排除可能存在的故障隐患;
(3)还可用于密度继电器制造厂的生产过程中以及出厂检验的测试仪器;
(4)可以方便实现对各种SF6气体密度继电器进行准确的全部温度使用范围内的校验,为全面加强SF6气体密度继电器的校验监督工作提供有力的保障;
(5)消除目前的局限性(只是在常温下校验),做到检验全面、严谨、有依据。
(6)作为判断产品合格与否的设备验收手段之一,为电力基层单位提供方便,提高效
率,保证电网的运行安全。
 
 

关于低压力密度继电器零位之分析

上海乐研电气科技有限公司技术部编

    SF6气体密度继电器的原理:SF6电气设备上的SF6气体的密度,是以SF6气体经温度补偿以后的压力来表示的,即以20℃时的压力值来表示的。继电器在额定压力下工作,当周围环境温度发生变化时,SF6气体的压力也要变化,继电器内部的测量系统在测量压力的同时也要考虑温度,即内部温度补偿单元对其变化了的压力自动补偿,使其额定压力示值不变。当SF6气体因某种原因发生了泄漏,经过温度补偿以后的压力就下降,降到报警压力值时,继电器就输出一对接点(报警信号),此时就要求用户对设备进行补气,而如果压力还在继续下降,降到闭锁动作压力值时,继电器就输出另一对接点(闭锁信号)使设备的相对应控制系统进行闭锁,从而实现了对电气设备的安全运行保护。

1、对于绝对压力型的密度表,在充气运行后,读数就与海拔高度无关了,只是在没有气时,零位与海拔高度有关,海拔高的地方,读数小,反之读数大。最重要的还跟温度有关,在20度时,在零位;大于20度时,零位偏下,越偏离20度,就越偏离零位;小于20度时,零位偏上,越偏离20度,就越偏离零位。

解释如下:·没有压力时,假设不考虑大气压,弹簧管是不变的,而补偿片是随温度发生变化的。
·如上图,以20℃为基准,高于20℃补偿片就胀开,而补偿片上端固定在弹簧管上是不动的,那么补偿片下端只有往下位移。这样指针示值就偏零位以下。反之亦然,低于20℃时指针就偏零位以上。
2、 对于相对压力型的密度表,在充气运行后,读数就与海拔高度有关了,海拔高的地方,读数大,反之读数小。而在没有气时,其零位与海拔高度无关。只与温度有关。以20度为参考点,同上一样。
3、 跟大气压有关原因分析如下:
对一个密封腔体而言,所谓的绝对压力就是SF6气体分子运动而产生的实际压力,而所谓的相对压力P相对压力,就是P相对压力=P绝对压力-P当地当时的大气压力,所以说,同一密封气体,在同温度下,在上海和西宁,如果用绝对压力表测量,其读数是一样的,而如果用相对压力表测量,其读数是不一样的,在西宁读数要大于上海。原因是同一密封气体,在同温度下,在上海和西宁,其绝对压力是相同的,而上海和西宁的大气压是不一样的,所以用相对压力表测量,其读数是不一样的。P绝对压力上海= P绝对压力西宁,P当地当时的大气压力西宁<P当地当时的大气压力上海,所以P相对压力上海<P相对压力西宁。
从图1知道,在同密度下,压力P和温度T是一直线。SF6气体不是理想气体,不能按照理想气体计算,密度越大,压力P和温度T的斜率越大。

                                   对于20℃时,压力为它是一条直线, 斜率是0.0049 Mpa/10℃。
    用相对压力表(表压)测试时,要根据当地当时的大气压进行修正。例如测试那天的大气压为0.1012 Mpa,温度为31度,假如指针气压指示到0.04 Mpa,而精密相对压力(表压)为0.052 Mpa,那么绝对压力为0.1012+0.052=0.1512 Mpa≤(0.1455+0.006)=0.1515就判断合格。所以如果用相对压力表(表压)去校验,要考虑温度、当地当时的气压。进行修正。对于额定压力点0.04(绝对压力为0.14,工程上绝对压力=相对压力+0.1),在温度为31度时,其绝对压力允许误差为0.1455±0.006,即绝对压力范围为0.1395~0.1515。如果采用表压测试,要计算大气压,折算成绝对压力,跟允许值比较。最好采用绝对压力表测试,直观简单。
    零位也如此。分析为:假设温度不变,表压(P相对压力=P绝对压力-P壳体内的大气压力)与大气压有关,表压P相对压力=P绝对压力-P壳体内的大气压力,式中假设温度不变,那么P壳体内的大气压力为一不变值,如果实际大气压力P绝对压力在变化,那么表压P相对压力也会变化。假设我们出厂时壳体内封的压力P壳体内的大气压力=0.1012 Mpa,如果有一天实际大气压力P绝对压力=0.1030 Mpa,那么零位就是表压(P相对压力=P绝对压力-P壳体内的大气压力=0.1040 Mpa-0.1012 Mpa=0.0028 Mpa,实际上大气一直在变化。实际经验告诉我们,当我们抽真空时,表就往负压的方向走,只不过走到限制钉处就被限制住,此道理说明表与大气压有关,特别是对低压力密度表而言,对于高压力的表实际也有关,只不过可以忽略,人的眼睛不易观察到。
4、 综上所述,对于绝对压力型的密度表,在充气运行后,读数就与海拔高度、温度无关了,它反应的是密度。只是在没有气时,零位与海拔高度(大气压)、温度有关。所以密度表在冬天气温低的地方肯定不在零位,是正常的。反之如果在零位,是不正常的。一定要理解。
以上分析,供参考。有问题,随时随地联系我们。

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