CN102338672A - 金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法 - Google Patents

Abstract

一种金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法，属电力工程用的一种金属封闭式高压开关设备内部的温升测试监控方法。通过对金属封闭气体绝缘开关设备的内部气体压力值与温度的相关性研究，实现一种基于Beattie-Bridgman方程的内部温度变化测试方法，满足电力工程对金属封闭气体绝缘开关设备内部温升异常的监测要求。本发明简单、直观、安全，无需对GIS设备的结构和状态进行任何改动，就能满足电力系统现场对GIS设备的温升进行间接监测，提高了GIS设备的运行安全可靠性。

Description

金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法

技术领域

本发明涉及金属封闭开关设备内部温升测试方法，特别是电力工程用金属封闭SF₆气体绝缘开关设备的内部温升测试和监控方法，通过对金属封闭气体绝缘开关设备的内部气体压力值与温度的相关性研究，实现一种基于Beattie-Bridgman方程的内部温升测试方法，满足对金属封闭气体绝缘开关设备内部温度变化和温升异常的监测要求。

背景技术

金属封闭气体绝缘开关设备(以下简称GIS)因其全金属封闭结构，使所有直接进行的温度测量方法，对其内部温度变化和过热故障引起的异常温升均无法有效地进行测量和监视，而现有的密度监测装置表征的是密度参数并进行了就地温度补偿，理论上讲该参数是不会随温度变化的，所以也无法表现内部温升状况。

国内目前有通过设备外壳红外热像进行内部热场分布的研究，尚没有通过SF₆气体压力对GIS内部温升监测的技术方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、直观、安全的金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法。

本发明的目的是这样实现的：一种金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法，按以下步骤进行：

a)、GIS设备外部安装有常规的密度表，在该处并接一只高精度压力变送器，同时，设置温度传感器，用于分别采集SF₆气体密度和SF₆气体压力以及环境温度；

b)、气体压力与温度的换算，采用Beattie-Bridgman方程的公式：

p＝(RTB-A)d²+RTd

其中：A＝73.882×10^-5-5.132105×10^-7d；

B＝2.50695×10^-3-2.12283×10^-6d；

R＝56.9502×10^-5(bar·m³·kg^-1·K^-1)；

T＝273.15+t；

p：压力，bar；

d：密度，kg/m³；

T：热力学温度(绝对温度)，K；

t：摄氏温度，℃；

根据上式代入并化简，得到状态方程(压力p的单位为Pa)：

p＝(5.1321×10^-2-1.2087×10^-4T)d³+(1.4277×10^-1T-7.3882×10¹)d²+5.6950×10¹Td；

c)、气体密度d的确定：在GIS设备停运状态且温度平衡并稳定后(SF₆气体温度可视为等于环境温度)，测量SF₆气体压力p(绝对压力)，环境温度t，代入上式，编程用牛顿迭代法求解，计算出密度d。在SF₆气体无泄漏的情况下实时监测中，气体密度d视为常量。在GIS设备内部气体发生变化后，需重新初始化，按上述方法确定气体密度d。

d)、压力变送器精度的确定：如20℃时非断路器气室SF₆的充气压力0.4MPa(绝对压力0.5MPa)，得到SF₆气体密度为31.867kg/m³。代入并化简，可得该密度下的等密度线方程为：

t＝5.1127×10^-4p-235.64

若压力p的单位以MPa计，则：t＝511.27p-235.64；

由此可见，每0.01MPa的压力变化大致对应5℃的气体温度变化，而压力变化0.2MPa对应的是GIS设备内部100K温升。

电力工程的GIS设备SF₆气体充气压力在0.35～0.65MPa范围内，采用-0.1～0.9MPa量程准确度0.25％及以上的高精度压力变送器，则压力分辨率为0.0025MPa，相应的气体温度理论分辨率为1.3℃左右。

e)、运行的GIS设备监测：高精度压力变送器实时测量SF₆气体压力，温度传感器实时测量环境温度。用下式计算SF₆气体温度：

$t=\frac{5.1321\×{10}^{-2}{d}^3-7.3882\×{10}^1{d}^2-p}{1.2087\×{10}^{-4}{d}^3-1.4277\×{10}^{-1}{d}^2-5.6950\×{10}^{1}d}-273.15$

该温度值进行环境温度修正后，即为运行中SF₆气体的温升。消除负荷电流、日照等影响，即可表征GIS设备内部有无异常温升的情况。

本方法发明的积极效果是：

长期以来，电力系统对运行中的GIS设备内部温度没有任何方法进行测量，其内部由于接触面氧化、紧固松动、圈簧(退火、断裂)压力变化等电气接触不良引起的温度异常上升，一直没有有效地方式进行监测，往往是演变成为了事故后，这些缺陷故障才被暴露出来，由于GIS设备的安装位置均是大城市中心和枢纽变电站等非常重要的地方，所以一旦GIS设备发生事故都会造成非常恶劣的影响。

本方法通过压力进行的内部温升测试方法，使GIS设备的内部温度异常升高有了测试方法。再配合自主研发监测分析管理系统监测、分析后，对过热型缺陷故障发出预警或报警，运行单位采取必要的安全技术措施，对异常间隔进行隔离，以消除设备缺陷故障。本方法适用于电力工程所有金属封闭气体绝缘开关设备(GIS)，测试器件安装方便、监测方法简单、直观、有效，能保证不影响GIS设备的安全运行，最大限度地避免了GIS内部过热型缺陷故障给电力系统带来的安全隐患和事故风险。同时SF₆气体是温室效应最强的温室气体，GIS设备发生事故往往会造成大量的SF₆气体外泄，造成环境污染。所以，无论从“节能减排”保护环境，还是保障供电让民众安居乐业，其社会效益都是巨大的。

本方法简单、直观、安全，无需对GIS设备的结构和状态进行任何改动，就能满足电力系统现场对GIS设备的温升，进行间接监测，提高了GIS设备的运行安全可靠性。

附图说明

图1是GIS内部温升测试装置示意图；

图2是SF₆气体的压力-温度-密度特性关系图；

图3是GIS内部SF₆压力-时间特性关系图。

具体实施方式

图1中，1、GIS设备；2、逆止阀；3、密度表；4、高精度压力变送器。

Beattie-Bridgman方程表征SF6气体状态的密度、温度、压力关系。

本发明基于Beattie-Bridgman方程的内部温升测试方法，是以p＝(RTB-A)d²+RTd式的Beattie-Bridgman方程，通过监测SF6气体压力变化，作为计算GIS内部温度变化依据。同时，内部温升测试方法已被本发明人运用到对GIS设备内部过热型缺陷故障的判别和示警中。

本发明基于Beattie-Bridgman方程的GIS设备内部温升测试监控方法，按以下步骤进行：

a)、在GIS设备现有的密度表处，并接一只高精度的压力变送器，采集SF₆气体压力和环境温度；

b)、就地数据采集装置将实时采集的压力和温度值，传送到GIS设备过热监测分析管理系统，系统对这些数据进行存储、计算、对比等分析；

c)、对比分析既有本气室每时段温升值纵向的比较(参见图3，ΔPm为气体压力上升饱和值)，同时还有相同安装位置、相近气体压力、相同负荷电流气室之间横向的相对比较。监测分析管理系统根据分析结果做出GIS设备内部温升是否异常的判断。

d)、GIS设备内部温升异常时，预警信号或报警信号发送方式有就地和远程。远程发送采用内部局域网和GPRS无线网。

本方法的主要功能与技术指标：

主要功能：采用高精度的压力变送器和温度传感器，对运行中的GIS设备内部温升和环境温度进行实时监测，并通过GIS设备过热监测分析管理系统运用斜率法和差值法，分析GIS设备内部是否存在过热型缺陷或故障，当温升异常达到警示阈值时发出预警或报警信号，通知运行维护人员进行相应处理。

技术指标：压力测量范围：-0.1～0.9MPa；

压力测量精度：0.1％；

温升测量范围：0～250K；

环境温度测量范围：-20～80℃；

数据接口协议：RS232。

传感器名称：

带温度测量的压力变送器(德国WIKA公司)，型号：D-10。

传感器技术参数：

压力范围：-0.1～0.9MPa；

测量精度：0.1％；

温度范围：-20～80℃；

信号输出：RS232。

Claims (2)

1.一种金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法，按以下步骤进行：

a)、金属封闭绝缘开关设备即GIS设备外部安装常规的密度表，在该处并接一只高精度压力变送器，同时，设置温度传感器，用于分别采集SF₆气体密度和SF₆气体压力以及环境温度；

b)、SF₆气体压力与SF₆气体温度的换算，采用Beattie-Bridgman方程的公式：

p＝(RTB-A)d²+RTd；

其中：A＝73.882×10^-5-5.132105×10^-7d；

B＝2.50695×10^-3-2.12283×10^-6d；

R＝56.9502×10^-5(bar·m³·kg^-1·K^-1)；

T＝273.15+t；

p：SF₆气体压力，bar；

d：SF₆气体密度，kg/m³；

T：SF₆气体温度，K；

t：摄氏温度，℃

代入上式并化简，得到状态方程，其中，压力p的单位为Pa：

p＝(5.1321×10^-2-1.2087×10^-4T)d³+(1.4277×10^-1T-7.3882×10¹)d²+5.6950×10¹Td；

c)、在GIS设备处于停运状态且温度平衡并稳定后，SF₆气体温度视为等于环境温度，测量SF₆气体压力p，环境温度t，代入上式，编程用牛顿迭代法求解，计算出密度d；在SF₆气体无泄漏的情况下实时监测中密度d视为常量；在GIS设备内部气体发生变化后，需重新初始化，按上述方法确定气体密度d；

d)、压力变送器精度的确定：如20℃时SF₆气体绝对压力0.5MPa，得到SF₆气体密度为31.867kg/m³；代入上述并简化，可得该密度下的等密度线方程为：

t＝5.1127×10^-4p-235.64

若压力p的单位以MPa计，则：t＝511.27p-235.64；

由此可见，每0.01MPa的压力变化大致对应5℃的气体温度变化，而压力变化0.2MPa对应的是GIS设备内部100K温升；

电力工程的GIS设备SF₆气体充气压力在0.35～0.65MPa范围内，采用-0.1～0.9MPa量程准确度0.25级及以上的高精度压力变送器，则压力分辨率为0.0025MPa，相应的气体温度理论分辨率为约1.3℃；

e)、运行的GIS设备监测：高精度压力变送器实时测量SF₆气体压力，温度传感器实时测量环境温度，用下式计算SF₆气体温度：

$t=\frac{5.1321\×{10}^{-2}{d}^3-7.3882\×{10}^1{d}^2-p}{1.2087\×{10}^{-4}{d}^3-1.4277\×{10}^{-1}{d}^2-5.6950\×{10}^{1}d}-273.15$

其中考虑消除负荷电流和日照影响因素，温度值进行环境温度修正后，即为运行中SF₆气体的温升，即可表征GIS设备内部有无异常温升的情况；

上述就地数据采集装置将实时采集的压力和温度值，传送到GIS设备过热监测分析管理系统，系统对这些数据进行存储、计算、对比分析；对比分析既有本气室每时段温升值纵向的比较，同时还有相同安装位置、相近气体压力、相同负荷电流气室之间的横向的相对比较；该监测分析管理系统根据分析结果做出GIS设备内部温升是否异常的判断，GIS设备内部温升异常达到警示阈值时发出预警信号或报警信号。

2.根据权利要求1所述一种金属封闭气体绝缘开关设备内部温升测试监控方法，其特征是：采用高精度的压力变送器和温度传感器，对运行中的GIS设备内部温度和环境温度进行实时监测。通过自主研发的GIS设备过热监测分析管理系统，运用Beattie-Bridgman方程计算压力——温度变化，采用本气室每时段温升值纵向的比较和相同安装位置、相近气体压力、相同负荷电流气室之间横向的相对比较，分析判断GIS设备内部是否存在过热型缺陷或故障，当温升异常达到警示阈值时发出预警或报警信号，通知运行维护人员进行相应处理；所述e步中预警信号或报警信号发送方式有就地和远程，远程发送采用内部局域网和GPRS无线网发送，以通知运行维护人员进行相应处理。

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