SF6密度表和密度繼電器原理

  所謂密度，是指某一特定物質在特定條件下單位體積的質量。SF6斷路器中的SF6氣體是密封在一個固定不變的容器內的，在20℃時的額定壓力下，它具有一定的密度值，在斷路器運行的各種允許條件范圍內，盡管SF6氣體的壓力隨著溫度的變化而變化，但是，SF6氣體的密度值始終不變。因為SF6斷路器的絕緣和滅弧性能在很大程度上取決于SF6氣體的純度和密度，所以，對SF6氣體純度的檢測和密度的監視顯得特別重要。如果采用普通壓力表來監視SF6氣體的泄漏，那就會分不清是由于真正存在泄漏還是由于環境溫度變化而造成SF6氣體的壓力變化。為了能達到經常監視密度的目的，國家標準規定，SF6斷路器應裝設壓力表或SF6氣體密度表和密度繼電器。壓力表或SF6氣體密度表是起監視作用的，密度繼電器是起控制和保護作用的。

在SF6斷路器上裝設的SF6氣體密度表，帶指針及有刻度的稱為密度表；不帶指針及刻度的稱為密度繼電器或密度壓力開關；有的SF6氣體密度表也帶有電觸點，即兼作密度繼電器使用。它們都是用來測量SF6氣體的專用表計。


1— 彈性金屬曲管；2—齒輪機構和指針；3—雙層金屬帶；4—壓力增大時的運動方向；5—壓力減小時的運動方向。  
圖SF6氣體密度表的結構
  SF6氣體密度表的結構原理。上圖所示的SF6氣體密度表主要由彈性金屬曲管1、齒輪機構和指針2、雙層金屬帶3等零部件組成，實際上是在彈簧管式壓力表機構中加裝了雙層金屬帶而構成的。空心的彈性金屬曲管1與斷路器相連，其內部空間與斷路器中的SF6氣體相通，彈性金屬曲管1的端部與起溫度補償作用的雙金屬帶3鉸鏈連接，雙層金屬帶3與齒輪機構和指針機構2鉸鏈連接。
  SF6氣體密度表的工作原理。
  1.當密度表沒有安裝使用時，如果環境溫度是20℃，，指針2指向0MP，但如果環境溫度不是20℃時，因為雙層金屬帶3是按照環境溫度與20℃的差進行補償的，所以，當環境溫度高于20℃時，雙層金屬帶3伸長，其下端將向5的方向發生位移，帶動齒輪機構和指針2向密度或壓力指示值減小的方向移動，指針2的讀數小于0MP；否則，當環境溫度低于20℃時，齒輪機構和指針2將向密度或壓力指示值增大的方向移動，指針2的讀數大于0MP。
  2.當向斷路器充SF6氣體的過程中，隨著氣體壓力的逐步升高，彈性金屬曲管1的端部向4的方向發生位移，雙層金屬帶3始終按20℃進行補償，也隨著向4的方向發生位移，帶動齒輪機構和指針2向密度或壓力指示值增大的方向移動，其指示值變大。密度表或壓力表的指示值不僅與壓力有關，而且還與溫度有關。在對斷路器充SF6氣體過程中，由于SF6氣體突然膨脹降壓，溫度一般由環境溫度降至0℃以下，雙層金屬帶3始終按20℃進行補償，而不能對SF6氣體的實際溫度與環境溫度之間的溫差進行補償，所以，在這種情況下，密度表的指示值即不能代表SF6氣體的實際溫度下的密度或壓力值，也不能代表環境溫度下的密度或壓力值，更不能代表20℃時的密度或壓力值。
  3.當斷路器充入SF6 氣體后，等待一段時間，使SF6斷路器內部溫度升高至與外部環境溫度達到平衡后，調整SF6氣體至額定密度或壓力值，這時，不管SF6氣體受環境溫度的影響使其壓力增大還是減小，由于雙層金屬帶3的溫度補償作用，密度表的指針始終指向20℃時的額定壓力或密度值不變。
  4.當斷路器退出運行后，如果斷路器內部SF6氣體的溫度與外部環境溫度達到平衡時，其指示的密度或壓力值將不隨外部環境溫度的變化而變化。當環境溫度升高時，斷路器內部SF6氣體的溫度也隨著升高，壓力也隨之增大，彈性金屬管1的端部向4的方向移動，有帶動指針向密度或壓力值增大的方向移動的趨勢，但是，由于雙層金屬帶3隨環境溫度升高而伸長，其下端向5的方向移動，那么，兩者的變化量完全抵消，其結果是指針的指示值不變，即：自動折算到20℃時的密度或壓力值保持不變，反之，當環境溫度降低時，指針的指示值也保持原來的密度或壓力值不變。
  5.當斷路器由于某種原因，如漏氣或做試驗時取氣等，使SF6氣體質量減少，壓力變小，彈性金屬管1的端部向5的方向移動，環境溫度引起的壓力變化由雙層金屬帶3進行補償，帶動指針2向指示值減小的方向移動，其結果是指針指示的密度或壓力值變小。由于密度表帶有兩對電接點，供SF6氣體密度降低時發信號和閉鎖斷路器用，指針2降到一定的位置就發補氣信號或閉鎖斷路器。  
  使用SF6氣體密度或壓力表的注意事項。
  密度表只有在SF6斷路器退出運行時，而且在斷路器內外溫度達到平衡之后，才能準確測量出SF6氣體的密度或壓力值；SF6斷路器在運行時，密度表讀數誤差的大小，取決于斷路器的負荷電流和回路電阻所引起的溫升的大小。
  SF6氣體密度繼電器結構原理。SF6氣體密度繼電器主要是由兩個波紋管、標準SF6氣體包、微動開關觸點、杠桿等組成。C1-L1是作為SF6氣體降低時報警的電觸點63GA，C2-L2是作為SF6氣體降低時閉鎖斷路器的電觸點63GL。

1—波紋管；2—波紋管；3—標準SF6氣體；4—微動開關電觸點；5—軸；6—杠桿  
圖SF6氣體密度繼電器結構SF6氣體密度繼電器工作原理。
  1.它是以密封在波紋管1外側的與斷路器中SF6氣體連通的SF6氣體包，通過以軸5為支撐點的杠桿6，與密封在波紋管2外側的標準氣體包3進行比較，帶動微動開關電觸點4動作，實現其發信號和閉鎖功能。
  2.當斷路器退出運行時，而且斷路器中SF6氣體在額定密度或壓力時的溫度與外界環境溫度相等時，波紋管1外側SF6氣體的狀態與波紋管2外側標準SF6包3的狀態相同，以軸5為支撐點的杠桿6保持在某一平衡位置，使微動開關電觸點4在打開位置，隨著環境溫度的變化，兩側的SF6氣體的壓力同時發生變化，因此，作用在以軸5為支撐點的杠桿仍然保持在某一平衡位置，微動開關電觸點4仍然保持在打開位置不變。 
  3.當斷路器退出運行時，而且斷路器中SF6氣體的溫度與外界環境溫度相等時，如果斷路器泄漏SF6氣體，波紋管1外側SF6氣體的壓力將會減小，波紋管2外側的標準SF6氣體包3的壓力保持不變，杠桿6失去平衡，其結果兩端將會發生逆時針轉動，達到新的平衡位置，漏氣到一定程度時，就會使微動電接點4不同功能的電觸點分別閉合，發出不同的指令或信號，實現其不同的功能。
  4.當斷路器投入運行時，標準SF6氣體包3還是在環境溫度下，由于負荷電流通過回路電阻時消耗的電功率轉化為熱能，使斷路器內的SF6氣體升溫，產生壓力增量，即：波紋管1外側SF6氣體的壓力將會增大，就會推動杠桿6繞軸5順時針轉動，使微動開關電觸點4不會閉合。在這種情況下，如果斷路器泄漏SF6氣體，波紋管1外側SF6氣體的壓力將會減小。但是，由于溫升的作用，要比斷路器退出運行時泄漏更多的SF6氣體，才能使微動開關電觸點4閉合。   
  使用SF6密度繼電器的注意事項。SF6氣體密度繼電器只有在斷路器退出運行時，而且在斷路器內外溫度達到平衡后，才能準確測量出SF6氣體的密度值；斷路器運行時，如果斷路器泄漏SF6氣體，由于溫升的作用，要比斷路器退出運行時泄漏更多的SF6氣體，才能夠使密度繼電器的電觸點閉合。SF6斷路器密度表或密度繼電器的校驗，就是利用儀器自動折算出20℃時的SF6氣體壓力值，顯示出各種溫度和壓力下的密度值，與儀器模擬的各種壓力進行比較，以觀察電觸點的接觸情況，能否在低壓的規定值內發信號或閉鎖斷路器，來判斷SF6斷路器密度表或密度繼電器的好壞。  
  在對SF6斷路器的密度表和密度繼電器的校驗過程中，發現多臺斷路器的密度繼電器不合格，而尚未發現密度表不合格現象，造成密度繼電器不合格的原因可能是SF6標準氣體包由于帶著一根長長的細銅管，在安裝或檢修過程中，由于銅管的彎折或碰撞等原因造成標準SF6氣體包內的壓力增大而引起的；也可能是由于密度繼電器波紋管損壞，造成密度繼電器的標準氣體包漏氣，當斷路器泄漏SF6氣體時，C1-L1和C2-L2接點不能接通，致使密度繼電器失去作用，嚴重威脅設備的安全運行甚至是系統安全，建議將密度繼電器更換為密度表，一方面可以減少SF6氣體管道和接頭，即減少SF6氣體泄漏的機率；另方面可以提高設備的運行可靠性。  
  在現場的實際工作中，給斷路器充SF6氣體時，經常有人認為多充些SF6氣體，可以防止發補氣和閉鎖信號，確實，如果氣體的壓力充高些，會減小發補氣和閉鎖信號的機率，但是會加重斷路器的各密封處的負擔，有可能使斷路器的密封處損壞，發生漏氣現象，所以不提倡將SF6氣體壓力充高現象，應嚴格控制在標準以內。

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