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        SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用

        2021-10-19 07:16:00肖馳夫徐雙雙潘中偉
        農(nóng)村電氣化 2021年10期

        肖馳夫,徐雙雙,潘中偉

        (國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司,浙江 杭州 311232)

        當(dāng)前電力行業(yè)的快速發(fā)展,使得各類智能化的裝置被廣泛應(yīng)用到電力電氣設(shè)備當(dāng)中,用于維護(hù)各類電力電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[1]。SF6電氣設(shè)備憑借其大容量、可操作次數(shù)多、運(yùn)行安全穩(wěn)定等特點(diǎn),在電力電氣設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中受到廣泛關(guān)注。在SF6電氣設(shè)備運(yùn)行過程中,由于設(shè)備長期處于運(yùn)行狀態(tài),因此需要通過其他設(shè)備為其提供所需的SF6氣體,當(dāng)SF6氣體充入到設(shè)備當(dāng)中時(shí),為了確保安全,對于其作業(yè)的環(huán)境要求相對較高,并且氣體當(dāng)中可能含有水分。SF6氣體價(jià)格十分高昂,一旦泄露又會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此,為了能夠提高SF6氣體重啟作業(yè)工藝水平,降低充氣難度,相關(guān)領(lǐng)域研究人員研制了一種全新的SF6智能補(bǔ)氣裝置。針對傳統(tǒng)補(bǔ)氣方式的諸多不利因素,此SF6智能補(bǔ)氣裝置能安全、勻速、定額定量地精準(zhǔn)補(bǔ)氣[2]。根據(jù)變電站不同設(shè)備氣室建立獨(dú)立模型,將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析,通過補(bǔ)氣次數(shù)及時(shí)間,判定設(shè)備的老化程度,提前預(yù)判設(shè)備的故障隱患。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了防誤操作邏輯判斷,避免人為安全隱患,同時(shí)減少了補(bǔ)氣所需工作人員的數(shù)量與工作量。為了進(jìn)一步探究SF6智能補(bǔ)氣裝置的應(yīng)用效果,開展下述研究。

        1 SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用

        1.1 SF6智能補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該裝置在為電力電氣設(shè)備補(bǔ)氣的過程中,需要配合SF6氣體補(bǔ)氣氣瓶、減壓閥、接頭箱等裝置,其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

        其中,減壓閥的主要作用是調(diào)節(jié)氣瓶輸出壓力,為SF6開關(guān)設(shè)備提供補(bǔ)充氣體。該裝置的主機(jī)結(jié)構(gòu)主要包含9個結(jié)構(gòu),分別為:

        流量控制器:補(bǔ)氣過程中,控制氣體流速,可調(diào)節(jié),并對補(bǔ)氣量進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)定速定量補(bǔ)氣。

        001 逆止閥:一端接流量控制器,一端接電磁閥;補(bǔ)氣過程中防止SF6開關(guān)氣室內(nèi)氣體往外泄漏。

        電磁閥:通斷裝置氣路,和正反向電磁閥配合控制氣路連接,通過不同的開關(guān)組合監(jiān)測減壓閥壓力、氣室壓力,避免因氣體流動導(dǎo)致監(jiān)測壓力不準(zhǔn)確。

        壓力傳感器:補(bǔ)氣過程中用于監(jiān)測補(bǔ)氣壓力是否到達(dá)設(shè)定目標(biāo),同時(shí)壓力值與目標(biāo)值做計(jì)算以控制流量控制器。

        正反向電磁閥:通斷裝置氣路,和電磁閥配合控制氣路連接,通過不同的開關(guān)組合監(jiān)測減壓閥壓力、氣室壓力,避免因氣體流動導(dǎo)致監(jiān)測壓力不準(zhǔn)確。

        MCU 控制模塊:采集壓力傳感器、溫濕度模塊、電池電量等數(shù)據(jù)信息,與顯示交互界面設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并對3個電磁閥進(jìn)行控制。

        顯示交互界面:由安卓系統(tǒng)平板設(shè)備實(shí)現(xiàn),與MCU控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,與流量控制器通信以讀取流量數(shù)據(jù),控制流速,手動/自動補(bǔ)氣操作界面展示,實(shí)時(shí)工況展示,參數(shù)設(shè)置,歷史數(shù)據(jù)等。將流速曲線、時(shí)長、時(shí)間、壓力、溫度、補(bǔ)氣次數(shù)、補(bǔ)氣間隔時(shí)長等信息進(jìn)行計(jì)算存儲,通過邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析建模精準(zhǔn)計(jì)算出補(bǔ)氣量,并且推演出下次補(bǔ)氣時(shí)間[3]。根據(jù)歷史模型判定設(shè)備的老化程度,提前預(yù)判設(shè)備的漏氣概率。

        電池/充電管理模塊:系統(tǒng)由電池供電,包含充放電管理模塊、電池電量監(jiān)測模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊等。

        溫濕度檢測模塊:密閉容器管路內(nèi),氣體壓力會隨溫度進(jìn)行變化。此數(shù)據(jù)用于對不同環(huán)境溫濕度下工作參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn),確保數(shù)據(jù)精度。

        除此之外,該裝置還包括氣路控制模塊,由SF6智能補(bǔ)氣裝置主機(jī)輸出氣路接入,常開端接SF6開關(guān)氣室,常閉端接氣體回收袋;補(bǔ)氣與氣路清洗時(shí)用于切換氣路。為實(shí)現(xiàn)對該裝置的遠(yuǎn)程控制,利用無線規(guī)約轉(zhuǎn)換器搭載Wi-Fi/4G/LORA通信模塊,將主機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸。同時(shí)結(jié)合移動終端App,通過Wi-Fi 接收主機(jī)數(shù)據(jù),并對主機(jī)進(jìn)行控制操作。最后,通過后臺服務(wù)器主機(jī)提供4G遠(yuǎn)程傳輸或LORA站端轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)后臺連接。

        1.2 裝置補(bǔ)氣流程

        該裝置的補(bǔ)氣流程主要包括:氣路清洗→開始補(bǔ)氣→補(bǔ)氣過程→補(bǔ)氣完成,共4 個階段。在氣流清洗階段,調(diào)整減壓閥壓力至氣室目標(biāo)壓力值,三通閥連大氣,根據(jù)氣路走向(SF6氣瓶→減壓閥→流量控制器(主機(jī))→逆止閥(主機(jī))→電磁閥(主機(jī))→壓力傳感器(主機(jī))→正反向電磁閥(主機(jī))→三通閥→氣體回收袋)進(jìn)行氣路清洗。開始補(bǔ)氣時(shí)根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)壓力、氣路流速、間隔時(shí)長等參數(shù)信息去監(jiān)測氣路及氣室壓力,同時(shí)根據(jù)設(shè)置自動調(diào)整氣體流速,并按氣路走向(SF6氣瓶→減壓閥→流量控制器(主機(jī))→逆止閥(主機(jī))→電磁閥(主機(jī))→壓力傳感器(主機(jī))→正反向電磁閥(主機(jī))→三通閥→SF6開關(guān)氣室)進(jìn)行補(bǔ)氣。記錄初始補(bǔ)氣時(shí)實(shí)測壓力與目標(biāo)壓力的壓差(目標(biāo)壓力-補(bǔ)氣前壓力),初始化氣體流量計(jì)的流速,最大值為8 L/min,開啟電磁閥進(jìn)行補(bǔ)氣。在補(bǔ)氣的過程中,上位機(jī)執(zhí)行一定時(shí)長補(bǔ)氣后會關(guān)閉電磁閥并讀取目標(biāo)設(shè)備氣室壓力值,反饋到上位機(jī)控制模塊初始單次補(bǔ)氣時(shí)長為30 s,并根據(jù)單次時(shí)長和速率計(jì)算補(bǔ)氣體積及重量,且每補(bǔ)氣一個時(shí)長后關(guān)閉電磁閥5 s,待設(shè)備氣室氣體稍穩(wěn)后,重新測量壓力,反饋控制到上位機(jī)[4]。上位機(jī)接收到設(shè)備實(shí)時(shí)壓力,計(jì)算剩余補(bǔ)氣量百分比:(目標(biāo)壓力-實(shí)時(shí)壓力)/(目標(biāo)壓力-補(bǔ)氣前壓力),根據(jù)壓差比值控制單次補(bǔ)氣量,逐次逼近目標(biāo)壓力值:當(dāng)比值大于等于30%時(shí),氣體流量計(jì)以最大流速8 L/min工作;當(dāng)壓差大于等于20%時(shí),氣體流量計(jì)以4 L/min工作,單次補(bǔ)氣時(shí)長為20 s;當(dāng)壓差小于20%時(shí),氣體流量計(jì)以4 L/min工作,單次補(bǔ)氣時(shí)長為10 s。當(dāng)氣室壓力或者補(bǔ)氣量達(dá)到目標(biāo)值時(shí),停止補(bǔ)氣作業(yè),關(guān)閉所有電磁閥結(jié)束補(bǔ)氣流程。并將當(dāng)前補(bǔ)氣量、時(shí)長、時(shí)間、壓力、溫濕度、等信息進(jìn)行計(jì)算,記錄到該氣室模型中,模型根據(jù)歷史記錄、補(bǔ)氣次數(shù)擬合預(yù)判開關(guān)氣室當(dāng)前狀態(tài),完成補(bǔ)氣。

        1.3 在線監(jiān)測

        為了確保該裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,在運(yùn)行過程中,須要對裝置以及被補(bǔ)氣的電力電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測。將主機(jī)、氣路控制模塊、SF6開關(guān)氣室進(jìn)行安裝連接,打開逆止電磁閥、關(guān)閉主機(jī)電磁閥,通過主機(jī)實(shí)時(shí)高精度采集SF6開關(guān)氣室壓力,進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測壓力值,以判斷SF6開關(guān)氣室是否有泄漏問題[5]。圖2 為該裝置在線監(jiān)測流程示意圖。

        如圖2 所示,將該裝置直接與監(jiān)測設(shè)備連接,將監(jiān)測到的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送給后臺終端、手機(jī)App、小程序等,實(shí)現(xiàn)壓力值實(shí)時(shí)預(yù)覽、告警信號實(shí)時(shí)推送。同時(shí),結(jié)合SF6氣體的特性,借助高精度流量計(jì),對補(bǔ)氣質(zhì)量進(jìn)行自動計(jì)算,以此解決氣瓶不便稱重,數(shù)據(jù)精度不高的問題。在補(bǔ)氣前還應(yīng)當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi),應(yīng)當(dāng)對該裝置進(jìn)行高頻次壓力監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)密閉性檢測,解決了管路密閉性影響補(bǔ)氣的問題。針對充氣過程中產(chǎn)生的多余氣體,為了不對周圍環(huán)境造成影響,并提高裝置的經(jīng)濟(jì)性,還需要在監(jiān)測模塊當(dāng)中增加一個針對SF6氣體的回收裝置,將清洗管路的SF6氣體進(jìn)行回收,減少環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。在該裝置上引入全觸屏操作模式,在裝置出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí),可以自動停止補(bǔ)氣,并發(fā)出告警信號,解決了傳統(tǒng)補(bǔ)氣操作煩瑣、控制不易的問題。

        圖2 裝置在線監(jiān)測流程示意圖

        2 應(yīng)用效果分析

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的效果,利用SF6智能補(bǔ)氣裝置為公司設(shè)備提供補(bǔ)氣。在補(bǔ)氣過程中,利用該裝置的在線監(jiān)測模塊對正常溫度環(huán)境和20 ℃溫度環(huán)境下SF6氣體的壓力進(jìn)行測量,并得到如圖3所示的測量記錄結(jié)果。

        圖3 裝置在線監(jiān)測記錄結(jié)果

        從圖3 記錄結(jié)果可以看出,該裝置能夠在為電氣設(shè)備提供SF6氣體的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對氣體壓力變化的記錄,可實(shí)現(xiàn)對異常狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,確保裝置運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。同時(shí),在實(shí)際應(yīng)用中,該裝置可以實(shí)時(shí)采集氣室壓力,自動通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)控后臺、手機(jī)App 等各類終端設(shè)備,實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場設(shè)備健康狀態(tài)。該裝置采用低功耗設(shè)計(jì),電池供電,便攜式使用,因此具備了便于操作的優(yōu)勢。除此之外,由于該裝置當(dāng)中采用了可變電磁閥門、高精度SF6壓力表,因此能夠根據(jù)壓力差實(shí)時(shí)控制閥門,實(shí)現(xiàn)安全、高效、精準(zhǔn)的補(bǔ)氣。在應(yīng)用過程中,該裝置的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在通過MCU模塊控制元器件,設(shè)定補(bǔ)氣目標(biāo)值后,實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)氣,避免了人員操作失誤帶來的安全隱患。

        3 結(jié)束語

        本文通過上述論述,從3個方面實(shí)現(xiàn)了對SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用研究,并通過該裝置在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中的效果分析,進(jìn)一步證明了該裝置的可行性以及應(yīng)用優(yōu)勢。未來隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展,該裝置的工作流程化、操作簡單化、控制智能化以及體積小型化等優(yōu)勢將逐步展現(xiàn)。

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