CN102318025A - 用于确定绝缘室或开关柜中的sf6气体的填充量的测量设备及相应的方法 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的用于确定在绝缘室(2)中的SF₆气体的填充量的测量设备(1)，包括压力传感器(15)、温度测量元件(13)和用于从所测量的压力值和相关的所测量的温度值确定SF₆气体的填充量的处理设备(16)，其中所述测量设备(1)密封绝缘室(2)的对应开口，并且待测量的SF₆气体直接作用于压力传感器(15)和温度测量元件(13)。

Description

用于确定绝缘室或开关柜中的SF6气体的填充量的测量设备及相应的方法

技术领域

本发明涉及用于确定在绝缘室或开关柜中的SF₆气体的填充量的测量设备，用于确定在绝缘室或开关柜中的SF₆气体的填充量的方法，并涉及用于监控在绝缘室或开关柜中的SF₆气体的填充量的系统。

发明背景

在美国7,257,496B2中描述了监控高压箱中的SF₆气体的方法。在不同的测量时间测量了箱中提供的SF₆气体的压力、箱的环境温度以及箱外皮的温度。此后，平均值从所测量的温度计算出并被近似地确定为箱中的SF₆气体温度。从SF₆气体的摩尔数中，在不同的测量时间所产生的线性值发展来确定摩尔比，其中SF₆气体的摩尔数由所测量的SF₆气体压力和借助于理想气体方程(p*V＝n*R*T)计算的气体温度计算出。在测量的21天之后，记录摩尔比的趋势，并比较该趋势的梯度与最大可容许的泄漏。在该趋势的帮助下，计算其落在所设置的限值之下的时间点。在这种方法中，测量数据被传输到在离高压箱一定距离处的主管操作员。

已知现有技术中的一个问题是，SF₆气体箱的环境温度和表面温度或表面温度和环境温度的平均值不等于实际气体温度。而且，如从一般SF₆气体压力温度特征所知，SF₆气体具有非线性行为。这意味着，与应用真实气体方法(其中应用实际测量值)相比，通过应用用于确定SF₆气体的摩尔数的理想气体方程，只能获得近似值。此外，摩尔数取决于第一测量的精确度，即，当应用理想气体方程时所获得的参考测量只具有近似的精确度。因此使用该现有技术中所描述的方法，并不能检测到最小泄漏。

已知现有技术中的另一问题是，21天的测量通常不足以对所监控的箱的行为作出正确陈述，因为预期的泄漏率不引起填充量的明显变化，即使在一年之后(填充量的变化的基准为最大～0.5％/年)。这同样适用于落在所设置的限值之下的预期的时间点的计算。最后，另一问题是，到主管操作员的数据传输的失败会导致整个监控的失败。

因此，本发明的主要目的是解决现有技术水平的上述问题。

这个目的通过如权利要求1所述的测量设备、如权利要求11所述的方法和如权利要求15所述的监控系统来实现。在从属权利要求中说明了本发明的有利配置。

根据本发明的用于确定在绝缘室中的SF₆气体的填充量的测量设备包括压力传感器(pressure transducer)、温度测量元件和用于从压力传感器所测量的压力测量值和温度测量元件所测量的相关温度测量值确定气体的填充量的处理设备。测量设备被布置成使得待测量的SF₆气体被允许渗透到测量设备。以这种方式，实现了待测量的气体直接作用于压力传感器和温度测量元件。

温度测量元件优选地是在测量设备中以气密方式被装上玻璃的温度传感器(temperature sensor)。这意味着将接通到温度传感器的电气连接引导出该室(气体室或箱)，SF₆气体在测量设备中通过玻璃窗被施加到该室。温度传感器优选地是PT100传感器，且绝缘室优选地是填充有SF₆绝缘气体的高压开关柜。

而且，作为压力吸收元件的压力传感器优选地包括将SF₆气体直接施加到其上的膜，其中SF₆气体的压力经由该膜被传输到压力传感器的另外的部件。作为对此的可替换方案，压力传感器可以是插入该膜中的应变规、压电压力传感器等。

在测量设备中，温度测量元件优选地被布置成使得它在朝着绝缘室的方向上被布置在压力传感器的膜的上游。这意味着，SF₆气体的温度测量发生的测量点相对于测量设备中的绝缘室位于SF₆气体的压力测量的测量点的正前方。以这种方式，可确保SF₆气体的所测量的温度对应于SF₆气体的所测量的压力。

此外，测量设备优选地由热绝缘套包围，使得布置在测量设备中的测量元件与朝向周围环境的外部热绝缘。因此，可防止测量数据的失真，特别是温度测量数据的失真。

处理设备优选地布置在测量设备中，使得它在绝缘室的方向上被布置在压力传感器和温度测量元件的下游。这意味着，处理设备相对于绝缘室被布置在温度测量元件和压力传感器后面的测量设备中。温度元件和压力传感器将其测量信号传输到处理设备，所述处理设备处理所述信号并输出对应于填充量的信号。此外优选地，处理设备、压力传感器和温度测量元件基本同轴地被布置在测量设备中，使得处理设备、压力传感器和温度测量元件的各自的中心轴基本上共轴。以这种方式，在将测量设备布置在绝缘室之前，可便于这些部件在测量设备内的安装，并可确保单独的部件的空间邻近度以及正确的相对位置，由此，尤其避免了由于不希望有的接触而导致的测量数据的失真、长传输距离和其它相互影响。

根据本发明的测量设备除了对应于填充量的信号以外还优选地输出对应于所测量的气体温度的信号。所述气体温度信号可用于使填充量信号随时间变化的过程平稳并补偿对应于填充量的由绝缘室的温度相关的体积膨胀引起的信号误差。通过测量设备的信号输出优选地是对应于4-20mA标准的模拟信号。

根据本发明的测量设备已经允许识别绝缘室的最小的泄漏并发起适当的应对措施。原则上，根据本发明的测量设备因此由提供与填充量成比例的模拟输出信号的组合的压力和温度传感器组成。填充量信号基本上从SF₆气体的密度建立，基于所测量的SF₆气体压力信号和所测量的SF₆气体温度信号来计算SF₆气体的密度，并随后进一步借助于所测量的气体温度进行补偿。当识别出SF₆气体密度时，优选地，应用根据维里方程的维里真实气体方法，并在测量设备的处理设备内部进行计算。维里方程是根据1/Vm的幂通过连续膨胀的普适气体方程的扩展。当在第一组员之后停止连续膨胀时，转而获得普适气体方程。然而如果连续膨胀继续，则形成具有增加数量的参数的可能无限数量的状态方程。与其它方法例如理想气体方程相反，维里真实气体方程适合于足够精确地模仿SF₆气体的非线性行为(压力-温度特征)。

维里真实气体方法基于普适(理想)气体方程(p*V＝n*R*T)，其中真实气体因子Z被积分。然而，通常真实气体因子Z不被认为是固定的常数，但被视为温度的函数，例如(Z(T))。对于变化的温度，其他值是Z的结果。模拟程序可应用于密度或压力的参数，且真实气体因子可依赖于后者产生。

p＝ρ*R_SF6*T*Z(T)   (1)

真实气体因子包括至少一个变量，其设置有描述对应于SF₆气体的真实行为的曲线函数的指数。真实气体因子根据温度和密度的递增幂由多个单独的项组成。

p＝ρ*R_SF6*T*{1+B(T)*ρ+C(T)*ρ²}  (2)

必须注意，在方程(2)中，密度必须被转换，使得它以单位mol/L¹⁵被给出。为了以同样的方式获得计算结果，必须将下列形式的普适气体常数插入方程(2)中：

R＝0.0831434J/(mol*K)

方程(2)的两个项B(T)和C(T)中的每一个由多个项组成：

$B\left(T\right)=B_0+\frac{B_1}{T}+\frac{B_3}{T^3}+\frac{B_5}{T^5}---\left(3\right)$

C(T)＝C₀+C₁*T+C₂*T₂    (4)

SF₆气体温度的测量适当地发生在集成在测量设备中的测量室中，在测量设备中，温度测量元件和压力传感器也被布置，且测量设备具有到待监控的绝缘室的气体室的直接连接。到气体室或箱的直接连接因此确保气体交换，其使温度测量元件能够测量实际气体温度。测量室紧靠剩余的测量设备被气密地密封，并通过热绝缘套与外部绝缘而预防热失效影响。

根据本发明的测量设备的模拟测量元件优选地直接连接到可编程逻辑控制器(PLC)。在PLC中，实现用于监控开关柜的安全操作的本地警报。如果出现突然的泄漏，则PLC在它落在设定的限值之下时输出相应的警报，由此可保证开关柜的安全操作。此外，在PLC中的模拟信号优选地结合测量设备(至少14位A/D转换)被数字化。PLC进一步可优选地被连接到本地显示器。电流密度值显示在显示器上。显示器可包括颜色改变功能(例如：绿色图＝OK，黄色图＝限值到达，红色图＝第二个限值到达)。通过将PLC放置在所监控的开关柜的直接环境中，即，没有远程数据传输，并通过PLC的警报输出被直接连接到开关柜的控制器的事实，保证开关柜在任何时间的安全操作。

以这种方式被数字化的信号优选地利用远程数据传输技术被发送到中央数据库。访问中央数据库的特定评估软件提供有机会，以存储测量元件的以前建立的特征并校正分布外部影响(例如，气体室或箱的体积膨胀)。通过箱材料的所测量的温度和所存放的膨胀系数来校正体积膨胀。所校正的密度值为了分析的目的被永久地存储在数据库中。原始数据被获得。此外，软件可在统计评估的过程中估计来自测量数据的所监控的填充量的趋势(最小平方差、最佳拟合直线的方法)。评估的结果是实际泄漏，即，待监控的开关柜的实际SF₆气体损失。所发现的线性趋势可被存储在数据库中，并可如用户所期望的被转换成例如泄漏率或已经排放的气体质量。为此目的，只有与所监控的箱的尺寸(体积)和期望密度有关的数据必须被存放在评估软件中。趋势能被确定，特别在测量的开始，甚至在较短的时间段内被确定。然而，因为通常排放数据与一年的周期有关，在较短的时间段内的评估可用于只在有限的程度上对箱的泄漏情况的陈述。

在固定的时期中例如在一年、一个季度或一个月内执行通过SF₆气体密度的对填充量的分析。

在一年内的评估提供最准确的结果，在较短的时间段内的评估表明泄漏的短期变化。评估软件输出箱泄漏的相应趋势。与传统SF₆气体监控方法相反，用户可借助于泄漏趋势提前计划开关柜的维护，例如再填充SF₆气体。评估软件还提供限定箱泄漏的限值的可能性。如果设定的限值被超过或落在下面，用户相应地被通知并可采取对抗措施，例如密封泄漏。

在根据本发明的测量设备中，所有测量值都被传输到数据库并设置或存储在其中。根据所述测量值，可准备例如图形评估，其给用户提供所需的信息。可想象在这个背景中，可从具有互联网接入的每个PC执行用户对数据库的访问，其中例如给用户提供口令保护访问。可选地，以有规律的间隔，可使用户获得包含关于系统的气体损失的相应信息的报告。根据本发明的测量设备提供提前计划开关柜的维护以及确定增加的泄漏和发起对抗措施的可能性。

根据本发明的用于确定在绝缘室中的SF₆气体的填充量的方法包括通过压力传感器测量气体的压力的步骤、通过温度测量元件直接测量气体的温度的步骤、从气体压力测量值和相关气体温度测量值确定气体的密度的步骤、输出对应于气体密度的信号的步骤、输出对应于气体温度的相关信号的步骤、以及建立关于绝缘室的泄漏的趋势的步骤。该方法还优选地包括附加步骤，其中利用相关气体温度信号来补偿对应于填充量的由绝缘室的温度相关的体积膨胀引起的信号误差。此外，在确定气体密度的步骤中优选地将维里真实气体方法考虑在内。

根据本发明的用于监控在包含有高压部件的绝缘室中的SF₆气体的填充量的系统包括根据本发明的如前面内容所述的测量设备以及用于记录随着时间变化对应于填充量的信号的评估单元。在这个背景中使用根据本发明的前述方法，以便确定关于绝缘室的泄露的趋势。优选地，通过适当的远程数据传输技术，例如通过无线电技术或经由互联网，将信号传输到评估单元。

附图说明

在下文中，参考附图以优选的实施例说明本发明，其中：

图1示出根据优选实施例在连接到绝缘室的状态中的根据本发明的测量装置的截面图；

图2示出根据优选实施例在连接到测量设备的存储可编程控制器的示例性示意图；

图3示出在测量设备和用户之间的各种通信可能性；

图4示出表示随着时间变化SF₆气体的密度过程的图示；

图5示出表示SF₆气体的误差补偿密度过程的图示；以及

图6示出表示测量设备的预定实际特征和相应期望特征的图示。

具体实施方式

图1示出根据本发明的优选实施例的测量设备1。测量设备1被安装到绝缘室2的外壁21中的开口，由此在外壁21中的开口以气密(密封)的方式被封闭。绝缘室2填充有SF₆气体。测量设备1在这种情况下通过线(未示出)连接到外壁21。作为可选方案，测量设备21可被焊接到外壁21或被压到外壁21中的开口中。

穿过测量设备1中的开口11，SF₆气体可渗透到测量室12。在测量室12中，设置了用于测量SF₆气体的温度的温度测量元件13。温度测量元件13的电线从测量室12引出，其中电线从测量室12出来的通道被玻璃窗14密封(即，熔化在玻璃中)。

而且，压力传感器15被布置在测量室12中，其中压力传感器15被嵌入测量室12的后壁中。在优选实施例中，压力传感器15包括朝着测量室12暴露的压力膜。以这种方式，SF₆气体直接作用于膜上，且压力传感器15测量测量室12中的SF₆气体的压力。在测量室12中，温度测量元件13被布置在压力传感器15的正前方邻近区域中，使得测量室12中的所测量的压力和所测量的温度与相同的SF₆气体共享相关。该膜与测量室12气密地密封在一起并将测量室12密封。

压力传感器15和温度测量元件13被电连接到处理设备16，其中压力传感器15和温度测量元件13将其各自的测量信号传输到处理设备16。在处理设备16中，SF₆气体的模拟密度信号ρ_模拟从模拟压力信号p_模拟和相应的模拟温度信号T_模拟建立，并借助于前述维里真实气体方法输出。此外，所测量的模拟温度信号T模拟也直接由温度测量元件13输出。

测量设备1代表封闭的液密单元，其中温度测量元件13、压力传感器15和处理设备16基本上相对于彼此同轴地布置，使得温度测量元件13相对于测量室12中的绝缘室2布置在压力传感器15的上游，且后者又依次布置在处理设备16的上游。在测量设备1中的这个内部布置通过热绝缘套17绝缘而抵抗外部热影响。热绝缘套17可由绝缘材料例如热绝缘塑料泡沫组成。

图2示意性示出布置在测量设备1的下游的控制设备3，其包括可编程逻辑控制器(PLC)，且其中测量设备1所输出的模拟温度和密度信号ρ_模拟、T_模拟用作输入信号。在控制设备3中，测量设备1的模拟输出信号ρ_模拟、T_模拟在模数转换器4中被转换成数字信号ρ_数字、T_数字。数字信号ρ_数字、T_数字在中间存储在存储器5中，并进一步作为数据包经由通信接口6，例如在服务器，被双向地传递，其中进一步传递的信号最后用于通过评估软件建立趋势曲线。控制器提供对特定的预设密度值可编程的警报触头A₁、A₂、A₃等，以便指示SF₆气体密度的临界下降。而且，当前测量的填充量可通过附加的显示器7显示为正好在绝缘室2的邻近区域处或邻近区域中的实际值。

图3示出信号到执行评估软件的评估装置8的不同可能类型的远程数据传输，所述信号由绝缘室2中的测量设备1测量并进一步由控制设备3处理。在图3的情况A下，由控制设备3输出的信息例如经由固定的地下线直接传输到评估装置8。在图3的情况B下，由控制设备3输出的信息经由无线电传输而传输到评估装置8。在图3的情况C下，由控制设备3输出的信息经由无线电传输被馈送到计算机网络例如互联网(万维网)中，并经由服务器9传输到评估装置8。

在图4中，SF₆气体填充量的密度过程在图上随时间t的变化被示出。在这个视图中，在时间轴上的两条线之间的距离对应于一天。因此可认识到，例如密度ρ如何通过加热绝缘室2在一天内变化。从本图中可清楚地推断出，转换到标准值的填充体积V强烈地取决于在绝缘室2中的并因而来自SF₆气体温度的温度。

图5示出指示随时间t变化的单独的测量的SF₆气体密度ρ的温度补偿过程的图示。为此目的，对每个测量，SF₆气体温度被计算为补偿因子，以便补偿绝缘室2的温度相关的体积膨胀。SF₆气体密度ρ的趋势同样在该图中示出。可认识到，趋势线稍微向下倾斜并缓慢接近最小限值Min。当到达最小限值Min时，例如评估装置8可向用户输出声或视觉警告，使得对抗措施可被发起。而且，例如显示器7可向用户例如维修人员输出在绝缘室2的邻近区域中正好在原位的视觉信号。

在图6的图示中，示出了测量设备1的预定实际特征和相应的期望特征。从这些特征中，可确定信号差Δ，通过信号差，与期望过程比较的SF₆气体密度ρ的实际过程改变。

Claims (16)

1.一种用于确定在绝缘室(2)中的SF₆气体的填充量的测量设备(1)，包括压力传感器(15)、温度测量元件(13)和用于从压力测量值和相关温度测量值确定所述SF₆气体的填充量的处理设备(16)，其中所述测量设备(1)被布置成密封所述绝缘室(2)的开口，且待测量的所述SF₆气体直接作用于所述压力传感器(15)和所述温度测量元件(13)。

2.如权利要求1所述的测量设备(1)，其中所述温度测量元件(13)是在所述测量设备(1)中以气密方式被装上玻璃的温度传感器(13)。

3.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述压力传感器(15)包括膜。

4.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述温度测量元件(13)被布置在所述测量设备(1)中，在所述绝缘室(2)的方向上位于所述压力传感器(15)的所述膜的上游。

5.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述测量设备(1)由热绝缘套(17)包围。

6.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述绝缘室(2)是填充有SF₆绝缘气体的高压开关设备。

7.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述处理设备(16)被布置在所述测量设备(1)中，在所述绝缘室(2)的方向上位于所述压力传感器(15)和所述温度测量元件(13)的下游，并输出对应于气体填充量的信号。

8.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述处理设备(16)、所述压力传感器(15)和所述温度测量元件(13)基本上同轴地被布置在所述测量设备(1)中。

9.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所述测量设备(1)除了对应于所述气体填充量的信号以外还输出对应于气体温度的信号。

10.如前述权利要求中的任一项所述的测量设备(1)，其中所输出的信号是模拟信号并根据4-20mA标准被输出。

11.一种确定在绝缘室(2)中的SF₆气体的填充量的方法，其中：

测量设备(1)密封所述绝缘室(2)的开口并包括压力传感器(15)、温度测量元件(13)和处理设备(16)；

所述压力传感器(15)包括膜；

待测量的所述SF₆气体直接作用于所述压力传感器(15)的所述膜和所述温度测量元件(13)；以及

所述方法包括下列步骤：

通过所述压力传感器(15)测量所述SF₆气体的压力；

通过所述温度测量元件(13)直接测量所述SF₆气体的温度；

从气体压力测量值和相关气体温度测量值确定所述SF₆气体的密度；

从所述SF₆气体的密度确定所述SF₆气体的填充量；

输出对应于所述填充量的信号；

输出对应于所述气体温度的相关信号；以及

建立关于所述绝缘室(2)的泄漏的趋向。

12.如权利要求11所述的方法，其中利用对应于所述气体温度的相关信号来补偿对应于所述填充量的由所述绝缘室(2)的温度相关的体积膨胀引起的信号误差。

13.如权利要求11和12中的任一项所述的方法，其中在确定所述SF₆气体的密度的步骤中将维里真实气体方法考虑在内。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述维里真实气体方法基于结合有真实气体因子的普适气体方程，其中所述真实气体因子包含具有指数的至少一个变量，以便描绘对应于所述SF₆气体的真实行为的曲线函数。

15.一种用于监控在包括高压部件的绝缘室(2)中的SF₆气体的填充量的监控系统，包括根据权利要求1到10中的任一项所述的测量设备(1)以及包括评估装置(8)，所述评估装置(8)用于记录随着时间变化对应于填充量的信号，其中使用根据权利要求11到13中的任一项所述的方法来确定关于所述绝缘室(2)的泄露的趋势。

16.如权利要求15所述的监控系统，其中通过远程数据传输技术来执行到所述评估装置(8)的信号传输。

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