SF6密度表和密度继电器结构与工作原理的探讨

　　摘　要：SF6断路器作为近代发展起来的新型高压电气开关设备，以其优越的性能、安全可靠、维护方便和使用寿命长等优势，在电力系统中得到了广泛的应用，但是有很多同事对SF6断路器的关键部件SF6气体压力表、密度表、密度继电器的知识仍然欠缺，给安装、检修等工作带来一些困难，甚至会影响工作质量，对运行中的设备一些本属于正常状态的现象产生误解。本文主要介绍SF6气体密度表和SF6气体密度继电器的结构、工作原理以及注意事项，以供参考。

　　所谓密度，是指某一特定物质在特定条件下单位体积的质量。SF6断路器中的SF6气体是密封在一个固定不变的容器内的，在20℃时的额定压力下，它具有一定的密度值，在断路器运行的各种允许条件范围内，尽管SF6气体的压力随着温度的变化而变化，但是，SF6气体的密度值始终不变。因为SF6断路器的绝缘和灭弧性能在很大程度上取决于SF6气体的纯度和密度，所以，对SF6气体纯度的检测和密度的监视显得特别重要。如果采用普通压力表来监视SF6气体的泄漏，那就会分不清是由于真正存在泄漏还是由于环境温度变化而造成SF6气体的压力变化。为了能达到经常监视密度的目的，国家标准规定，SF6断路器应装设压力表或SF6气体密度表和密度继电器。压力表或SF6气体密度表是起监视作用的，密度继电器是起控制和保护作用的。

　　在SF6断路器上装设的SF6气体密度表，带指针及有刻度的称为密度表；不带指针及刻度的称为密度继电器或密度压力开关；有的SF6气体密度表也带有电触点，即兼作密度继电器使用。它们都是用来测量SF6气体的专用表计。

　　1— 弹性金属曲管；2—齿轮机构和指针；3—双层金属带；4—压力增大时的运动方向；5—压力减小时的运动方向。

　　图 SF6气体密度表的结构

　　SF6气体密度表的结构原理。上图所示的SF6气体密度表主要由弹性金属曲管1、齿轮机构和指针2、双层金属带3等零部件组成，实际上是在弹簧管式压力表机构中加装了双层金属带而构成的。空心的弹性金属曲管1与断路器相连，其内部空间与断路器中的SF6气体相通，弹性金属曲管1的端部与起温度补偿作用的双金属带3铰链连接，双层金属带3与齿轮机构和指针机构2铰链连接。

　　SF6气体密度表的工作原理

　　1.当密度表没有安装使用时，如果环境温度是20℃，，指针2指向0MP，但如果环境温度不是20℃时，因为双层金属带3是按照环境温度与20℃的差进行补偿的，所以，当环境温度高于20℃时，双层金属带3伸长，其下端将向5的方向发生位移，带动齿轮机构和指针2向密度或压力指示值减小的方向移动，指针2的读数小于0MP；否则，当环境温度低于20℃时，齿轮机构和指针2将向密度或压力指示值增大的方向移动，指针2的读数大于0MP。

　　2.当向断路器充SF6气体的过程中，随着气体压力的逐步升高，弹性金属曲管1的端部向4的方向发生位移，双层金属带3始终按20℃进行补偿，也随着向4的方向发生位移，带动齿轮机构和指针2向密度或压力指示值增大的方向移动，其指示值变大。密度表或压力表的指示值不仅与压力有关，而且还与温度有关。在对断路器充SF6气体过程中，由于SF6气体突然膨胀降压，温度一般由环境温度降至0℃以下，双层金属带3始终按20℃进行补偿，而不能对SF6气体的实际温度与环境温度之间的温差进行补偿，所以，在这种情况下，密度表的指示值即不能代表SF6气体的实际温度下的密度或压力值，也不能代表环境温度下的密度或压力值，更不能代表20℃时的密度或压力值。

　　3.当断路器充入SF6 气体后，等待一段时间，使SF6断路器内部温度升高至与外部环境温度达到平衡后，调整SF6气体至额定密度或压力值，这时，不管SF6气体受环境温度的影响使其压力增大还是减小，由于双层金属带3的温度补偿作用，密度表的指针始终指向20℃时的额定压力或密度值不变。

　　4.当断路器退出运行后，如果断路器内部SF6气体的温度与外部环境温度达到平衡时，其指示的密度或压力值将不随外部环境温度的变化而变化。当环境温度升高时，断路器内部SF6气体的温度也随着升高，压力也随之增大，弹性金属管1的端部向4的方向移动，有带动指针向密度或压力值增大的方向移动的趋势，但是，由于双层金属带3随环境温度升高而伸长，其下端向5的方向移动，那么，两者的变化量完全抵消，其结果是指针的指示值不变，即：自动折算到20℃时的密度或压力值保持不变，反之，当环境温度降低时，指针的指示值也保持原来的密度或压力值不变。

　　5.当断路器由于某种原因，如漏气或做试验时取气等，使SF6气体质量减少，压力变小，弹性金属管1的端部向5的方向移动，环境温度引起的压力变化由双层金属带3进行补偿，带动指针2向指示值减小的方向移动，其结果是指针指示的密度或压力值变小。由于密度表带有两对电接点，供SF6气体密度降低时发信号和闭锁断路器用，指针2降到一定的位置就发补气信号或闭锁断路器。

　　使用SF6气体密度或压力表的注意事项。密度表只有在SF6断路器退出运行时，而且在断路器内外温度达到平衡之后，才能准确测量出SF6气体的密度或压力值；SF6断路器在运行时，密度表读数误差的大小，取决于断路器的负荷电流和回路电阻所引起的温升的大小。

　　SF6气体密度继电器结构原理。SF6气体密度继电器主要是由两个波纹管、标准SF6气体包、微动开关触点、杠杆等组成。C1-L1是作为SF6气体降低时报警的电触点63GA，C2-L2是作为SF6气体降低时闭锁断路器的电触点63GL。

　　1—波纹管；2—波纹管；3—标准SF6气体；4—微动开关电触点；5—轴；6—杠杆

　　图 SF6气体密度继电器结构

　　SF6气体密度继电器工作原理

　　1.它是以密封在波纹管1外侧的与断路器中SF6气体连通的SF6气体包，通过以轴5为支撑点的杠杆6，与密封在波纹管2外侧的标准气体包3进行比较，带动微动开关电触点4动作，实现其发信号和闭锁功能。

　　2.当断路器退出运行时，而且断路器中SF6气体在额定密度或压力时的温度与外界环境温度相等时，波纹管1外侧SF6气体的状态与波纹管2外侧标准SF6包3的状态相同，以轴5为支撑点的杠杆6保持在某一平衡位置，使微动开关电触点4在打开位置，随着环境温度的变化，两侧的SF6气体的压力同时发生变化，因此，作用在以轴5为支撑点的杠杆仍然保持在某一平衡位置，微动开关电触点4仍然保持在打开位置不变。

　　3.当断路器退出运行时，而且断路器中SF6气体的温度与外界环境温度相等时，如果断路器泄漏SF6气体，波纹管1外侧SF6气体的压力将会减小，波纹管2外侧的标准SF6气体包3的压力保持不变，杠杆6失去平衡，其结果两端将会发生逆时针转动，达到新的平衡位置，漏气到一定程度时，就会使微动电接点4不同功能的电触点分别闭合，发出不同的指令或信号，实现其不同的功能。

　　4.当断路器投入运行时，标准SF6气体包3还是在环境温度下，由于负荷电流通过回路电阻时消耗的电功率转化为热能，使断路器内的SF6气体升温，产生压力增量，即：波纹管1外侧SF6气体的压力将会增大，就会推动杠杆6绕轴5顺时针转动，使微动开关电触点4不会闭合。在这种情况下，如果断路器泄漏SF6气体，波纹管1外侧SF6气体的压力将会减小。但是，由于温升的作用，要比断路器退出运行时泄漏更多的SF6气体，才能使微动开关电触点4闭合。

　　使用SF6密度继电器的注意事项。SF6气体密度继电器只有在断路器退出运行时，而且在断路器内外温度达到平衡后，才能准确测量出SF6气体的密度值；断路器运行时，如果断路器泄漏SF6气体，由于温升的作用，要比断路器退出运行时泄漏更多的SF6气体，才能够使密度继电器的电触点闭合。

　　SF6断路器密度表或密度继电器的校验，就是利用仪器自动折算出20℃时的SF6气体压力值，显示出各种温度和压力下的密度值，与仪器模拟的各种压力进行比较，以观察电触点的接触情况，能否在低压的规定值内发信号或闭锁断路器，来判断SF6断路器密度表或密度继电器的好坏。

　　在对SF6断路器的密度表和密度继电器的校验过程中，发现多台断路器的密度继电器不合格，而尚未发现密度表不合格现象，造成密度继电器不合格的原因可能是SF6标准气体包由于带着一根长长的细铜管，在安装或检修过程中，由于铜管的弯折或碰撞等原因造成标准SF6气体包内的压力增大而引起的；也可能是由于密度继电器波纹管损坏，造成密度继电器的标准气体包漏气，当断路器泄漏SF6气体时，C1-L1和C2-L2接点不能接通，致使密度继电器失去作用，严重威胁设备的安全运行甚至是系统安全，建议将密度继电器更换为密度表，一方面可以减少SF6气体管道和接头，即减少SF6气体泄漏的机率；另方面可以提高设备的运行可靠性。

　　在现场的实际工作中，给断路器充SF6气体时，经常有人认为多充些SF6气体，可以防止发补气和闭锁信号，确实，如果气体的压力充高些，会减小发补气和闭锁信号的机率，但是会加重断路器的各密封处的负担，有可能使断路器的密封处损坏，发生漏气现象，所以不提倡将SF6气体压力充高现象，应严格控制在标准以内。

　　SF6断路器是电力系统中重要的保护和控制元件，如果断路器发生故障，将会造成很大的经济损失，要保证断路器运行的可靠性，就必须经常监视断路器的各项指标，特别是SF6气体，必须到达有关标准的规定，使SF6断路器长期保持良好的工作状态。