巫吉祥,陳功勛,毛乾宏

（1．江蘇省送變電有限公司，江蘇南京 210000；2．河南省日立信股份有限公司，河南鄭州 450001）

1 引言

蘇通GIL 管廊工程是在蘇州與南通之間構(gòu)建的過江隧道工程，工程修建了支持1000 千伏的GIL 管廊。受到高壓GIL 設(shè)備規(guī)格參數(shù)的影響，在實際搶修充注SF6 氣體時，儲存在鋼瓶內(nèi)的SF6 氣體容易液化或固化[1]，需要逐個加熱鋼瓶，導(dǎo)致管廊工程所需的充注時間過長，影響實際的工程搶修效率。以SF6氣體的理化特性作為基礎(chǔ)，設(shè)計自適應(yīng)充注系統(tǒng)，不僅能夠增強充注系統(tǒng)的充注效率[2]，還可以縮短管廊工程的搶修時間。蘇通GIL管廊工程跨度較長，實際運輸儲存SF6 氣體的金屬封閉高壓設(shè)備具有一定的難度，為此，設(shè)計一種應(yīng)急搶修SF6氣體自適應(yīng)充注系統(tǒng)。

國外自十九世紀六十年代使用SF6 氣體作為高壓開關(guān)設(shè)備的絕緣氣體，經(jīng)研究人員的實驗探索，采用SF6 氣體填充的方式來傳輸高壓等級較高的電能傳輸過程[3]。國內(nèi)在應(yīng)用SF6 氣體起步較晚，研究人員結(jié)合我國用電實際，制定SF6 氣體在電力工程中使用的規(guī)范。從文獻[4]采用了數(shù)值模擬的方法獲取了易產(chǎn)生氣體泄漏管廊位置，并計算得到了氣體可充注的體積，形成了一個自適應(yīng)過程。文獻[5]運用了經(jīng)驗類比的方式，建立了管廊溫度影響模型，以溫度作為調(diào)整對象，形成了自適應(yīng)充注控制過程。綜合上述分析過程可知，設(shè)計蘇通GIL管廊工程應(yīng)急搶修SF6氣體自適應(yīng)充注系統(tǒng)具有極高的研究價值。

2 自適應(yīng)充注系統(tǒng)硬件

2.1 SF6氣體快速輸送結(jié)構(gòu)

管廊工程在快速充入SF6氣體時，采用一個干燥處理的電芯放置在儲存SF6氣體的密封罐中，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)放置輸送氣罐的小車。在進出機構(gòu)上放置一個真空式的分隔門，按照蘇通管廊工程的規(guī)格，采用一塊整體的剛性板制作該分隔門，按照最大氣體罐規(guī)格，將剛性板處理為一個托盤結(jié)構(gòu)[6]。小車另一端放置一個牽引裝置。實際儲存SF6 氣體的氣瓶有著不同的規(guī)格，牽引裝置實際承載了小車以及氣罐的重量，所以牽引裝置采用機械發(fā)動的形式。采用規(guī)格相同的齒輪與齒條，配合對應(yīng)的滾珠絲杠，組建為一個直線運動結(jié)構(gòu)。為了控制氣體罐在傳輸過程中產(chǎn)生晃動，在氣缸推桿上放置一對夾具，此時夾具與氣罐之間形成了一個方向相反的作用力，控制了氣體氣罐的穩(wěn)定。形成的傳動帶結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 設(shè)計得到的傳動結(jié)構(gòu)

在上圖所示的傳動結(jié)構(gòu)下，設(shè)定氣體罐的快速傳動過程，當含有電芯的氣罐放置在快速輸送小車上后，調(diào)動結(jié)構(gòu)內(nèi)的杠桿螺母，對小車施加一個推力，當小車行駛到輸送軌道的下一推力作用點時，使用相同規(guī)格的牽引裝置對氣罐實施下一周期的傳輸過程[7]。在上述設(shè)定的快速輸送結(jié)構(gòu)下，組建管廊工程的真空注射裝備。

2.2 管廊工程真空注射裝備

在上述設(shè)計的快速輸送結(jié)構(gòu)支持下，組建真空注射裝備時，采用型號為QD65Y 的壓縮機，結(jié)合SF6 氣體的理化特征，在壓縮處理氣體環(huán)境后，采用回氣管連接一個耦合過冷器，控制氣體的充注環(huán)境[8]。為簡化氣體充注過程，在儲存SF6 氣體的罐內(nèi)，放置一個型號為MIK-P300 的傳感器，實時感知罐內(nèi)的氣體壓力。形成的真空注射設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設(shè)計得到的真空注射裝備

在上圖所示的真空注射裝備結(jié)構(gòu)下，SF6充注裝置中液壓系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是各液壓桿的平衡，若液壓升降各支撐桿不平衡，容易造成傾斜或者其他事故的發(fā)生。由于液壓泵存在容積損失和機械損失，為滿足液壓泵向液壓系統(tǒng)輸出所需要的壓力和流量，設(shè)定液壓泵的輸出功率恒大于氣體的注入功率。在上述硬件結(jié)構(gòu)的支持下，設(shè)計自適應(yīng)充注系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

3 自適應(yīng)充注系統(tǒng)軟件

3.1 SF6氣體充注閾值設(shè)定

在設(shè)定SF6氣體充注閾值時，以可控SF6氣體的泄漏參數(shù)作為控制條件，計算SF6氣體充注時應(yīng)急搶修接收的上限數(shù)值，數(shù)值關(guān)系可表示為：

其中，L表示計算得到上限參數(shù)，C表示平均充注數(shù)值，m表示氣體漏氣響應(yīng)參數(shù)表示修正因子，P表示稱漏率，Z表示標準充注技術(shù)允許漏率。以蘇通GIL管廊工程的尺寸，結(jié)合上述計算得到的參數(shù)，設(shè)定SF6 氣體充注飽和參數(shù)，數(shù)值關(guān)系可表示為：

其中，N表示飽和參數(shù)，S′表示飽和修正參數(shù)，σ表示充注周期，其余參數(shù)含義不變。為了增強搶修進度的時效性，使用上述計算得到的各項指標，建立一個氣體充注的數(shù)值關(guān)系，數(shù)值關(guān)系可表示為：

圖3 充注周期漏氣變化

在上圖所示的周期漏氣數(shù)值變化下，不斷擬合處理漏氣與周期間的數(shù)值關(guān)系，當兩項數(shù)值趨向比值1 時，將上述計算公式(2)、(3)聯(lián)立后，將漏氣參數(shù)代入至聯(lián)立后的公式內(nèi)，最終計算得到充注閾值，在該閾值的控制下，建立自適應(yīng)充注調(diào)節(jié)方案。

3.2 自適應(yīng)充注調(diào)節(jié)方案

以上述設(shè)定的SF6氣體充注閾值作為約束條件，在建立自適應(yīng)充注調(diào)節(jié)方案時，定量估算氣體的充注數(shù)值，計算公式可表示為：

其中，α表示湯姆遜電離系數(shù)，d表示充注周期，E表示管廊工程的電場強度。定義上述計算得到的參數(shù)為標準氣體注充數(shù)值后，結(jié)合蘇通GIL 管廊工程的實際，設(shè)定一個自適應(yīng)調(diào)節(jié)的充注數(shù)值，該數(shù)值可表示為：

其中，κ表示計算得到的充注參數(shù)，η表示電子吸附系數(shù)，CFσ表示周期范圍內(nèi)管廊工程所需的SF6氣體總量，其余參數(shù)含義不變。為控制管廊工程中產(chǎn)生的損耗，對上述計算公式左右兩端取對數(shù)處理，可表示為：

其中，F(xiàn)(κσ)表示對數(shù)處理后的效應(yīng)函數(shù)，ρ表示充注氣體的密度，其余參數(shù)含義不變。以對數(shù)處理后的氣體數(shù)值作為氣體充注自變量，此時管廊工程內(nèi)的氣壓變化如下圖所示。

圖4 氣壓變化

在上圖所示的電壓變化下，以管廊氣壓數(shù)值趨于平緩的數(shù)值點作為自適應(yīng)方案的氣體配比參數(shù)，對應(yīng)不同周期的充注數(shù)值，最終形成多種自適應(yīng)充注調(diào)節(jié)方案。綜合上述軟硬件的設(shè)計，最終完成對蘇通GIL管廊工程應(yīng)急搶修SF6氣體自適應(yīng)充注系統(tǒng)的設(shè)計。

4 系統(tǒng)測試及分析

準備測試充注系統(tǒng)所需的組件，使用的組件名稱及數(shù)量如表1所示。

表1 組件名稱及數(shù)量

對應(yīng)上表所示的各項參數(shù)，使用表中準備的系統(tǒng)測試設(shè)備，連接為如圖5所示的系統(tǒng)測試環(huán)境：

圖5 搭建的系統(tǒng)測試環(huán)境

在上圖所示的系統(tǒng)測試環(huán)境下，調(diào)試各組件處于正常工作狀態(tài)后，控制無線采集設(shè)備匯總各個傳感器的數(shù)據(jù)，并直接傳輸至上位機，準備兩種傳統(tǒng)充注系統(tǒng)與所設(shè)計的充注系統(tǒng)進行測試，對比三種充注系統(tǒng)各個指標的性能。

基于上述實驗準備，控制三種充注系統(tǒng)處理相同規(guī)格的管廊工程，結(jié)合管廊工程空間范圍內(nèi)的功能，標定20處充注實驗點，對應(yīng)標定的實驗點放置SF6 密度無線采集器，在變換充注方案時，以傳感器接收各項數(shù)據(jù)作為處理對象，規(guī)定充注時間后，構(gòu)建充注速度數(shù)值關(guān)系，可表示為：

其中，v表示充注速度，J表示充注氣體體積，t表示充注時間。在上述數(shù)值關(guān)系控制下，三種充注系統(tǒng)的充注速度結(jié)果如下表所示。

表2 三種充注系統(tǒng)的充注速度

根據(jù)上表所示的實驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)充注系統(tǒng)1平均充注速度為14m3/s，實際的充注速度最小。傳統(tǒng)充注系統(tǒng)2平均充注速度為24m3/s，實際的充注速度較大，而所設(shè)計的充注系統(tǒng)平均充注速度為38m3/s，與兩種傳統(tǒng)充注系統(tǒng)相比，所設(shè)計的充注系統(tǒng)的充注速度最大。

在上述實驗環(huán)境下，調(diào)用實驗所需的上位機，設(shè)定管道內(nèi)的開距數(shù)值為5～50m，以5m 作為管道工程的觀測距離，在三種充注系統(tǒng)正常工作時，測定相同開距距離范圍內(nèi)管道內(nèi)的氣壓，結(jié)果如下表所示。

根據(jù)上表所示的實驗結(jié)果可知，所設(shè)計的充注系統(tǒng)控制管道內(nèi)形成的氣壓數(shù)值在0．65MPa 左右，與兩種傳統(tǒng)充注系統(tǒng)相比，所設(shè)計的充注系統(tǒng)充注后形成的氣壓差較小，對管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞最小。保持上述實驗環(huán)境不變，在實際的管道工程內(nèi)，劃定五個損耗觀測區(qū)，在控制SF6 氣體充注時，定義觀測區(qū)產(chǎn)生的損耗，最終三種充注系統(tǒng)在設(shè)定的觀測區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的損耗結(jié)果，如下圖所示。

圖6 三種充注系統(tǒng)損耗結(jié)果

根據(jù)表3所示的實驗結(jié)果可知，所設(shè)計的充注系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗數(shù)值在200kw/h 左右，與兩種傳統(tǒng)充注系統(tǒng)相比，所設(shè)計的充注系統(tǒng)在運行過程中，在管道線路上產(chǎn)生的損耗最小。

表3 三種充注系統(tǒng)管道氣壓結(jié)果

5 結(jié)束語

針對蘇通GIL 管廊工程應(yīng)急搶修產(chǎn)生的SF6 氣體充注過程，設(shè)計一種自適應(yīng)系統(tǒng)。從軟硬件的結(jié)構(gòu)上，搭建了與傳統(tǒng)充注系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)。經(jīng)實驗驗證，所設(shè)計的充注系統(tǒng)能夠改善傳統(tǒng)充注系統(tǒng)充注速度過小、產(chǎn)生損耗較大的不足。