劉亞騎，張 成，魏永樂，馬鳳臣，邢東華

（1.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展［1］，交直流電網(wǎng)建設(shè)已成規(guī)模，變電站數(shù)量不斷增長，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（gas insulated switchgear，GIS）作為變電站的主要設(shè)備［2］，其性能的可靠性愈發(fā)重要［3］。變電站內(nèi)主設(shè)備的安裝質(zhì)量作為影響其供電可靠性的重要因素［4］，長期以來未得到足夠重視。

GIS 安裝對于安裝環(huán)境，尤其是溫度、濕度、潔凈度（以下簡稱“三度”），要求特別嚴(yán)格［5］，以往GIS安裝，只能在晴好的天氣進(jìn)行，完全“靠天吃飯”，并且不能做到安裝區(qū)域完全封閉，交接試驗過程中微塵放電時有發(fā)生［6］。傳統(tǒng)的防塵措施，缺少凈化裝置、記錄裝置，不能遠(yuǎn)程管控；缺少系統(tǒng)化的環(huán)境監(jiān)測裝置，監(jiān)測數(shù)據(jù)單一，不能對安裝環(huán)境形成有效控制，不能對安裝過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)和施工作業(yè)形成完整的記錄，出現(xiàn)質(zhì)量事件無法有效追溯；對環(huán)境數(shù)據(jù)缺少智能化判別，出現(xiàn)不合格數(shù)據(jù)無法及時報警，不能滿足關(guān)鍵設(shè)備的質(zhì)量控制要求。全國各地GIS 無塵化安裝方法不統(tǒng)一，防塵措施仍停留在簡單防護(hù)和灑水抑塵等簡易階段［7］，有些地方提出采用防塵車間、防塵網(wǎng)等，但這些措施在實用性上無法滿足要求。一些變電站采用簡易防塵棚安裝GIS 后，GIS 的耐壓過程仍然無法一次通過［8］，甚至出現(xiàn)維修多次后仍無法通過耐壓試驗的現(xiàn)象，給變電站的運行留下隱患［9］。因GIS 安裝環(huán)境不滿足設(shè)備安裝要求，導(dǎo)致GIS 內(nèi)部微塵放電事故屢見不鮮，對變電工程項目質(zhì)量、使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益等產(chǎn)生重大影響［10］。

傳統(tǒng)防塵措施采用的簡易防塵棚或軌道式防塵車間［11］均存在一些問題。采用簡易防塵棚容易導(dǎo)致安裝過程中有雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備本體內(nèi)［12］，造成設(shè)備耐壓試驗過程中發(fā)生擊穿現(xiàn)象或局放試驗不合格，影響設(shè)備安裝質(zhì)量［13］。軌道式防塵車間體積大、造價高、拆裝不便且需要制作獨立基礎(chǔ)［14］，雖能保證環(huán)境質(zhì)量，但使用極不方便，可推廣性不足。

為有效解決以上問題，結(jié)合現(xiàn)場實際需求，提出一種智慧充氣式防塵棚，具有拆裝方便、實用效果好、經(jīng)濟(jì)實惠的優(yōu)點。基于節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的原則［15］，所用材料均為輕質(zhì)、環(huán)保、絕緣材料，不僅滿足GIS 對接過程的安全要求，還可保證GIS 對接過程的便捷操作。配備無塵化控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)模塊，集除塵、除濕、控溫、換氣一體，有效控制“三度”；實現(xiàn)可視化功能，實時監(jiān)控現(xiàn)場工作內(nèi)容，且對環(huán)境的監(jiān)測也可實時傳輸?shù)胶笈_；可實現(xiàn)報警功能，當(dāng)監(jiān)測到空氣潔凈度超過報警限值時，現(xiàn)場自帶的聲光報警器報警，同時可通過云監(jiān)控軟件，實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警功能。通過對多種GIS 安裝類型進(jìn)行設(shè)計，可滿足220 kV、500 kV 等各個電壓等級下的GIS 對接工作［16］，安裝簡捷方便，可減少勞動力投入，有效降低GIS 安裝現(xiàn)場作業(yè)安全風(fēng)險，保證安裝質(zhì)量，加快工程建設(shè)進(jìn)度［17］。

1 智慧充氣式防塵棚結(jié)構(gòu)

智慧充氣式防塵棚主要包括充氣式防塵棚、智慧凈化裝置、數(shù)字化管理平臺，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧充氣式防塵棚結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural block diagram of intelligent inflatable dust shed

現(xiàn)場搭建充氣式防塵棚，與智慧凈化裝置通過換氣管道固定連接，向防塵棚內(nèi)部提供潔凈空氣。防塵棚內(nèi)配置信號采集模塊和攝像頭，信號采集模塊用于采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)送至智慧凈化裝置，并在本地的液晶面板上顯示監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。攝像頭用于實時查看防塵棚內(nèi)部施工情況，并將視頻信息傳輸至數(shù)字化管理平臺。針對現(xiàn)場安裝環(huán)境控制，研制出無塵化環(huán)境控制系統(tǒng)，通過此控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)GIS 設(shè)備安裝環(huán)境處于可控狀態(tài)，使安裝環(huán)境“三度”等各項數(shù)據(jù)符合要求，不再受天氣變化影響［18］。研制出環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測裝置，可以實現(xiàn)安裝現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，環(huán)境數(shù)據(jù)超標(biāo)報警，發(fā)現(xiàn)問題及時預(yù)警、糾偏。

智慧凈化裝置實時監(jiān)測防塵棚內(nèi)“三度”信息，智慧凈化裝置設(shè)有報警閾值，當(dāng)“三度”信息超過報警閾值，現(xiàn)場的聲光報警器可立即報警，現(xiàn)場立刻停止GIS 安裝，同時可將報警信號遠(yuǎn)傳到數(shù)字化管理平臺，待安裝環(huán)境滿足要求、報警信號消失后方可繼續(xù)安裝。

2 充氣式防塵棚

2.1 防塵棚結(jié)構(gòu)

防塵棚結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括氣柱骨架、透明外棚布、防滑地板革和伸縮式袖口，均采用絕緣材料制成。外棚布為可拆卸式，為方便現(xiàn)場使用，將其布置在氣柱骨架的外側(cè)，下方地板革通過粘扣布置在充氣式防塵棚底部。防塵棚整體采用透明材料，可方便管理人員觀察安裝過程及局部細(xì)節(jié)，便于防塵棚內(nèi)外作業(yè)人員之間的工作配合。充氣式防塵棚相較以往的形式，在保證作業(yè)環(huán)境的同時，重量大幅減少、安裝簡單便捷、運輸存儲方便。氣柱耐割耐劃，金屬銳器碰觸劃割，不會造成表面損壞、氣體泄漏。梁柱采用阻燃材料，一般性的火星不會引燃。設(shè)備充氣固定好四角纜風(fēng)繩，最大抗風(fēng)能力達(dá)7 級，柱梁不會彎折傾倒。

氣柱骨架采用強(qiáng)度較高的夾網(wǎng)布制成，氣柱骨架上設(shè)置有充氣口和放氣口，充氣口上設(shè)置有逆止閥，充放氣方便。前側(cè)氣柱骨架、后側(cè)氣柱骨架和頂部氣柱骨架上分別設(shè)置有掛環(huán)。在氣柱骨架的頂面、左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)和后側(cè)均設(shè)置外棚布，頂面、前側(cè)和后側(cè)棚布采用透明的熱塑性聚氨酯橡膠制成。底部地板革采用耐磨防靜電地板革，左側(cè)棚布和右側(cè)棚布的底部向棚內(nèi)延伸，與地板革通過粘扣相連，左側(cè)棚布和右側(cè)棚布的下部前后兩端分別設(shè)置用于連接GIS 的密封袖口，左側(cè)棚布和右側(cè)棚布上的密封袖口對稱設(shè)置，通過拉鏈連接，多次使用后，如密封袖口受污染或損壞時，可方便更換。

防塵棚材料均采用輕質(zhì)、環(huán)保、絕緣材料，適用于不同電壓等級、各種型號的GIS，不受設(shè)備基礎(chǔ)的限制，組合于高空、地面，可適用于各類基礎(chǔ)GIS 安裝。在GIS 安裝區(qū)域形成足夠的密閉空間，既滿足GIS 對接過程的環(huán)境要求，又保證GIS 對接過程的操作便捷。

防塵棚和腳手架平臺均采用絕緣材料制成，有效避免了在改擴(kuò)建站施工中安全距離不夠的問題。防塵棚為軟材質(zhì)，移動時與運行設(shè)備相碰不會損壞運行設(shè)備及自身，提高防塵棚安全性能。絕緣腳手架平臺材質(zhì)選用輕質(zhì)高強(qiáng)玻璃纖維管結(jié)合而成，框架管末端連接頭及支撐桿扣件為防紫外線固化尼龍，各連接件均為全絕緣材料，腳輪為高密度紫外線固化聚乙稀，絕緣工作踏板，并且表面均做防滑、防潮處理。絕緣腳手架靈活、易拆裝，能夠?qū)崿F(xiàn)各種形式的組裝，方便現(xiàn)場作業(yè)。

2.2 安裝環(huán)境數(shù)據(jù)采集

充氣式防塵棚內(nèi)部配備信息采集器，能夠準(zhǔn)確采集“三度”信息，溫度精度為±2 ℃，濕度精度為±5%，潔凈度為百萬級。無線監(jiān)測模塊，如圖3 所示，可通過魔術(shù)貼粘到充氣式防塵棚氣柱上，也可以放至靠近裝配區(qū)域的任何位置監(jiān)測周圍的環(huán)境。并根據(jù)需要可增加光照度、氣壓值、含氧量等采集裝置，及時上傳到現(xiàn)場的液晶顯示屏，并通過監(jiān)控軟件，上傳云平臺，平臺支持電腦、手機(jī)、平板等終端進(jìn)行查看。項目施工、監(jiān)理、業(yè)主等施工管理人員可以通過手機(jī)軟件（application，APP）或web，登錄賬號和密碼查看“三度”等數(shù)據(jù)，并可下載Excel 電子數(shù)據(jù)表格供打印。

圖3 無線監(jiān)測模塊Fig.3 Schematic diagram of wireless monitoring module

潔凈度監(jiān)測時，監(jiān)測模塊風(fēng)扇運轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣體流動，顆粒物隨之經(jīng)過探測室的輸入輸出系統(tǒng)（input/output，I/O），塵埃粒子在激光的照射下會發(fā)生散射，散射與微粒大小、波長、折射率、光的吸收等有關(guān)系。散射光強(qiáng)度與微粒表面積成正比，從而可以通過計算得到微粒的粒徑，來自激光管的光會被顆粒物散射并被光敏器件識別轉(zhuǎn)換成電信號。電信號經(jīng)過放大電路、濾波和微控制器的處理后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog to digital converter，A/D），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出微粒的個數(shù)。每個測點應(yīng)在測試儀器穩(wěn)定運行的條件下連續(xù)3 次采樣，取其平均值，即為該點的實測數(shù)值。

溫濕度傳感器通過測量半導(dǎo)體阻容變化，轉(zhuǎn)換為溫濕度值。監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)通過藍(lán)牙局域網(wǎng)傳輸?shù)街腔蹆艋b置的現(xiàn)場顯示屏幕上。

3 智慧凈化裝置

無塵化控制的中樞智慧凈化裝置主要包括環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)云傳輸系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與智慧凈化裝置聯(lián)動系統(tǒng)、智能報警系統(tǒng)。智慧凈化裝置可動態(tài)調(diào)節(jié)防塵棚內(nèi)“三度”，滿足GIS安裝“環(huán)境溫度-10～40 ℃之間、無風(fēng)沙、無雨雪、空氣相對濕度小于80%、潔凈度在百萬級以上（0.5 μm粒子數(shù)小于3.52×107個/m3，1 μm 粒子數(shù)小于8.32×l06個/m3，5 μm 粒子數(shù)小于2.93×l05個/m3）”的環(huán)境要求。凈化裝置外殼采用不銹鋼制作而成，裝置長、寬、高分別為1 300 mm、760 mm、1 250 mm，在底部安裝有萬向輪，大小合適、方便運輸，并配有儲物柜，存放設(shè)備部件及常用工具。觸摸屏和所有風(fēng)口都有保護(hù)板防護(hù)。智慧凈化裝置管道直徑200 mm，打開觸摸屏和所有風(fēng)口的保護(hù)板，可將新風(fēng)管道與智慧凈化裝置快速連接，快速提高空氣潔凈度。智慧凈化裝置制冷功率2.17 kW，制熱功率1.93 kW，凈化送風(fēng)量350 m3/h，清潔度過濾級別可達(dá)百萬級。

智慧凈化裝置監(jiān)測到的“三度”數(shù)據(jù)，可在裝置內(nèi)嵌的顯示屏上進(jìn)行展示，方便現(xiàn)場人員查看實時數(shù)值。

根據(jù)實時監(jiān)測的“三度”數(shù)據(jù)情況，智慧凈化裝置可自動調(diào)節(jié)裝置的輸出功率，以保證“三度”始終在要求范圍之內(nèi)，智慧凈化裝置可有效濾除0.5～5.0 μm 的微塵顆粒，保證安裝環(huán)境可控、在控。智慧凈化裝置現(xiàn)場界面可以查看防塵棚內(nèi)“三度”的實時監(jiān)測數(shù)值，也可以查看各參數(shù)的歷史變化趨勢，通過裝置上的微型打印機(jī)可打印出實時環(huán)境參數(shù)，歸檔留存。

智慧監(jiān)控裝置可設(shè)置報警限值，可設(shè)置“三度”的報警上下限，在施工現(xiàn)場通過觸摸屏手動設(shè)置。當(dāng)“三度”等超過報警限值時，現(xiàn)場自帶的聲光報警器報警，低于報警值自動解除，通過設(shè)備控制列表實現(xiàn)對智慧凈化裝置的控制。

4 數(shù)字化管理平臺

智慧凈化裝置采集到的數(shù)據(jù)可通過加密的省公司內(nèi)網(wǎng)端口傳輸?shù)交ㄈ^程綜合數(shù)字化管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，整體流程如圖4 所示。使用局域網(wǎng)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，防塵棚內(nèi)的傳感器采集到“三度”信號后采用藍(lán)牙傳輸?shù)街腔蹆艋b置。為將現(xiàn)場數(shù)據(jù)安全地傳輸?shù)饺^程平臺，通過在現(xiàn)場設(shè)備上配置一套網(wǎng)關(guān)設(shè)備用于轉(zhuǎn)換協(xié)議，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)獨立開發(fā)的安全加密終端通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（virtual private network，VPN）加密傳輸?shù)桨踩尤虢K端，基建全過程平臺再從安全接入平臺抓取數(shù)據(jù)，整個通信網(wǎng)絡(luò)采用加密處理，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 數(shù)據(jù)采集及傳輸流程Fig.4 Flow chart of data collection and transmission

基建全過程平臺是國網(wǎng)公司組織開發(fā)，從可研到設(shè)計、招標(biāo)、施工、驗收、達(dá)標(biāo)投產(chǎn)、工程創(chuàng)優(yōu)等進(jìn)行全過程管理的平臺。

各施工現(xiàn)場上傳到服務(wù)器的監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警情況、視頻監(jiān)控，在基建全過程綜合數(shù)字化管理平臺可以查看各工地設(shè)備裝配環(huán)境的質(zhì)量、是否有報警、裝配作業(yè)是否規(guī)范。全部數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器，方便追溯。

5 結(jié)束語

通過智慧防塵棚環(huán)境控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、基建全過程平臺等控制手段從根本上解決了GIS 安裝環(huán)境控制的難題，使安裝環(huán)境始終處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)；實現(xiàn)了GIS 安裝“工廠化”的設(shè)想，確保了GIS 安裝環(huán)境質(zhì)量雙提升。提出的充氣式防塵棚為更好地滿足GIS 對接過程中安裝環(huán)境的潔凈度要求，充氣式防塵棚除了配備智能凈化裝置外，針對充氣式防塵棚的安裝方式也可進(jìn)一步的研究，使防塵棚的安裝模塊化、便捷化。后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場實際需求，進(jìn)一步地探索研究，為GIS 的無塵化安裝提供更好的保障。