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[摘 要]设计了一种SF6断路器自动充气控制系统。该系统针对SF6断路器充气速率无法控制，充气精度差等问题，研究了充气时速率的控制技术、充气自动停止技术、压力检测补偿技术。试验结果表明，该系统控制精度高、充气结果稳定，可以很好的满足现场生产要求。
[关键词]SF6断路器；自动充气；速率控制；自动停止
中图分类号：TG113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0219-02
引言
高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它担负着控制和保护的双重任务，如断路器不能在电力系统发生故障时及时开断，就可能扩大事故范围，造成大面积停电。六氟化硫（SF6）耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料。SF6断路器以其优良的灭弧性能、机械性能、维护简单和使用寿命长等优点在电力系统中得到了广泛使用，在电网中占有的比重也越来越高。
SF6断路器运行中发生的故障有很多种，其中气体泄露是最常见的缺陷[1]。SF6断路器出现气体泄漏、压力突降，轻则造成开关分合闸闭锁，重则造成断路器内绝缘击穿或断路器爆炸，泄漏的SF6气体还会导致人员中毒。现存的充气技术主要是靠人工控制，充气速率靠加压阀来控制，通过听充气管道的中的充气声音来控制速率[2]，同时充气要留意两个压力表的读数，而且在加气过程中要轻拍设备压力表，因为该压力表有可能会出现卡阻造成读数不准确[3]。充气结束时，完全靠人工来停止充气，压力控制精度差。本文针对上诉问题，提出一种新型的自动充气技术。
1 自动充气系统设计
1.1 硬件系统设计
本自动充气系统主要由气压传动部分、电气控制部分以及外壳结构体三部分组成。其中气压传动部分主要由气体管道、节流阀、电磁换向阀等元件组成，其中电磁换向阀同时也是电气回路中的执行元件。
由于气压传动部分起着连接气瓶与气室的通道作用，要求气路可通可断、流量大小可调。气压传动方案见图1所示，利用了两个两位两通电磁阀，当A、B都不带电时，气路断开，当仅A带电时，小流量充气，仅B带电时大流量充气，A、B同时带电时更大流量充气。
根据系统的构成及充气过程的分阶段策略，在气压传动线路中增加气压传感器，流量传感器，然后利用PLC组成一个闭环自动控制系统，拟定系统的工作原理图如图2所示，有两个压力传感器分别检测限压阀后和气室入口处的压力。其中，假定两电磁阀处于常闭状态，即两电磁阀不带电时，气路是完成断开的。系统的工作过程如下：首先是通过触摸式输入装置设定气室所需达到的气体压力值1及一个小于该值的设定值2，工作时，PLC读取两个气压传感器的数值，判断当限压阀后（气瓶输出端）的气压达到要求时，将气室压力设定值与气室入口处的气压传感器的反馈值作比较，如果气室的压力小于设定值1时，表示气室压力远低于要求，则通过PLC控制电磁阀A和B带电，则气路导通，气瓶通过电磁阀A及B向气室快速充气；当气室处压力传感器的反馈值大于设定值1小于设定值2时，说明气室压力接近要求，此时PLC控制电阀A导通，电磁阀B截止，則气瓶通过电磁A、节流阀、流量传感器和压力传感器向气室进行小流量充气，保证充气平稳，当气室压力达到设计值2时，则控制电磁阀A、B同时断开，气路被切断，完成充气过程。
1.2 控制系统设计
电气原理框图如图3所示：
根据系统的原理及选好的硬件型号，拟定系统的电气接线原理如图4所示。电源板输出24VDC，分别用于对PLC及各传感器电路供电。PLC通过端口Y4T和Y5与电磁阀A及B相连，可以控制电磁阀的开关。压力传感器采集的信息通过模拟量模块传入到PLC中，触摸屏通过RS232串口实现与PLC的通信，完成字符的显示和输入
控制系统的软件采用了松下PLC专用的编程工具进行了编程。程序流程如图5所示，系统通过检测压力传感器的值决定是否打开电磁阀进行充气。其中压力传感器A检测的是储气瓶限压阀出口的压力，只有该压力足够大才能向气室充气。气室充气的过程分阶段进行，当气室压力小于设定值1时，同时打开A、B两电磁阀进行大流量充气，当气室压力大于设定值1小于设定值2（最终气室的应该达到的压力）时，关闭电磁阀B，打开电磁阀A进行小流量充气，直到压力达到设定值2。
2.压力检测补偿技术
2.1 压力检测的误差补偿
因为SF6气室与气瓶之间是通过充气管道连接的，管道内壁属于软件性材料，会造成压差，而气压传感器又不能直接放在两端，故会带来测量误差，解决办法是通过实验法，把数据统计出来，输入到PLC进行补偿，通过实验，当测得的气室压力与实际气室压力见表1所示
则应得传感器的检测值加上补偿值作为气室的压力值。根据一系列的实验下测得的不同数据，在不同检测值时，利用PLC进行压力值的补偿。另外还通过电磁阀的定时开关时间的长短判断，让气体压力值尽量接近气室压力值。
2.2 压力检测温度补偿
SF6在不同温度下压力值的大小对其绝缘及灭弧性能有重大的影响，直接关系到SF6电气设备性能的正常发挥，因此，在对SF6电气设备进行充气时，一般都要通过查表确定在当前温度环境下气室应该达到的压力值，然后对其进行设定，使充气压力达到要求。由于环境是多变的，故在使用SF6充气设备，每次都要测量温度并查表确定充气压力，给充气工作带来诸多的额外辅助工作，费时费力。所以，本项目拟充分利用PLC智能控制的特点，采用温度补偿的方法去解决这个问题。具体方法如下：
（1）SF6设备压力温度曲线如图6所示，制作成表格，并在PLC编程中实现对表格数据表的读取。
Pt-额定密度下t-p曲线，Pe-闭锁密度下t-p曲线
（2）在PLC控制系统中安装有温度传感器，能采集环境的温度值并传入到PLC中，PLC根据当前的温度值，从表中取出相应的压力补偿值。
（3）然后PLC读取操作界面设备的压力值（该数值通常为用户根据温度为20℃时对SF6设备所要求的压力值的设定，即为压力标准值），将该压力值加上从数据表中读取得到的压力补偿值，并将作为气室的充气的控制压力。
例如：当温度为35℃时，通过表格查到相当于20℃时的压力补偿值为0.05MPa，则将该值加上目标设定值作为气室的压力控制目标，控制电磁阀开关直到气室的压力达到该值才终止。
3.结论
（1）利用PLC控制实现了对SF6断路器进行自动充气，充气效率高，操作简便。
（2）提出了充气过程分段策略，并对气室的压力进行误差补偿和温度补偿，保证了充气的准确性。
参考文献
[1] 杨刚. SF6断路器常见故障及分析处理浅析. 科技创新导报[J]. 2013，23：93.
[2] 路玉峰. LW8-35型户外高压SF6断路器补充气方法及操作步骤. 电世界[J]. 2010，11：34-35.
[3] 蔡振文. SF6高压设备补充气工作程序.电世界[J].2009，14：26-27.
[关键词]SF6断路器；自动充气；速率控制；自动停止
中图分类号：TG113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0219-02
引言
高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它担负着控制和保护的双重任务，如断路器不能在电力系统发生故障时及时开断，就可能扩大事故范围，造成大面积停电。六氟化硫（SF6）耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料。SF6断路器以其优良的灭弧性能、机械性能、维护简单和使用寿命长等优点在电力系统中得到了广泛使用，在电网中占有的比重也越来越高。
SF6断路器运行中发生的故障有很多种，其中气体泄露是最常见的缺陷[1]。SF6断路器出现气体泄漏、压力突降，轻则造成开关分合闸闭锁，重则造成断路器内绝缘击穿或断路器爆炸，泄漏的SF6气体还会导致人员中毒。现存的充气技术主要是靠人工控制，充气速率靠加压阀来控制，通过听充气管道的中的充气声音来控制速率[2]，同时充气要留意两个压力表的读数，而且在加气过程中要轻拍设备压力表，因为该压力表有可能会出现卡阻造成读数不准确[3]。充气结束时，完全靠人工来停止充气，压力控制精度差。本文针对上诉问题，提出一种新型的自动充气技术。
1 自动充气系统设计
1.1 硬件系统设计
本自动充气系统主要由气压传动部分、电气控制部分以及外壳结构体三部分组成。其中气压传动部分主要由气体管道、节流阀、电磁换向阀等元件组成，其中电磁换向阀同时也是电气回路中的执行元件。
由于气压传动部分起着连接气瓶与气室的通道作用，要求气路可通可断、流量大小可调。气压传动方案见图1所示，利用了两个两位两通电磁阀，当A、B都不带电时，气路断开，当仅A带电时，小流量充气，仅B带电时大流量充气，A、B同时带电时更大流量充气。
根据系统的构成及充气过程的分阶段策略，在气压传动线路中增加气压传感器，流量传感器，然后利用PLC组成一个闭环自动控制系统，拟定系统的工作原理图如图2所示，有两个压力传感器分别检测限压阀后和气室入口处的压力。其中，假定两电磁阀处于常闭状态，即两电磁阀不带电时，气路是完成断开的。系统的工作过程如下：首先是通过触摸式输入装置设定气室所需达到的气体压力值1及一个小于该值的设定值2，工作时，PLC读取两个气压传感器的数值，判断当限压阀后（气瓶输出端）的气压达到要求时，将气室压力设定值与气室入口处的气压传感器的反馈值作比较，如果气室的压力小于设定值1时，表示气室压力远低于要求，则通过PLC控制电磁阀A和B带电，则气路导通，气瓶通过电磁阀A及B向气室快速充气；当气室处压力传感器的反馈值大于设定值1小于设定值2时，说明气室压力接近要求，此时PLC控制电阀A导通，电磁阀B截止，則气瓶通过电磁A、节流阀、流量传感器和压力传感器向气室进行小流量充气，保证充气平稳，当气室压力达到设计值2时，则控制电磁阀A、B同时断开，气路被切断，完成充气过程。
1.2 控制系统设计
电气原理框图如图3所示：
根据系统的原理及选好的硬件型号，拟定系统的电气接线原理如图4所示。电源板输出24VDC，分别用于对PLC及各传感器电路供电。PLC通过端口Y4T和Y5与电磁阀A及B相连，可以控制电磁阀的开关。压力传感器采集的信息通过模拟量模块传入到PLC中，触摸屏通过RS232串口实现与PLC的通信，完成字符的显示和输入
控制系统的软件采用了松下PLC专用的编程工具进行了编程。程序流程如图5所示，系统通过检测压力传感器的值决定是否打开电磁阀进行充气。其中压力传感器A检测的是储气瓶限压阀出口的压力，只有该压力足够大才能向气室充气。气室充气的过程分阶段进行，当气室压力小于设定值1时，同时打开A、B两电磁阀进行大流量充气，当气室压力大于设定值1小于设定值2（最终气室的应该达到的压力）时，关闭电磁阀B，打开电磁阀A进行小流量充气，直到压力达到设定值2。
2.压力检测补偿技术
2.1 压力检测的误差补偿
因为SF6气室与气瓶之间是通过充气管道连接的，管道内壁属于软件性材料，会造成压差，而气压传感器又不能直接放在两端，故会带来测量误差，解决办法是通过实验法，把数据统计出来，输入到PLC进行补偿，通过实验，当测得的气室压力与实际气室压力见表1所示
则应得传感器的检测值加上补偿值作为气室的压力值。根据一系列的实验下测得的不同数据，在不同检测值时，利用PLC进行压力值的补偿。另外还通过电磁阀的定时开关时间的长短判断，让气体压力值尽量接近气室压力值。
2.2 压力检测温度补偿
SF6在不同温度下压力值的大小对其绝缘及灭弧性能有重大的影响，直接关系到SF6电气设备性能的正常发挥，因此，在对SF6电气设备进行充气时，一般都要通过查表确定在当前温度环境下气室应该达到的压力值，然后对其进行设定，使充气压力达到要求。由于环境是多变的，故在使用SF6充气设备，每次都要测量温度并查表确定充气压力，给充气工作带来诸多的额外辅助工作，费时费力。所以，本项目拟充分利用PLC智能控制的特点，采用温度补偿的方法去解决这个问题。具体方法如下：
（1）SF6设备压力温度曲线如图6所示，制作成表格，并在PLC编程中实现对表格数据表的读取。
Pt-额定密度下t-p曲线，Pe-闭锁密度下t-p曲线
（2）在PLC控制系统中安装有温度传感器，能采集环境的温度值并传入到PLC中，PLC根据当前的温度值，从表中取出相应的压力补偿值。
（3）然后PLC读取操作界面设备的压力值（该数值通常为用户根据温度为20℃时对SF6设备所要求的压力值的设定，即为压力标准值），将该压力值加上从数据表中读取得到的压力补偿值，并将作为气室的充气的控制压力。
例如：当温度为35℃时，通过表格查到相当于20℃时的压力补偿值为0.05MPa，则将该值加上目标设定值作为气室的压力控制目标，控制电磁阀开关直到气室的压力达到该值才终止。
3.结论
（1）利用PLC控制实现了对SF6断路器进行自动充气，充气效率高，操作简便。
（2）提出了充气过程分段策略，并对气室的压力进行误差补偿和温度补偿，保证了充气的准确性。
参考文献
[1] 杨刚. SF6断路器常见故障及分析处理浅析. 科技创新导报[J]. 2013，23：93.
[2] 路玉峰. LW8-35型户外高压SF6断路器补充气方法及操作步骤. 电世界[J]. 2010，11：34-35.
[3] 蔡振文. SF6高压设备补充气工作程序.电世界[J].2009，14：26-27.