鐘世強(qiáng)， 范明豪， 許一力， 祁 炯， 黃海龍

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230022; 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

SF6氣體廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中，SF6氣體密度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響設(shè)備的工作性能[1,2]。SF6密度監(jiān)測(cè)容易受環(huán)境、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及運(yùn)維等方面的影響，存在密度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確的問(wèn)題[3]?；诖?，對(duì)其開展有效的在線監(jiān)測(cè)，為事故預(yù)防或故障判斷提供數(shù)據(jù)以及掌握GIS的運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性作用巨大。

目前，GIS氣室的SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)常采用機(jī)械式配合使用數(shù)字式遠(yuǎn)傳密度繼電器的方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)密度、壓力和溫度信號(hào)的顯示、報(bào)警以及閉鎖的接點(diǎn)信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳輸出功能[4]。但由于固定點(diǎn)取樣，且SF6氣體測(cè)量區(qū)域氣體無(wú)流動(dòng)，會(huì)形成靜態(tài)死區(qū)，GIS密度表不能有效反映GIS內(nèi)部的實(shí)際壓力值與密度(通過(guò)溫度、壓力值換算得出)。

當(dāng)GIS產(chǎn)品存在故障時(shí)，SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生硫化物(主要有SO2、H2S、SOF2、SF4和SO2F2)、氟化物(主要有HF、CF4和金屬氟化物)和碳化物(主要有CO、CO2和低分子烴)。上述分解物中除SO2、H2S、CO和CF4毒性較小外，其它都是劇毒物，在設(shè)備內(nèi)部的含量極少且極不穩(wěn)定，若不能實(shí)施即時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，則會(huì)迅速被GIS內(nèi)置的吸附劑吸收，故障氣體無(wú)法有效獲取供進(jìn)一步分析。其中SOF2、SF4等又會(huì)進(jìn)一步水解產(chǎn)生SO2和HF。大量故障實(shí)例分析表明，H2S是熱固型環(huán)氧樹脂裂解的特征組分，且CO、CF4、C3F8氣體可作為GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與帶電檢測(cè)的特征氣體[5-7]。因此，檢測(cè)氣室中SO2、H2S、HF、CO、CF4和C3F8等特征氣體的含量，可為快速診斷出設(shè)備早期內(nèi)部故障提供支持。

本文設(shè)計(jì)了一種具有模擬氣體溫度變化、固定點(diǎn)取樣靜態(tài)死區(qū)及循環(huán)擾動(dòng)功能的模擬試驗(yàn)裝置，為GIS密度的精確計(jì)量提供技術(shù)參數(shù)支撐；同時(shí)設(shè)計(jì)一種新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)施其氣室內(nèi)部SF6密度、壓力及分解產(chǎn)物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，為故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)。

1 模擬試驗(yàn)裝置

1.1 原理及組成

模擬試驗(yàn)裝置包括GIS模擬裝置、環(huán)境溫度模擬室、加熱裝置、穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、壓縮機(jī)、換熱裝置、真空泵、SF6密度繼電器以及管路閥門等。圖1為裝置原理圖。

圖1 GIS密度在線監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)裝置原理圖

1-GIS模擬裝置；2-環(huán)境溫度模擬室；3-溫濕度控制裝置；4-加熱裝置；5-機(jī)械式SF6-密度繼電器；6-頂針式接頭；7-數(shù)字式SF6密度繼電器；8-補(bǔ)償器；9-管路延長(zhǎng)器；10-壓力變送器；11-壓力表1；12-安全閥；13-溫濕度變送器；14-溫度傳感器1；15-溫度傳感器2；16-壓力表2；17-壓縮機(jī)；18-壓力表3；19-換熱裝置；20-真空泵；21-真空計(jì)；22-管路接口1；23-管路接口2；24-SF6鋼瓶接口；25-穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置；26-SF6密度繼電器。

S1-14為手動(dòng)球閥，V1、V2為電動(dòng)球閥，V3為真空充氣電磁閥；新型GIS模擬裝置設(shè)置有安全閥，底部中間位置設(shè)有排污口及排污閥S4，內(nèi)部分別連接手動(dòng)球閥S2、S3、S5、S6的管路設(shè)有不同方向傾斜角度為45°的管路，使內(nèi)部SF6氣體充分?jǐn)_動(dòng)；溫濕度控制裝置用于模擬現(xiàn)場(chǎng)季節(jié)性、晝夜等外部環(huán)境影響溫度過(guò)程；加熱裝置內(nèi)置溫度傳感器，采用PID控溫方式，用于模擬電流通過(guò)導(dǎo)體溫升過(guò)程與GIS內(nèi)部發(fā)生故障情況。

1.2 工作方式與操作方法

1.2.1 系統(tǒng)自潔

打開手動(dòng)球閥S1、S2、S7、S8、S9、S12，開啟充氣電磁閥V3及真空泵，打開手動(dòng)球閥S11開始對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行抽真空自潔。真空計(jì)為133Pa時(shí)，開啟電動(dòng)球閥V1、V2及手動(dòng)球閥S10(務(wù)必確認(rèn)SF6鋼瓶閥門為關(guān)閉狀態(tài))，2分鐘后依次關(guān)閉手動(dòng)球閥S11、充氣電磁閥V3、真空泵、電動(dòng)球閥V1、V2及手動(dòng)球閥S1、S2、S7、S8、S9、S10、S12。

1.2.2 充裝SF6氣體

將SF6鋼瓶接口通過(guò)管路、減壓閥連接SF6鋼瓶。開啟換熱裝置，打開手動(dòng)球閥S1、S2、S7、S8、S9、S10、SF6鋼瓶閥，調(diào)整減壓閥出口壓力至0.7MPa，壓力表1顯示為0.6MPa時(shí)，依次關(guān)閉SF6鋼瓶閥、手動(dòng)球閥S10、S8、S7、S2、S1、S9及換熱裝置。

1.2.3 模擬靜態(tài)死區(qū)在線監(jiān)測(cè)

包括依次連接GIS模擬裝置、手動(dòng)球閥S13、管路延長(zhǎng)器、補(bǔ)償器、機(jī)械式SF6密度繼電器、頂針式接頭、數(shù)字式SF6密度繼電器的管路；機(jī)械式SF6密度繼電器、頂針式接頭、數(shù)字式SF6密度繼電器采用市場(chǎng)成熟產(chǎn)品；管路延長(zhǎng)器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)SF6密度繼電器固定點(diǎn)實(shí)際取樣情況制作多個(gè)。

(1)管路氣體回收。關(guān)閉手動(dòng)球閥S13，依次打開手動(dòng)球閥S9、S12、S2、S7、S8，開啟換熱裝置、電動(dòng)球閥V2、V1、壓縮機(jī)，壓力表2顯示為-0.01MPa時(shí)，依次關(guān)閉壓縮機(jī)、電動(dòng)球閥V2、V1、換熱裝置、手動(dòng)球閥S9、S12、S2、S7、S8。完成后將適合相應(yīng)模擬試驗(yàn)的管路延長(zhǎng)器進(jìn)行更換。

(2)抽真空。更換管路延長(zhǎng)器后，打開手動(dòng)球閥S12，開啟充氣電磁閥V3及真空泵，打開手動(dòng)球閥S14開始抽真空，真空計(jì)為133Pa時(shí)，依次關(guān)閉手動(dòng)球閥S14、S12、充氣電磁閥V3及真空泵。

(3)靜態(tài)死區(qū)監(jiān)測(cè)。完成抽真空后，開啟溫濕度控制裝置、加熱裝置，打開手動(dòng)球閥S13，機(jī)械式SF6密度繼電器、數(shù)字式SF6密度繼電器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)。同時(shí)，加熱裝置內(nèi)置溫度傳感器、壓力變送器、溫濕度變送器、溫度傳感器1、溫度傳感器2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，加熱裝置內(nèi)置溫度傳感器、溫濕度變送器達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定閾值時(shí)，程序自動(dòng)關(guān)閉溫濕度控制裝置、加熱裝置。

1.2.4 循環(huán)擾動(dòng)在線監(jiān)測(cè)

包括依次連接GIS模擬裝置、手動(dòng)球閥S1、S9、電動(dòng)球閥V1、V2、壓縮機(jī)、換熱裝置、穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、SF6密度繼電器、手動(dòng)球閥S8、S7、S2、S3、S5、S6管路。

(1)循環(huán)擾動(dòng)。打開手動(dòng)閥S2、S7、S8，開啟換熱裝置、電動(dòng)球閥V2、V1、壓縮機(jī)，打開手動(dòng)閥S1、S9，通過(guò)手動(dòng)閥S9調(diào)節(jié)壓力表2顯示≤0.2MPa，打開調(diào)節(jié)手動(dòng)閥S3、S5、S6開度情況，實(shí)現(xiàn)GIS模擬裝置內(nèi)部擾動(dòng)的均勻或大小。

(2)擾動(dòng)在線監(jiān)測(cè)。開啟溫濕度控制裝置、加熱裝置，打開手動(dòng)球閥S13，機(jī)械式SF6密度繼電器、數(shù)字式SF6密度繼電器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)。同時(shí)，加熱裝置內(nèi)置溫度傳感器、壓力變送器、溫濕度變送器、溫度傳感器1、溫度傳感器2、SF6密度繼電器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，加熱裝置內(nèi)置溫度傳感器、溫濕度變送器達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定閾值時(shí)，程序自動(dòng)關(guān)閉溫濕度控制裝置、加熱裝置。試驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉手動(dòng)閥S1、S9、壓縮機(jī)、電動(dòng)球閥V1、V2、換熱裝置、手動(dòng)球閥S8、S7、S2、S3、S5、S6。

1.3 試驗(yàn)

1.3.1 氣密性試驗(yàn)

將SF6鋼瓶接口通過(guò)管路、減壓閥連接高純氮?dú)怃撈?。打開手動(dòng)球閥S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8、S9、S10、氮?dú)怃撈块y、S13，調(diào)整減壓閥出口壓力至1.2MPa，開啟電動(dòng)球閥V1(壓力表2顯示0.25MPa時(shí)將其關(guān)閉)、V2，壓力表1顯示為1.1MPa時(shí)，依次關(guān)閉氮?dú)怃撈块y、手動(dòng)球閥S10。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 GIS密度在線監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)裝置氣密性試驗(yàn)記錄表

結(jié)論：經(jīng)保壓24小時(shí)后發(fā)現(xiàn)表中各壓力均無(wú)明顯變化，氣密性試驗(yàn)合格。

1.3.2 抽真空試驗(yàn)

環(huán)境為20 ℃、101.325 kPa情況下，打開手動(dòng)球閥S1、S2、S7、S8、S9、S12，開啟充氣電磁閥V3及真空泵，打開手動(dòng)球閥S11開始抽真空。真空計(jì)為133Pa時(shí)，記錄24 h內(nèi)真空度數(shù)值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 GIS密度在線監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)裝置真空保持試驗(yàn)記錄表

結(jié)論：經(jīng)24 h真空度保持試驗(yàn)后真空度為235 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3.3 循環(huán)擾動(dòng)試驗(yàn)

打開手動(dòng)閥S2、S7、S8，開啟換熱裝置、電動(dòng)球閥V2、V1、壓縮機(jī)，打開手動(dòng)閥S1、S9，通過(guò)手動(dòng)閥S9調(diào)節(jié)壓力表2顯示≤0.2MPa，打開調(diào)節(jié)手動(dòng)閥S3、S5、S6開度情況，實(shí)現(xiàn)GIS模擬裝置內(nèi)部擾動(dòng)的均勻或大小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 GIS密度在線監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)裝置循環(huán)擾動(dòng)試驗(yàn)記錄表

結(jié)論：通過(guò)調(diào)整S2、S3、S5、S6開關(guān)狀況滿足氣體充分?jǐn)_動(dòng)，壓力值變化在±0.005MPa范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置

2.1 原理及組成

新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置由限增壓裝置、限流裝置、過(guò)濾器、空壓機(jī)、特征氣體預(yù)警模塊、SF6密度繼電器、穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、微型真空泵及管路閥門等組成。圖2為裝置原理圖。

圖2 新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置原理圖

1-電磁閥V1；2-電磁閥V2；3-限流裝置；4-單向閥；5-增壓裝置；6-特征氣體預(yù)警模塊；7-SF6過(guò)濾器；8-電磁閥V3；9-空氣過(guò)濾器；10-空壓機(jī)；11-精密過(guò)濾器；12-帶壓力顯示減壓閥；13-電磁閥V4；14-安全閥；15-壓力表1；16-壓力表2；17-手動(dòng)閥S1；18-真空計(jì)；19-充氣電磁閥V5；20-微型真空泵；21-電磁閥Vn；22-電磁閥Vn+1；23-SF6密度繼電器；24-穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置；25-GIS氣室接口1；26-GIS氣室接口n。

增壓裝置利用大面積活塞端的低壓氣體驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的小面積活塞端的高壓流體，輸出氣壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)氣源壓力無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；空壓機(jī)是市場(chǎng)成熟產(chǎn)品，主要用于增壓裝置驅(qū)動(dòng)氣源；特征氣體預(yù)警模塊可測(cè)量SF6氣體的微水、H2S、SO2、HF、CO、CF4和C3F8含量，SF6密度繼電器可測(cè)量SF6氣體的壓力、溫度和密度，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)傳至后臺(tái)軟件進(jìn)行故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能化在線監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用上位機(jī)+PLC控制方式，系統(tǒng)開啟后，對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，發(fā)出指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及按程序執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。滿足故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)條件程序后，系統(tǒng)立刻聲光報(bào)警并通知值班人員采取預(yù)防措施，避免事故發(fā)生。系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)框圖

PLC輸入輸出控制：輸出電磁閥V1、V2、V3、V4、V5、Vn、Vn+1、真空泵及空壓機(jī)；輸入P1、P2壓力及機(jī)械式SF6密度繼電器信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集：SF6密度繼電器采集數(shù)據(jù)分別為GIS氣室SF6溫度、壓力、密度，特征氣體預(yù)警模塊采集數(shù)據(jù)分別為GIS氣室SF6微水、H2S、SO2、HF、CO、CF4和C3F8含量，上述數(shù)據(jù)通過(guò)PLC與無(wú)線通訊模塊RS485通訊，無(wú)線遠(yuǎn)傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控存儲(chǔ)并進(jìn)行故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)，模塊內(nèi)部設(shè)置閾值，出現(xiàn)異常輸出，設(shè)置的聲光報(bào)警立刻啟動(dòng)，便于快速鎖定故障位置。

2.3 工作方式與操作方法

2.3.1 管路自潔

將GIS氣室接口1，GIS氣室接口n接入相應(yīng)的GIS氣室，打開電磁閥V1、電磁閥V2、電磁閥V3、電磁閥Vn、電磁閥Vn+1、充氣電磁閥V5及真空泵，打開手動(dòng)閥S1開始對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行抽真空自潔。真空計(jì)為133Pa時(shí)，依次關(guān)閉手動(dòng)閥S1、充氣電磁閥V5、真空泵、電磁閥V1、電磁閥V2、電磁閥V3、電磁閥Vn、電磁閥Vn+1。

2.3.2 密度在線監(jiān)測(cè)

(1) GIS-1氣室動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)開啟電磁閥V1、電磁閥V2，開啟空壓機(jī)，調(diào)節(jié)減壓閥顯示為0.6MPa，此時(shí)增壓裝置后端輸出壓力為1.2MPa(通過(guò)壓力表2觀察)，再通過(guò)穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、SF6密度繼電器，再經(jīng)SF6過(guò)濾器過(guò)濾，然后開啟電磁閥V3，由于限流裝置阻隔，高壓氣體反充至GIS-1接口形成循環(huán)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。擾動(dòng)時(shí)間應(yīng)該階段性的，比如夏天2 h/次，冬天1 h/次。擾動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)SF6密度繼電器均等時(shí)間取5次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值。10min后，關(guān)閉電磁閥V2，壓力表1為0MPa時(shí)，關(guān)閉空壓機(jī)。穩(wěn)定5min后通過(guò)SF6密度繼電器均等時(shí)間取3次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值，然后依次關(guān)閉電磁閥V3、電磁閥V1。

(2)GIS-n氣室動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)開啟電磁閥Vn+1、電磁閥V2，開啟空壓機(jī)，調(diào)節(jié)減壓閥顯示為0.6MPa，此時(shí)增壓裝置后端輸出壓力為1.2MPa(通過(guò)壓力表2觀察)，再通過(guò)穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、SF6密度繼電器，再經(jīng)SF6過(guò)濾器過(guò)濾，然后開啟電磁閥Vn，由于限流裝置阻隔，高壓氣體反充至GIS-n接口形成循環(huán)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。擾動(dòng)時(shí)間應(yīng)該階段性的，比如夏天2 h/次，冬天1 h/次。擾動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)SF6密度繼電器均等時(shí)間取5次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值。10min后，關(guān)閉電磁閥Vn+1，壓力表1為0MPa時(shí)，關(guān)閉空壓機(jī)。穩(wěn)定5min后通過(guò)SF6密度繼電器均等時(shí)間取3次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值，然后關(guān)閉電磁閥Vn。

2.3.3 特征氣體判別

(1)GIS-1氣室監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)開啟電磁閥V1、電磁閥V2，開啟空壓機(jī)，調(diào)節(jié)減壓閥顯示為0.6MPa，此時(shí)增壓裝置后端輸出壓力為1.2MPa(通過(guò)壓力表2觀察)，再通過(guò)穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、特征氣體預(yù)警模塊，再經(jīng)SF6過(guò)濾器過(guò)濾，然后開啟電磁閥V3，由于限流裝置阻隔，高壓氣體反充至GIS-1接口形成循環(huán)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)特征氣體數(shù)據(jù)采集。擾動(dòng)時(shí)間應(yīng)該階段性的，比如夏天4 h/次，冬天2 h/次。擾動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)特征氣體預(yù)警模塊均等時(shí)間取3次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值。10min后，關(guān)閉電磁閥V2，壓力表1為0MPa時(shí)，關(guān)閉空壓機(jī)。穩(wěn)定5min后通過(guò)特征氣體預(yù)警模塊均等時(shí)間取5次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值，然后依次關(guān)閉電磁閥V3、電磁閥V1。

(2) GIS-n氣室監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)開啟電磁閥Vn+1、電磁閥V2，開啟空壓機(jī)，調(diào)節(jié)減壓閥顯示為0.6MPa，此時(shí)增壓裝置后端輸出壓力為1.2MPa(通過(guò)16壓力表2觀察)，再通過(guò)穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置、特征氣體預(yù)警模塊，再經(jīng)SF6過(guò)濾器過(guò)濾，然后開啟電磁閥Vn，由于限流裝置阻隔，高壓氣體反充至GIS-n接口形成循環(huán)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)特征氣體數(shù)據(jù)采集。擾動(dòng)時(shí)間應(yīng)該階段性的，比如夏天4 h/次，冬天2 h/次。擾動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)特征氣體預(yù)警模塊均等時(shí)間取3次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值。10min后，關(guān)閉電磁閥Vn+1，壓力表1為0MPa時(shí)，關(guān)閉空壓機(jī)。穩(wěn)定5min后通過(guò)SF6密度繼電器均等時(shí)間取5次樣，取其壓力平均值作為測(cè)量值，然后關(guān)閉電磁閥Vn。

3 總結(jié)

(1)模擬試驗(yàn)裝置，具有模擬GIS氣體溫度變化、固定點(diǎn)取樣靜態(tài)死區(qū)及循環(huán)擾動(dòng)功能，能真實(shí)還原SF6氣體密度在線監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，為GIS密度的精確計(jì)量提供技術(shù)參數(shù)支撐。

(2)新型GIS用SF6密度在線監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)GIS氣室內(nèi)部SF6密度、壓力及分解產(chǎn)物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)氣室中SO2、H2S、HF、CO、CF4和C3F8等特征氣體的含量，為設(shè)備早期內(nèi)部故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供有效數(shù)據(jù)。