黃小泵，張亮，陳少帥

（1.上海樂研電氣有限公司,上海 201802； 2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司,石家莊 050000）

引言

SF6 氣體作為一種優(yōu)良的絕緣/滅弧氣體，在高壓領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛[1-3]，絕大多數(shù)氣體絕緣電氣設(shè)備采用該氣體作為絕緣/滅弧介質(zhì)。氣體絕緣設(shè)備中的SF6 氣體含量的多少與絕緣/滅弧性能的強(qiáng)弱有直接關(guān)系，如果氣體絕緣電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，SF6 氣體含量低于安全閥值，將給電氣設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行造成重大影響。由于SF6 的含量對(duì)電力設(shè)備的重要性，我國(guó)從上世紀(jì)八十年代開始引進(jìn)密度繼電器技術(shù)來監(jiān)測(cè)電力設(shè)備中SF6 氣體含量。然而，實(shí)際應(yīng)用過程中氣體密度繼電器因長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)作，經(jīng)常發(fā)生控制觸點(diǎn)氧化、機(jī)構(gòu)卡澀或損壞、精度下降等問題[4-6]，在SF6 氣體含量低于安全閥值時(shí)不能有效監(jiān)測(cè)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全。因而，原電力部和國(guó)家質(zhì)檢總局均出臺(tái)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范要求：定期校驗(yàn)在網(wǎng)運(yùn)行的密度繼電器[7-9]。

目前，校驗(yàn)密度繼電器的方式包括兩種。一種是尚未進(jìn)行免拆卸校驗(yàn)改造的電氣設(shè)備，校驗(yàn)此類設(shè)備上的密度繼電器需先對(duì)電力設(shè)備停電，然后拆卸密度繼電器送到有資質(zhì)的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)校驗(yàn)，校驗(yàn)合格后安裝并重新運(yùn)行，這種校驗(yàn)方法存在送檢繁瑣、效率低、成本高、需要停電的問題，影響電網(wǎng)的運(yùn)行效率與人民的生產(chǎn)生活。另一種是已進(jìn)行免拆卸校驗(yàn)改造的電氣設(shè)備，校驗(yàn)此類設(shè)備上的密度繼電器需運(yùn)維人員攜帶密校驗(yàn)儀到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)密度繼電器逐一校驗(yàn)。這種校驗(yàn)方法與第一種校驗(yàn)方法相比，在效率和成本上有很大提高，但校驗(yàn)過程受環(huán)境的影響較大，校驗(yàn)精度易受影響，且SF6 氣體的溫室效應(yīng)是CO2的23 500 倍，是《京都議定書》明確限制的六種溫室氣體之一[12]，在校驗(yàn)過程中不可避免的有SF6 氣體會(huì)排放到大氣，污染環(huán)境。

截止到2018 年底，國(guó)網(wǎng)在運(yùn)行的126 kV 以上斷路器有112 669 臺(tái)，組合電器91 801 個(gè)間隔，超過130萬只密度繼電器被使用，加上南網(wǎng)及各大發(fā)電集團(tuán)密度繼電器的使用量，在運(yùn)行的密度繼電器超過200 萬只，如此數(shù)量的密度繼電器需要定期校驗(yàn)，給電網(wǎng)運(yùn)維帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文通過多傳感器融合和邊緣計(jì)算技術(shù)結(jié)合的方法，將傳統(tǒng)校驗(yàn)儀的功能融合于密度繼電器中，使普通遠(yuǎn)傳密度繼電器具備校驗(yàn)儀的功能，使密度繼電器在正常運(yùn)行工程中可以定期對(duì)自身進(jìn)行體檢，體檢數(shù)據(jù)在儀表端（邊緣側(cè)）就地分析、診斷，實(shí)現(xiàn)設(shè)備沒有故障時(shí)免人工維護(hù)，設(shè)備有故障時(shí)精準(zhǔn)定位，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳故障信息，主動(dòng)告知運(yùn)維人員，使運(yùn)維工作簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)。

1 自校驗(yàn)密度繼電器

1.1 密度繼電器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)原理

當(dāng)前電網(wǎng)中的氣體絕緣電氣設(shè)備大多已完成免拆卸校驗(yàn)，定期校驗(yàn)都是安排專業(yè)運(yùn)維人員到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)完成。由于SF6 氣體在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，其壓力會(huì)隨著環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射、氣流等多因素的影響，因此如果直接測(cè)量壓力并不能實(shí)現(xiàn)SF6 氣體密度的準(zhǔn)確測(cè)量。為了使測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)反饋電氣設(shè)備中SF6 的含量，在電網(wǎng)中一般規(guī)定在20 ℃下測(cè)量的SF6 壓力稱為其密度，在其它溫度下測(cè)量的壓力，要將該溫度下的壓力轉(zhuǎn)換為20 ℃下的壓力作為標(biāo)準(zhǔn)值（簡(jiǎn)稱密度值P20）[13-15]。

根據(jù)密度繼電器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)技術(shù)，在實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)前，需要先讓校驗(yàn)儀與密度繼電器放在同一環(huán)境溫度下恒溫2 h，待校驗(yàn)儀的溫度與密度繼電器的溫度一致后開展校驗(yàn)工作。校驗(yàn)前，首先將密度繼電器的接點(diǎn)信號(hào)與后臺(tái)系統(tǒng)的接點(diǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)信號(hào)斷開，確保校驗(yàn)過程中不會(huì)觸發(fā)誤報(bào)警、誤閉鎖信號(hào)，然后將校驗(yàn)儀的接點(diǎn)信號(hào)線與密度繼電器的接點(diǎn)信號(hào)線對(duì)應(yīng)接通；然后將校驗(yàn)儀的氣路與密度繼電器的氣路連通，并關(guān)閉密度繼電器與本體之間的氣路通路；然后通過壓力調(diào)節(jié)氣罐對(duì)密度繼電器進(jìn)行降壓，觸發(fā)密度繼電器的接點(diǎn)動(dòng)作，校驗(yàn)儀采集接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)的壓力、溫度信號(hào)，密度繼電器所有接點(diǎn)的動(dòng)作值校驗(yàn)完成后，再對(duì)密度繼電器進(jìn)行升壓操作，使密度繼電器的觸點(diǎn)切換至開斷狀態(tài)，校驗(yàn)儀記錄密度繼電器返程時(shí)觸點(diǎn)狀態(tài)切換時(shí)的壓力、溫度信號(hào)值；校驗(yàn)操作完成后，校驗(yàn)儀中的微處理單元將觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)的壓力、溫度轉(zhuǎn)換為20 ℃下的標(biāo)準(zhǔn)壓力值（即密度值P20），在人機(jī)界面上顯示。具體工作原理如圖1 所示。

1.2 自校驗(yàn)密度繼電器設(shè)計(jì)方案

自校驗(yàn)密度繼電器由機(jī)械部分和數(shù)字化感知單元兩部分組成，如圖2 所示。機(jī)械部分包括顯示裝置和接點(diǎn)裝置。顯示裝置的氣路與氣體絕緣設(shè)備的氣室直接連通，可實(shí)時(shí)就地顯示設(shè)備內(nèi)SF6 氣體的密度值P20 值；接點(diǎn)裝置具有1 ～4 對(duì)報(bào)警/閉鎖接點(diǎn)，當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生漏氣時(shí)，設(shè)備的氣體低于設(shè)定的報(bào)警/閉鎖值，密度繼電器內(nèi)的接點(diǎn)信號(hào)被觸發(fā)，向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送報(bào)警/閉鎖信號(hào)，提醒運(yùn)維人員維護(hù)設(shè)備/以及閉鎖電氣設(shè)備操作。數(shù)字化感知單元包括電源模塊、傳感器、自校驗(yàn)?zāi)K、通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等五部分。其中電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)自校驗(yàn)密度繼電器供電；傳感器分為壓力傳感器和溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集氣體的壓力、溫度；自校驗(yàn)?zāi)K能夠在沒有人工參與的情況下，按程序設(shè)定時(shí)間或后臺(tái)指令自動(dòng)對(duì)密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)，自校驗(yàn)?zāi)K內(nèi)的調(diào)壓裝置采用脈沖加熱氣室的方式實(shí)現(xiàn)氣路內(nèi)氣體壓力的升降，達(dá)到觸發(fā)密度繼電器接點(diǎn)動(dòng)作的目的；數(shù)據(jù)處理模塊將密度繼電器采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、自校驗(yàn)數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行就地分析處理，通過通信模塊將分析結(jié)果反饋至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)和自校驗(yàn)密度繼電器之間的通信采用交互的形式，即自校驗(yàn)密度繼電器可以把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)也可對(duì)自校驗(yàn)密度繼電器發(fā)送指令。

圖2 自校驗(yàn)密度繼電器設(shè)計(jì)方案

1.3 自校驗(yàn)密度繼電器校驗(yàn)原理

自校驗(yàn)密度繼電器在非校驗(yàn)時(shí)，對(duì)電氣設(shè)備的溫度、壓力、密度等參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。在校驗(yàn)時(shí)，密度繼電器會(huì)先對(duì)自身健康情況和校驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行診斷分析，確認(rèn)具備實(shí)施校驗(yàn)條件，開始執(zhí)行校驗(yàn)（校驗(yàn)原理如圖3 所示）。

圖3 自校驗(yàn)密度繼電器工作原理

首先，切斷密度繼電器與接點(diǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信號(hào)連通，確保校驗(yàn)時(shí)接點(diǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)不會(huì)收到報(bào)警信號(hào)；其次，關(guān)閉電控閥，使密度繼電器氣路與電氣設(shè)備氣室斷開；再次，啟動(dòng)調(diào)壓機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)密度繼電器氣路中的壓力，是密度繼電器的接點(diǎn)動(dòng)作，智控模塊采集的接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)的溫度值和壓力值，經(jīng)過內(nèi)部程序計(jì)算，輸出校驗(yàn)結(jié)果，傳輸給后臺(tái)系統(tǒng)；最后，恢復(fù)密度繼電器與電氣設(shè)備氣路的連通和密度繼電器接點(diǎn)信號(hào)與接點(diǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的連通，密度繼電器正常監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的狀態(tài)。

1.4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊包括信息總覽、表計(jì)列表、詳細(xì)信息、告警列表和系統(tǒng)設(shè)置等五部分組成。信息總覽能夠統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)密度繼電器的在線、離線、告警等狀態(tài)信息。表計(jì)列表用于顯示所有與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接的密度繼電器，在線狀態(tài)的密度繼電器的圖標(biāo)為亮色，離線密度繼電器圖標(biāo)顏色為灰色；選中某個(gè)具體的密度繼電器時(shí)，詳細(xì)信息區(qū)域會(huì)展示該密度繼電器的詳細(xì)監(jiān)測(cè)信息，包括在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、告警狀態(tài)分析、傳感器的ID、自校驗(yàn)結(jié)果及精度分析和通過大數(shù)據(jù)分析的泄漏率等；告警列表框用于顯示所有告警密度繼電器的告警詳細(xì)信息；系統(tǒng)設(shè)置用于對(duì)密度繼電器發(fā)送指令、更改配置，主要包括告警閾值、自校驗(yàn)時(shí)間、數(shù)據(jù)上傳周期等功能。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖如圖4 所示。

圖4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖

2 氣體密度的算法模型

根據(jù)SF6 氣體的物理特性，在密閉容器中，一定溫度下的SF6 氣體壓力可以代表SF6 氣體密度。由于SF6 氣體為非理想氣體,它的壓力變化特性與理想氣體壓力變化特性相差較大，所以不能采用理想氣體方程PV=nRT 來?yè)Q算[16-19]。上海樂研電氣有限公司在長(zhǎng)期從事SF6 氣體檢測(cè)保護(hù)特性的研究中，通過大量的實(shí)踐和理論結(jié)合，得出了一套較為成熟可信的SF6 密度軟測(cè)量模型及其換算公式。在日常的環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)，通過該公式求解，能夠得到特定溫度、壓力下的密度值，并可以將任意溫度下的壓力換算為20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力，用20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力來表針實(shí)際環(huán)境條件下高壓電氣設(shè)備中SF6 氣體的密度。公式具體表征如下：

式中：

ρ—密度（kg/m3）；

T—溫度（K）；

P—壓力（Mpa，絕對(duì)壓力）。

從上述公式可以看出，只要測(cè)量出SF6 氣體的溫度和壓力之后，就可以得到一個(gè)關(guān)于密度ρ 的一元三次方程。對(duì)于一元三次方程有多種方法求解，其中最經(jīng)典的是利用皮爾—卡丹公式用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解，計(jì)算流程簡(jiǎn)便且求解過程直觀可信。

設(shè)一元三次方程x3+px+q=0 在復(fù)數(shù)集中的根是x1，x2，x3，那么:

上面的求根公式稱為皮爾—卡丹公式。將SF6密度曲線方程式（5）和式（6）代入到方程式（4）中，得到普通形式的一元三次方程，再采用正交變換即可得到標(biāo)準(zhǔn)形式的一元三次方程。通過卡丹公式求解即可得到氣體密度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證自校驗(yàn)密度繼電器自校驗(yàn)功能在不同環(huán)境溫度下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，搭建如圖5 所示的試驗(yàn)平臺(tái)。選用參數(shù)為0.40/0.35/0.30/0.30 自校驗(yàn)密度繼電器試品，試品編號(hào)分別為1#、2#、3#，將三只試品安裝在充有氣的氣罐上（氣罐體積為20 L，充有0.4 MPa 的SF6 氣體）；氣罐包含四個(gè)氣路接口，三個(gè)用于安裝試品，另外一個(gè)用于安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣罐內(nèi)的壓力變化，氣罐和試品之間安裝有三通閥，密度繼電器校驗(yàn)儀可以通過三通閥來關(guān)斷密度繼電器與氣罐之間的氣路，并校驗(yàn)試品的接點(diǎn)性能。試驗(yàn)時(shí)，將裝有試品的氣罐放入溫箱中，模擬自校驗(yàn)密度繼電器在不同的溫度應(yīng)力下工作的環(huán)境，溫箱的溫度采用PT1000 傳感器實(shí)時(shí)采集，試驗(yàn)過程中的所有數(shù)據(jù)通過上位機(jī)展示并存儲(chǔ)，展示界面如圖6 所示。

圖5 自校驗(yàn)密度繼電器試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)搭建好后，將安裝有試品的裝置放入溫箱中，溫箱的溫度設(shè)置為-30 ℃，保持該溫度2 h，使用校驗(yàn)儀校驗(yàn)三只試品的接點(diǎn)動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)值（Pij 標(biāo)準(zhǔn)值，P 表示接點(diǎn)動(dòng)作值，i 表示接點(diǎn)序號(hào)，j 表示試品編號(hào)），記錄校驗(yàn)的數(shù)據(jù)后，使試驗(yàn)平臺(tái)恢復(fù)到校驗(yàn)儀校驗(yàn)試品前的狀態(tài)，并啟動(dòng)三只試品的自校驗(yàn)程序，待自校驗(yàn)完成，輸出接點(diǎn)的動(dòng)作值（Pij 校驗(yàn)值，P 表示接點(diǎn)動(dòng)作值，i表示接點(diǎn)序號(hào)，j 表示試品編號(hào)），該溫度等級(jí)試驗(yàn)結(jié)束。按照相同的試驗(yàn)方法，依次在-30 ℃、-10 ℃、…、60℃等10 個(gè)溫度環(huán)境的試驗(yàn)，記錄并整理測(cè)試結(jié)果。

圖7、8 為校驗(yàn)儀和試品在不同溫度下校驗(yàn)三只智自校驗(yàn)密度繼電器接點(diǎn)P1 和P2 的結(jié)果。從圖可知，校驗(yàn)儀校驗(yàn)三只試品接點(diǎn)動(dòng)作值均隨著溫度的降低而升高，接點(diǎn)P2 與接點(diǎn)P1 相比，其動(dòng)作值隨著溫度變化的趨勢(shì)更為平緩，其原因?yàn)槿辉嚻凡捎脷怏w補(bǔ)償方式補(bǔ)償溫度帶來的壓差，而密度繼電器僅能補(bǔ)償一個(gè)密度值，本次試驗(yàn)的三只試品補(bǔ)償壓力約為0.29 MPa，接點(diǎn)P1 設(shè)定的的動(dòng)作值為0.35 MPa，接點(diǎn)P2 設(shè)定的動(dòng)作值為0.30 MPa，兩個(gè)接點(diǎn)的動(dòng)作值均比補(bǔ)償氣室壓力大，表現(xiàn)為欠補(bǔ)，而接點(diǎn)P2 設(shè)定的動(dòng)作值與補(bǔ)償氣室壓力之間的壓差比接點(diǎn)P1 設(shè)定的動(dòng)作值與補(bǔ)償氣室壓力之間的壓差小，產(chǎn)生的溫度補(bǔ)償誤差就小，因此自校驗(yàn)密度繼電器接點(diǎn)P1/P2 的動(dòng)作值隨著壓力的降低增大，且接點(diǎn)P2 比接點(diǎn)P1 的動(dòng)作值隨著溫度的變化更為平緩，該變化規(guī)律也符合密度繼電器的補(bǔ)償規(guī)律。在密度繼電器進(jìn)行自校驗(yàn)時(shí)，所測(cè)接點(diǎn)P1、P2 的動(dòng)作值隨著溫度降低而增大，其變化規(guī)律和校驗(yàn)儀測(cè)試結(jié)果一致，但自校驗(yàn)密度繼電器所測(cè)結(jié)果比校驗(yàn)儀所測(cè)P1 接點(diǎn)動(dòng)作值偏大，兩者之間的誤差在（0.000 9～0.001 6）MPa 之間波動(dòng)，原因在于自校驗(yàn)密度繼電器的壓力傳感器和溫度傳感器組成的測(cè)試系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差。

圖7 試品P1 接點(diǎn)自校驗(yàn)結(jié)果

圖8 試品P2 接點(diǎn)自校驗(yàn)結(jié)果

圖9 為校驗(yàn)儀和試品在不同溫度下校驗(yàn)三只自校驗(yàn)密度繼電器接點(diǎn)P2、P3 的結(jié)果。從圖中可知，密度繼電器接點(diǎn)P2、P3 的校驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值之間存在一定的差值，但校驗(yàn)結(jié)果均符合密度繼電器接點(diǎn)值隨溫度變化的結(jié)果，在所有溫度點(diǎn)的測(cè)試中，只要自校驗(yàn)密度繼電器在常溫下P2、P3 同時(shí)動(dòng)作，在進(jìn)行試驗(yàn)的（-30～60）℃溫度范圍內(nèi)，其接點(diǎn)動(dòng)作一致性也不會(huì)隨著溫度發(fā)生變化。

圖9 試品P2/P3 接點(diǎn)校驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）密度繼電器壓力補(bǔ)償氣室充入的SF6 氣體密度低于被校驗(yàn)接點(diǎn)的設(shè)定值時(shí)，該接點(diǎn)校驗(yàn)的動(dòng)作值具有隨著校驗(yàn)環(huán)境溫度的降低而增大的特性；且在不同溫度下，密度繼電器P2/P3 接點(diǎn)動(dòng)作保持一致，不會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生改變，可以得出密度繼電器接點(diǎn)隨著溫度降低而增大的特性是密度繼電器溫度補(bǔ)償特性導(dǎo)致的。

2）自校驗(yàn)密度繼電器在不同溫度下對(duì)自身接點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果與校驗(yàn)儀校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)存在一定的系統(tǒng)誤差，誤差約為密度繼電器量程的0.1%，完全滿足目前密度繼電器標(biāo)準(zhǔn)和工程應(yīng)用需要。