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【摘 要】阐述了SF6密度继电器的温度补偿原理和工作原理，结合实例分析了开关设备和组合电器所使用的密度继电器误报警和出现校验偏差的原因，指出了密度继电器和校验仪本身的感知温度是引起运行中指示波动和校验时出现偏差的原因，提出了相应的防范措施，能够有效地避免误报和校验结果偏差过大现象发生，保证SF6开关设备的安全稳定运行。
【关键词】SF6密度继电器；断路器；误报警；校验偏差
0.引言
目前，对SF6开关和GIS组合电气内部气体压力（密度）的监控是保证以SF6为绝缘介质的电气设备安全可靠运行主要手段。现场运行的SF6气体密度继电器由于不经常动作，经过一段时间后会出现动作不灵活、触点接触不良等现象，有时还会出现密度继电器温度补偿性能变差，当环境温度变化时，常导致SF6密度继电器误动作[1]。因此，为了更好的开展密度继电器校验工作，减少人为或环境因素对密度继电器正常运行的影响，本文用实例分析了其运行维护中遇到的误报警和校验中出现的校验数值与额定值偏差较大问题的原因，同时提出了相应的防范措施。
1.SF6密度继电器工作原理
SF6密度继电器是根据理想气体方程设计的一种带温度补偿的压力监控装置，按不同的温度补偿方式，主要分为双金属补偿型和标准气补偿型。工作时，SF6密度继电器通过气压传导监测设备内折算至20℃时的气体压力，并将该温度下压力降低至某2个设计值设定为报警和闭锁信号。其中报警信号的压力一般整定为额定工作压力的90%～95%，闭锁信号的压力一般整定为额定工作压力的80%～90%。
根据理想气体密度公式，密度继电器测得的气体密度可表示为:
ρ=PV/T （1）
式中ρ为气体密度；P为罐内气体压力；V为罐体容积；T为绝对温度
对于密闭容器，V为定值，因此气体密度ρ是气体压力P和温度T的函数。但按照设计原理，在SF6设备中，由于温度补偿作用，使折算后的T近似为常数（273+20=293℃），因此气体密度ρ与压力P近似为正比例关系。
根据理想气体状态方程（克拉佩龙方程），有:
PV=NRT （2）
式中N为物质的量，固定质量的气体N常数。R为理想气体常数，8.31441±0.00026J/(mol·K）。
在SF6 密度继电器不发生气体泄漏的情况下（N为定值），密度继电器指示压力为固定值。因此，只要对内部气体温度的变化进行精确的补偿，就可以对气体在20℃时的密度进行精确监测。
2.误报警原因分析及防范
2.1误报警产生的原因
密度继电器精确补偿的前提是感知温度（继电器中温度补偿装置所感知到的温度）必须与罐内气体的温度完全一致，而事实却很难做到。
例如佳木斯电业局某110kV SF6断路器的密度继电器设定值：额定运行压力为0.4MPa,报警压力为0.38MPa，闭锁压力为0.35MPa。由于该断路器的密度继电器突然发出报警信号，现场运行人员记录密度继电器刻度指示值为0.375MPa。试验人员首先对其进行检漏试验，没发现异常，此时表示数逐渐回升，压力指示值为0.394MPa。然后现场对密度继电器进行了校验，报警值为0.377MPa，闭锁值为0.354MPa。根据当天的气温变化（3～19℃），发现下午气温较高时密度表的补偿过大，表计示数出现了明显下降，才发出了报警信号。通过这个波动过程，可以断定压力表指示下降时继电器感知温度一定高于罐内气体温度。
当感知温度比罐内气体温度高10℃时（假设罐内20℃，继电器感知温度为30℃），由式（2）列出理想气体方程为
P1V=NR（273+20） （3）
P2V=NR（273+30） （4）
式中P1為感知温度为20℃时的额定压力值,此时补偿为0，P1为0.4 MPa；P2为感知温度为30 ℃时的补偿压力值。
由式（3）、（4）得：
P1/ P2=0.967 ，
P2=0.414MPa。
也就是说，在罐内气体为20℃时，如果继电器内感知温度为30℃，感温原件就会将该差值反补偿给压力表机械装置，此时压力表的指示为
[0.4-（0.414-0.4）]=0.386MPa
已接近报警压力0.38MPa。
当温差为20℃时，可以推得压力表示数应为0.373MPa，已低于报警压力。由上式推导可知，当罐内气体实际温度与继电器感知温度相差大于14.65℃时，就会发生误报警现象。对此检查了现场断路器各组件的温度，发现断路器瓷套微热，而密度继电器所在金属箱体及密度继电器本身由于太阳直射温度很高。
可见，本次误报警的根本原因是罐内气体温度较低，而继电器所处环境温度较高造成的。但我们不能因为有上述现象出现，就盲目地为断路器罐内多注气体。在给断路器补充SF6气体时，有些人认为多充SF6气体， 可以减少断路器发补气和闭锁信号的概率，这是错误的。断路器补充过多的SF6气体，会加重断路器各密封部件的负担， 使断路器密封处损坏的概率增加，发生漏气的可能性也随之增加。所以SF6断路器补充气体时， 必须严格控制在厂家使用说明书规定的标准范围内[2]。同理，如果继电器所处环境温度较低，而罐内气体温度较高（太阳照射、电流热效应等），此时补偿装置就为正补偿，如有泄漏，会发生报警不报或延迟报警的现象。
2.2误报警的防范
a.夏季阳光较强时，可以在密度继电器上方或其固着的箱体上加装遮阳板[3]。
b.冬季将密度继电器装设在有加热装置的机构箱内的，应使用带感温包的密度继电器，可实现密度继电器在机构箱内部就可以反应外界温度[4]。
c.为防止气体液化而装设气体加热装置的组合电器或开关设备，此时应将密度继电器所处位置相应加热，否则压力表指针会往高处偏转，发生该报不报和延迟报警的危险。 d.如果要從根本上解决气体密度继电器指针波动，需使用带温度探杆的气体密度继电器[3]。
e.补气时注意汽化吸热对继电器的影响，要等到继电器与罐体温度大致相同时再读数。
3.校验偏差的产生和防范
3.1校验偏差产生的原因
根据相关规程，必须对SF6密度继电器进行现场校验。现场校验时影响密度继电器额定报警和闭锁值的原因是温差。
例如佳木斯电业局春检期间，现场校验了1组1.5级额定压力0.50MPa、报警压力0.45MPa、闭锁压力0.40MPa的500kV SF6密度继电器，校验数据如表1所示。随后将该组密度继电器进行了更换，把旧继电器带回重新校验，校验结果如表2所示。
表1 现场校验的密度继电器数值
表2 继电器的试验室校验数值
由于拆下来的继电器闭锁和报警压力都在合格范围内，并无异常。因此推断现场因素是造成校验不合格的因素。时值北方春季，室内供暖结束，温度较低，室外温度较高，到现场进行测试就会造成测量时继电器感知温度和校验仪感知温度不一致的情况。假设校验仪温度为20℃，断路器在阳光照射下气体温度为30℃。此时进入校验仪的少量气体不足以使校验仪产生较大温升，那么校验仪显示的压力就是气体为20℃时的压力，而真实情况应该为30℃。根据折算原理，此时显示折算后的压力值相当于气体温度下降10℃的补偿压力。根据克拉佩龙方程，此时压力变化：报警值增加了0.0154MPa，闭锁值增加了0.0137MPa。可见设备温度与继电器中气体温度不一致带来的误差也是相当大的。若此时罐内气体经过照射比继电器的感知温度高（继电器装设在设备的背阴侧），那么测量的偏差值将会进一步拉大。
3.2 校验偏差的防范措施
a.校验过程中，注意在校验仪温度和环境温度差别较大时，把校验仪放在与变电设备相同的环境下，待温度一致再进行测量。同时，注意选择测量时段，要在继电器与罐内气温尽量一致的情况下进行。当多块继电器校验误差趋势相同且不合格时，不要轻易下结论，注意复测。
b.在现场进行下切换校验过程中, 下降速度应该不超过0.003MPa/s。由于机械动作总是滞后于压力下降速度, 降压速度过快, 测量结果就偏小,降压速度越快, 误差越大[5]。
c.对于敲击后才能发出报警或闭锁信号的密度继电器，由于其内部节点氧化等原因，已失去报警功能，因此必须进行更换。
4.结论
上述分析及试验结果表明，SF6密度继电器是以SF6为绝缘介质的高压设备的重要保护元件，应定期对其进行严格的校验，以保证SF6密度继电器按设计要求发出报警或闭锁信号。继电器的温感元件需正确的反映设备内SF6气体的平均温度才能保证密度继电器不误动。因此，应认真做好运行维护和校验工作。
【参考文献】
［１］司慧琳.密度继电器的校验和修理[J].农村电气化,2011(40)：61-62.
［２］冯印富.SF6密度表和密度继电器的结构和工作原理[J].农村电工,2011(3):31-32.
［３］张治国，柳建平.密度继电器指针波动原因分析处理方法[J].电气安全，2010(21)：86-87.
［４］甄利,周文博.LW6-220H型SF6断路器密度继电器误报警原因分析及改进[J].高压电器，2005(41):78-79.
［５］计光荣,金琦,孙亚洲.SF6 气体密度继电器校验结果影响因素[J].云南电力技术，2010(38)：55-56.
【关键词】SF6密度继电器；断路器；误报警；校验偏差
0.引言
目前，对SF6开关和GIS组合电气内部气体压力（密度）的监控是保证以SF6为绝缘介质的电气设备安全可靠运行主要手段。现场运行的SF6气体密度继电器由于不经常动作，经过一段时间后会出现动作不灵活、触点接触不良等现象，有时还会出现密度继电器温度补偿性能变差，当环境温度变化时，常导致SF6密度继电器误动作[1]。因此，为了更好的开展密度继电器校验工作，减少人为或环境因素对密度继电器正常运行的影响，本文用实例分析了其运行维护中遇到的误报警和校验中出现的校验数值与额定值偏差较大问题的原因，同时提出了相应的防范措施。
1.SF6密度继电器工作原理
SF6密度继电器是根据理想气体方程设计的一种带温度补偿的压力监控装置，按不同的温度补偿方式，主要分为双金属补偿型和标准气补偿型。工作时，SF6密度继电器通过气压传导监测设备内折算至20℃时的气体压力，并将该温度下压力降低至某2个设计值设定为报警和闭锁信号。其中报警信号的压力一般整定为额定工作压力的90%～95%，闭锁信号的压力一般整定为额定工作压力的80%～90%。
根据理想气体密度公式，密度继电器测得的气体密度可表示为:
ρ=PV/T （1）
式中ρ为气体密度；P为罐内气体压力；V为罐体容积；T为绝对温度
对于密闭容器，V为定值，因此气体密度ρ是气体压力P和温度T的函数。但按照设计原理，在SF6设备中，由于温度补偿作用，使折算后的T近似为常数（273+20=293℃），因此气体密度ρ与压力P近似为正比例关系。
根据理想气体状态方程（克拉佩龙方程），有:
PV=NRT （2）
式中N为物质的量，固定质量的气体N常数。R为理想气体常数，8.31441±0.00026J/(mol·K）。
在SF6 密度继电器不发生气体泄漏的情况下（N为定值），密度继电器指示压力为固定值。因此，只要对内部气体温度的变化进行精确的补偿，就可以对气体在20℃时的密度进行精确监测。
2.误报警原因分析及防范
2.1误报警产生的原因
密度继电器精确补偿的前提是感知温度（继电器中温度补偿装置所感知到的温度）必须与罐内气体的温度完全一致，而事实却很难做到。
例如佳木斯电业局某110kV SF6断路器的密度继电器设定值：额定运行压力为0.4MPa,报警压力为0.38MPa，闭锁压力为0.35MPa。由于该断路器的密度继电器突然发出报警信号，现场运行人员记录密度继电器刻度指示值为0.375MPa。试验人员首先对其进行检漏试验，没发现异常，此时表示数逐渐回升，压力指示值为0.394MPa。然后现场对密度继电器进行了校验，报警值为0.377MPa，闭锁值为0.354MPa。根据当天的气温变化（3～19℃），发现下午气温较高时密度表的补偿过大，表计示数出现了明显下降，才发出了报警信号。通过这个波动过程，可以断定压力表指示下降时继电器感知温度一定高于罐内气体温度。
当感知温度比罐内气体温度高10℃时（假设罐内20℃，继电器感知温度为30℃），由式（2）列出理想气体方程为
P1V=NR（273+20） （3）
P2V=NR（273+30） （4）
式中P1為感知温度为20℃时的额定压力值,此时补偿为0，P1为0.4 MPa；P2为感知温度为30 ℃时的补偿压力值。
由式（3）、（4）得：
P1/ P2=0.967 ，
P2=0.414MPa。
也就是说，在罐内气体为20℃时，如果继电器内感知温度为30℃，感温原件就会将该差值反补偿给压力表机械装置，此时压力表的指示为
[0.4-（0.414-0.4）]=0.386MPa
已接近报警压力0.38MPa。
当温差为20℃时，可以推得压力表示数应为0.373MPa，已低于报警压力。由上式推导可知，当罐内气体实际温度与继电器感知温度相差大于14.65℃时，就会发生误报警现象。对此检查了现场断路器各组件的温度，发现断路器瓷套微热，而密度继电器所在金属箱体及密度继电器本身由于太阳直射温度很高。
可见，本次误报警的根本原因是罐内气体温度较低，而继电器所处环境温度较高造成的。但我们不能因为有上述现象出现，就盲目地为断路器罐内多注气体。在给断路器补充SF6气体时，有些人认为多充SF6气体， 可以减少断路器发补气和闭锁信号的概率，这是错误的。断路器补充过多的SF6气体，会加重断路器各密封部件的负担， 使断路器密封处损坏的概率增加，发生漏气的可能性也随之增加。所以SF6断路器补充气体时， 必须严格控制在厂家使用说明书规定的标准范围内[2]。同理，如果继电器所处环境温度较低，而罐内气体温度较高（太阳照射、电流热效应等），此时补偿装置就为正补偿，如有泄漏，会发生报警不报或延迟报警的现象。
2.2误报警的防范
a.夏季阳光较强时，可以在密度继电器上方或其固着的箱体上加装遮阳板[3]。
b.冬季将密度继电器装设在有加热装置的机构箱内的，应使用带感温包的密度继电器，可实现密度继电器在机构箱内部就可以反应外界温度[4]。
c.为防止气体液化而装设气体加热装置的组合电器或开关设备，此时应将密度继电器所处位置相应加热，否则压力表指针会往高处偏转，发生该报不报和延迟报警的危险。 d.如果要從根本上解决气体密度继电器指针波动，需使用带温度探杆的气体密度继电器[3]。
e.补气时注意汽化吸热对继电器的影响，要等到继电器与罐体温度大致相同时再读数。
3.校验偏差的产生和防范
3.1校验偏差产生的原因
根据相关规程，必须对SF6密度继电器进行现场校验。现场校验时影响密度继电器额定报警和闭锁值的原因是温差。
例如佳木斯电业局春检期间，现场校验了1组1.5级额定压力0.50MPa、报警压力0.45MPa、闭锁压力0.40MPa的500kV SF6密度继电器，校验数据如表1所示。随后将该组密度继电器进行了更换，把旧继电器带回重新校验，校验结果如表2所示。
表1 现场校验的密度继电器数值
表2 继电器的试验室校验数值
由于拆下来的继电器闭锁和报警压力都在合格范围内，并无异常。因此推断现场因素是造成校验不合格的因素。时值北方春季，室内供暖结束，温度较低，室外温度较高，到现场进行测试就会造成测量时继电器感知温度和校验仪感知温度不一致的情况。假设校验仪温度为20℃，断路器在阳光照射下气体温度为30℃。此时进入校验仪的少量气体不足以使校验仪产生较大温升，那么校验仪显示的压力就是气体为20℃时的压力，而真实情况应该为30℃。根据折算原理，此时显示折算后的压力值相当于气体温度下降10℃的补偿压力。根据克拉佩龙方程，此时压力变化：报警值增加了0.0154MPa，闭锁值增加了0.0137MPa。可见设备温度与继电器中气体温度不一致带来的误差也是相当大的。若此时罐内气体经过照射比继电器的感知温度高（继电器装设在设备的背阴侧），那么测量的偏差值将会进一步拉大。
3.2 校验偏差的防范措施
a.校验过程中，注意在校验仪温度和环境温度差别较大时，把校验仪放在与变电设备相同的环境下，待温度一致再进行测量。同时，注意选择测量时段，要在继电器与罐内气温尽量一致的情况下进行。当多块继电器校验误差趋势相同且不合格时，不要轻易下结论，注意复测。
b.在现场进行下切换校验过程中, 下降速度应该不超过0.003MPa/s。由于机械动作总是滞后于压力下降速度, 降压速度过快, 测量结果就偏小,降压速度越快, 误差越大[5]。
c.对于敲击后才能发出报警或闭锁信号的密度继电器，由于其内部节点氧化等原因，已失去报警功能，因此必须进行更换。
4.结论
上述分析及试验结果表明，SF6密度继电器是以SF6为绝缘介质的高压设备的重要保护元件，应定期对其进行严格的校验，以保证SF6密度继电器按设计要求发出报警或闭锁信号。继电器的温感元件需正确的反映设备内SF6气体的平均温度才能保证密度继电器不误动。因此，应认真做好运行维护和校验工作。
【参考文献】
［１］司慧琳.密度继电器的校验和修理[J].农村电气化,2011(40)：61-62.
［２］冯印富.SF6密度表和密度继电器的结构和工作原理[J].农村电工,2011(3):31-32.
［３］张治国，柳建平.密度继电器指针波动原因分析处理方法[J].电气安全，2010(21)：86-87.
［４］甄利,周文博.LW6-220H型SF6断路器密度继电器误报警原因分析及改进[J].高压电器，2005(41):78-79.
［５］计光荣,金琦,孙亚洲.SF6 气体密度继电器校验结果影响因素[J].云南电力技术，2010(38)：55-56.