劉宏達 呂小浩 景國明 蔡偉

河南送變電建設(shè)有限公司，中國·河南 鄭州 450007

1 緒論

1.1 研究背景

中國的經(jīng)濟飛速增長，對電力的需求突飛猛進，要求變電站的規(guī)模越來越大。在進入冬季施工時，氣溫極寒，特別進入12月份日平均溫度小于-20℃。

在此天氣下的HGIS安裝施工對工人而言是個極大的挑戰(zhàn)，特別是對HGIS中SF6氣體注氣。居民用電和工業(yè)用電大幅度增長，城市變電站和企業(yè)變電站的建設(shè)速度也隨之加快。為了節(jié)約用地，凈化環(huán)境，確保安全，可靠供電，這些變電站的建設(shè)大多采用HGIS電氣設(shè)備。但是HGIS設(shè)備時常因生產(chǎn)質(zhì)量和安裝不當造成設(shè)備漏氣和SF6氣體含水量偏高等問題。設(shè)備漏氣會使密度繼電器發(fā)出報警信號，甚至低氣壓閉鎖而引起故障拒動，擴大故障范圍。含水量偏高，SF6氣體在消弧高壓下分解與水反應(yīng)生成危及設(shè)備的氫氟酸，當SF6氣體中水分超過允許界限，則在溫度降低時，水分在絕緣表面凝結(jié)，使絕緣強度大大降低，嚴重時造成沿絕緣面閃絡(luò)，發(fā)展成內(nèi)部故障。這些故障一旦發(fā)生，不講經(jīng)濟損失，僅返修、消除缺陷也十分困難。因此，解決以上問題的抽真空與充氣在HGIS安裝過程中極其重要。研發(fā)該系統(tǒng)目的是本項目主要針對施工變電站工程施工現(xiàn)場的實際情況，制作HGIS設(shè)備智能注氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能降低HGIS氣體泄漏的風(fēng)險，同時能節(jié)省人力、物力、財力，實現(xiàn)HGIS抽真空和SF6注氣的自動監(jiān)控，提高工作效率。

1.2 研究現(xiàn)狀

HGIS（Half Gas Insulated Substation）是氣體絕緣變電站的英文名字簡稱。在氣體絕緣變電站中，大部分的電氣設(shè)備都是被直接或間接密封在金屬管道和套管所組成的管道樹中的，從外部看不到任何開關(guān)、線路和接線端子。管道樹的內(nèi)部全部采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，并將所有的高壓電器元件都密封在接地金屬筒中。它是由斷路器、母線、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管7種高壓電器組合成的高壓配電裝置。

在電力系統(tǒng)和各種用戶系統(tǒng)中，高壓電器和開關(guān)設(shè)備均具有重要的地位和作用，各種高壓和開關(guān)設(shè)備的工作原理和功能各不相同，它們共同構(gòu)成了供變電工程。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對發(fā)、輸、供和用電的可靠性要求越來越高。對高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)檢測顯得尤為重要。目前，國際對高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢測主要是針對斷路器、容性設(shè)備避雷器、HGIS等設(shè)備進行檢測。斷路器中應(yīng)用最多的是SF6封閉式組合電器，主要指將斷路器、隔離開關(guān)、母線和互感器等都浸泡在高性能絕緣材料中如真空、SF6氣體等，稱為“氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（HGIS,Half Gas Insulated Switchgear）”，封閉組合電器具有優(yōu)異性能。其強大的開斷能力和安全可靠性得到電力市場的廣泛認同，在發(fā)電廠的220KV配電間和變電站中，大都已經(jīng)采用了封閉組合電器HGIS，這對千高壓開關(guān)設(shè)備的檢修提出了新的要求。對發(fā)電廠和變電站的高壓電氣設(shè)備進行“狀態(tài)檢測”既是必要的，也是必然的。對高壓電器狀態(tài)檢測主要指的是對各種開關(guān)設(shè)備和電器進行檢測，其對整個電力系統(tǒng)的運行起著至關(guān)重要的作用。

HGIS設(shè)備的性能也隨之增長，HGIS設(shè)備是一個變電站的重要設(shè)備，HGIS設(shè)備的抽真空和注氣施工工序是HGIS設(shè)備安裝中最核心的工序，該工序施工周期長，目前為人工加半自動化操作，需人工日夜不間斷值守，造成人力、物力的浪費，并且若發(fā)生HGIS本體變形或氣體泄露沒有及時發(fā)現(xiàn)處理，則會造成嚴重損失，風(fēng)險成本極高，為了改進注SF6氣-體的工藝。

1.3 研究內(nèi)容

1.3.1SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)

SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)的目的是通過研制該系統(tǒng)，實現(xiàn)SF6氣瓶充注過程中的自動加溫，并且在SF6氣瓶充注壓力低于指定值時自動關(guān)閉充注電磁閥時，以短信方式發(fā)送至指定號碼提示更換氣瓶。

1.3.2 HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)

HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)的目的是有效地提高HGIS設(shè)備SF6充注工作的工作效率，提高施工進度，避免返工，減少大量的人力物力，節(jié)約成本，提高施工安裝質(zhì)量，確保HGIS設(shè)備的安全運行。

1.3.3 SF6氣體回收系統(tǒng)

SF6氣體回收裝置中回收氣體的氣室需要自動抽真空，回收氣體，回收完畢后自動關(guān)閉回收電磁閥，并以短信方式發(fā)送至指定號碼提示進行下一步工作（見圖1）。

圖1 SF6氣體回收系統(tǒng)

2 HGIS設(shè)備智能注氣系統(tǒng)

技術(shù)在不斷地發(fā)展，變電站的規(guī)模變得越來越大，對工作可靠性的要求高。盡管HGIS故障率不高，但是HGIS的SF6注氣工作非常的重要，一旦出現(xiàn)故障就會造成重大損失。輕則可能會造成設(shè)備故障；重則會引發(fā)有毒氣體擴散，危及安全生產(chǎn)。因此，分析HGIS注氣的影響因素，并采取相應(yīng)的防范措施具有非常重要的意義。

某智能系統(tǒng)電路圖的設(shè)計實現(xiàn)同時對4臺HGIS產(chǎn)品泄漏率檢測合格后，進行六氟化硫氣體的充入工藝。

①系統(tǒng)啟動，首先開啟系統(tǒng)內(nèi)的真空閥和充氣閥，對管路抽空。

②關(guān)閉充氣閥，打開抽空閥對HGIS產(chǎn)品抽空，達到極限要求后關(guān)閉抽空閥，通過抽空管道口的真空度傳感器對HGIS產(chǎn)品進行泄露率檢測，如果泄露率未達到要求則給出提示，泄露率達到要求則完成泄露率檢測工藝，進入充氣過程。

③泄漏率合格后關(guān)閉抽空閥，打開充氣閥，壓力傳感器檢測產(chǎn)品壓力滿足要求后關(guān)閉充氣閥完成六氟化硫充氣工藝。通過六氟化硫罐出口壓力和稱重裝置檢測罐內(nèi)的氣體情況，兩者同時不滿足要求時說明罐內(nèi)已空，給出提示要求換罐。換罐結(jié)束后打開旁路抽空閥，抽取軟管內(nèi)空氣，避免充氣后混入空氣。在充氣的過程中加熱系統(tǒng)持續(xù)恒溫，避免溫度過低導(dǎo)致缺氣欠壓情況。

④上述流程完全結(jié)束后完成HGIS產(chǎn)品的一次抽充過程。本設(shè)備用于抽真空和從SF6氣瓶到氣室的充氣。

依據(jù)工作原理，并結(jié)合電路圖進行制作，通過招投標確認制作廠家，對該系統(tǒng)進行設(shè)計和組裝，實物如圖2所示。

圖2 智能系統(tǒng)原理圖

2020年6月5日，所有附件及主體裝置發(fā)至現(xiàn)場，小組成員進行裝置組裝及設(shè)備配線連接，并填寫安裝記錄；2020年6月20日，成員對安裝好的電子產(chǎn)品進行絕緣性能測試，并檢查電磁閥門是否正確開閉，同時查看流量計是否指示正確，記錄數(shù)據(jù)；2020年7月1日，成員對已經(jīng)安裝完畢的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行試驗，主要查看注氣系統(tǒng)邏輯是否正確，各種閥門是否正確開啟，模擬故障是否正確動作等，并形成完整的驗收報告。

3 成果檢驗

3.1 經(jīng)濟效益

《HGIS設(shè)備安裝自動控制裝置的研制及應(yīng)用》包括安裝HGIS真空監(jiān)測系統(tǒng)、SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)、HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)、SF6氣體回收系統(tǒng)四個系統(tǒng)，已經(jīng)進行了生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，累計用于該公司的埃塞俄比亞GDHA500kV輸變電工程、中國內(nèi)蒙古開魯500kV新建工程、中國山西晉中1000kV變電站工程、中國周口西500kV變電站工程、中國漯河西500kV變電站工程、中國平頂山220kV市區(qū)北變電站工程、中國周口淮陽（郢陳）220kV變電站工程等57個變電站工程，其中每臺使用該系統(tǒng)的HGIS節(jié)約費用（人工、電費、風(fēng)險成本）82000元，該公司在2016年共計安裝HGIS共計61臺，共節(jié)約費用5002000元；在2017年共計安裝HGIS共計47臺，共節(jié)約費用3854000元；在2018年共計安裝HGIS共計15臺，共節(jié)約費用1230000元。綜上，該公司自2016年來使用該系統(tǒng)共節(jié)省費用10086000元。該系統(tǒng)精確可靠，運行良好，可以嚴格按照國標及廠家的說明書進行自動邏輯操作，節(jié)省了大量的人力、物力，自動化程度高，解決工程實際施工問題，實現(xiàn)早送電，完成清潔能源輸送，形成了新的施工工藝，獲得業(yè)主及監(jiān)理方的多方好評。

3.2 社會效益

《HGIS設(shè)備安裝自動控制裝置的研制及應(yīng)用》已形成實用新型專利8項，軟件著作權(quán)1項，已申報實用新型專利8項。該系統(tǒng)的應(yīng)用，提升了施工單位的工作效率，節(jié)省了人力，施工安全性得到了提高，縮短了HGIS的安裝時間，有效地縮短關(guān)鍵工序的持續(xù)時間，節(jié)省了總工期，社會效益顯著。

4 結(jié)語

4.1 總結(jié)

①SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)。

本成果準備研制一套SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)乃至國內(nèi)外中屬于首創(chuàng)，已申請實用新型專利。SF6氣瓶自動加熱稱重控制系統(tǒng)的目的是通過研制該系統(tǒng)，實現(xiàn)SF6氣瓶充注過程中的自動加溫，并且在SF6氣瓶充注壓力低于指定值時自動關(guān)閉充注電磁閥，并以短信方式發(fā)送至指定號碼提示更換氣瓶。該項目在整個電力系統(tǒng)屬于首創(chuàng)，處于整個電力施工領(lǐng)域的前列。

②HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)。

本成果準備研制一套HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)乃至國內(nèi)外中屬于首創(chuàng)，已申請實用新型專利，HGIS設(shè)備SF6氣體自動充注系統(tǒng)的目的是可以有效的提高HGIS設(shè)備SF6充注工作的工作效率，提高施工進度，避免返工，減少了大量的人力物力，節(jié)約了成本，提高了施工安裝質(zhì)量，確保HGIS設(shè)備的安全運行。該項目在整個電力系統(tǒng)屬于首創(chuàng)，處于整個電力施工領(lǐng)域的前列[1]。

③SF6氣體回收系統(tǒng)。

本成果準備研制一套SF6SF6氣體回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)乃至世界屬于首創(chuàng)，已申請實用新型專利，SF6氣體回收裝置對需要回收氣體的氣室自動抽真空，回收氣體，回收完畢自動關(guān)閉回收電磁閥，并以短信方式發(fā)送至指定號碼提示進行下一步工作。該項目在整個電力系統(tǒng)屬于首創(chuàng)，位于整個電力施工領(lǐng)域的前列[2]。

4.2 展望

近年來中國仍面臨能源安全、環(huán)境污染、新能源發(fā)展等突出問題，特別是大部分地區(qū)出現(xiàn)的嚴重霧霾天氣，解決能源科學(xué)發(fā)展問題刻不容緩。電網(wǎng)作為能源電力可持續(xù)發(fā)展的中心環(huán)節(jié)，在現(xiàn)代能源供應(yīng)體系中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著中國電力的迅速發(fā)展，變電站建設(shè)規(guī)模及容量越來越大，HGIS設(shè)備的性能也隨之增長，HGIS設(shè)備是變電站的重要設(shè)備，HGIS設(shè)備的抽真空和注氣施工工序是HGIS設(shè)備安裝中最核心的工序，該工序施工周期長，目前為人工加半自動化操作，需人工日夜不間斷值守，造成人力、物力的浪費，并且若發(fā)生HGIS本體變形或油泄露沒有及時發(fā)現(xiàn)處理，則會造成嚴重損失，風(fēng)險成本極高，現(xiàn)有施工模式已不能夠滿足施工要求[3]。

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展的快速增長，居民用電和工業(yè)用電大幅度增長，城市變電站和企業(yè)變電站的建設(shè)速度也隨之加快。為了節(jié)約用地，凈化環(huán)境，確保安全，可靠供電，這些變電站的建設(shè)大多采用HGIS電氣設(shè)備。但是，HGIS設(shè)備時常因生產(chǎn)質(zhì)量和安裝不當造成設(shè)備出現(xiàn)問題。一旦這些故障發(fā)生，不講經(jīng)濟損失，僅返修、消除缺陷也是很困難的。因此，應(yīng)著手解決HGIS安裝過程中抽真空與充氣出現(xiàn)的一系列問題。