艾永俊

（廣東水電云南投資有限公司，云南 紅河 661100）

0 前言

GIS 設(shè)備全稱(chēng)為“氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備”GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是該設(shè)備的英文縮寫(xiě)[1]。除了在高壓和超高壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，GIS 還被應(yīng)用于特高壓領(lǐng)域。其中由斷路器，隔離開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)，互感器，避雷器，匯流條，連接件，輸出端等組成。所有這些裝置或組件被密封在具有合適壓力的SF6絕緣氣體的金屬接地殼體中。SF6設(shè)備的密度和水分的檢測(cè)、監(jiān)督和管理是按照《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則》（GB/T8905-2008）的要求進(jìn)行。根據(jù)規(guī)程要求，SF6裝置間的年漏氣率不得高于1%。在濕度檢測(cè)方面，對(duì)于126～550 kV 的新投入使用的裝置而言，在3～6 個(gè)月后，在此后1～2 年內(nèi)進(jìn)行第一次測(cè)定。對(duì)于40.5～72.5 kV 的設(shè)備，在投入使用后1 年進(jìn)行一次檢測(cè)，此后2～3 年進(jìn)行一次檢測(cè)[2]。

GIS 設(shè)備有高可靠性、簡(jiǎn)便維護(hù)、長(zhǎng)檢修周期等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在固有缺點(diǎn)：

SF6氣體泄漏、外水滲入、導(dǎo)電雜質(zhì)、絕緣子老化等因素可能導(dǎo)致GIS 內(nèi)部故障，對(duì)電網(wǎng)安全和操作人員人身安全構(gòu)成重大威脅；由于GIS 采用全密封的結(jié)構(gòu)，其特征是對(duì)GIS 的故障進(jìn)行定位和維修的難點(diǎn)。事故發(fā)生后，其平均停電檢修時(shí)間長(zhǎng)，停電范圍大，且包括多個(gè)未失效部件，從而使得消缺和檢修工作變得更加繁瑣[3]。

1 概述

1）某電廠GIS 設(shè)備運(yùn)行已達(dá)11 年，需定期按照DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求，結(jié)合設(shè)備全停開(kāi)展SF6微水含量定檢工作，現(xiàn)有微水監(jiān)測(cè)、檢測(cè)結(jié)構(gòu)、檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)不合理，每次定檢都必須拆卸表計(jì)，工作量大，頻繁拆卸極易引起表前逆止閥密封不嚴(yán)，造成氣室氣體泄漏、外部水分滲入[8]。

2）某電廠GIS 現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)僅設(shè)計(jì)了SF6氣體密度監(jiān)測(cè)，缺少安全運(yùn)行重要指標(biāo)參數(shù)微水、溫度、濕度、露點(diǎn)等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)工作，單一的參數(shù)檢測(cè)結(jié)果作為判斷設(shè)備運(yùn)行狀況的依據(jù)，不能準(zhǔn)確反映GIS 設(shè)備運(yùn)行實(shí)況和變化趨勢(shì)，極易導(dǎo)致GIS 設(shè)備內(nèi)在缺陷無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。

3）某電廠GIS 設(shè)備歷次定檢時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)氣室SF6微水含量達(dá)行業(yè)允許上限標(biāo)準(zhǔn)極值（500 uL/L），GIS 全密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使相關(guān)檢修、應(yīng)急處理工作較為繁雜。

結(jié)合行業(yè)背景和企業(yè)存在的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)查、分析、研究，認(rèn)為開(kāi)展GIS 設(shè)備重要指標(biāo)參數(shù)微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力、密度智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)研究，并將成果應(yīng)用于服務(wù)設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)分析、預(yù)警、科學(xué)檢修工作是非常有必要的。

2 研究目的

1）通過(guò)對(duì)行業(yè)背景和企業(yè)存在問(wèn)題的分析研究，找到解決某電廠GIS 設(shè)備安全運(yùn)行重要指標(biāo)參數(shù)微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力、密度智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)的技術(shù)方案和有效路徑，提高GIS 設(shè)備微水含量在線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)水平，提升電廠服務(wù)電網(wǎng)安全保供電、助力集團(tuán)快速發(fā)展的基礎(chǔ)能力。

2）在行業(yè)、集團(tuán)或同屬區(qū)域公司各電廠率先開(kāi)展技術(shù)研究及應(yīng)用，通過(guò)驗(yàn)證其可行性、有效性，為行業(yè)、集團(tuán)或同屬區(qū)域公司各電廠解決同類(lèi)問(wèn)題提供可參考的研究、應(yīng)用成果。

3 關(guān)鍵技術(shù)與工藝

1）利用發(fā)明原理中多項(xiàng)原理[10]，設(shè)計(jì)、定制免拆卸校驗(yàn)密度繼電器四通閥接口裝置，以滿(mǎn)足SF6重要指標(biāo)參數(shù)微水、濕度、露點(diǎn)等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，免拆卸校驗(yàn)氣體密度繼電器，設(shè)備補(bǔ)氣、純度、分解物試驗(yàn)、測(cè)試等定檢、預(yù)試要求的技術(shù)目標(biāo)。

2）采用全新材料高分子薄膜傳感器技術(shù)、成熟傳感器電路設(shè)計(jì)和創(chuàng)新溫度補(bǔ)償算法（非線(xiàn)性函數(shù)規(guī)范化多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)法）SF6露點(diǎn)及壓力變送器[4]，實(shí)現(xiàn)單一傳感器即可同時(shí)采集SF6微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力、密度等重要參數(shù)的技術(shù)目標(biāo)。

3）采用集測(cè)控、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器技術(shù)于一體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GIS 設(shè)備重要指標(biāo)參數(shù)微水等監(jiān)測(cè)分析工作，同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接入和網(wǎng)絡(luò)瀏覽數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求[8]。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1）專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、定制的免拆卸四通閥接口裝置，既能滿(mǎn)足GIS 設(shè)備SF6微水等重要指標(biāo)參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，又能滿(mǎn)足設(shè)備補(bǔ)氣、純度、分解物定檢、預(yù)試需求，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)向在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)變，既提高工作效率，又降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2）采用的傳感器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單一傳感器同時(shí)采集GIS 設(shè)備SF6微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力、密度等重要指標(biāo)參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了單一性能參數(shù)采集向多性能參數(shù)采集技術(shù)的轉(zhuǎn)變；不僅提高設(shè)備狀態(tài)分析、預(yù)警準(zhǔn)確性，還具有新穎性和可快速普及應(yīng)用的特點(diǎn)。

3）使用的軟件可實(shí)時(shí)分析、計(jì)算、處理數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成運(yùn)行曲線(xiàn)、圖表，直觀表達(dá)真實(shí)值、告警閾值，為設(shè)備運(yùn)行分析和科學(xué)檢修提供可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

5 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)原理

1）GIS 設(shè)備微水含量智能監(jiān)測(cè)、檢測(cè)系統(tǒng)主要包括高精度的濕度、壓力和溫度的傳感器。系統(tǒng)通過(guò)放大相關(guān)信號(hào)、A/D 變換及嵌入式微處理器的運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果[4]。

2）微水傳感器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測(cè)元件。該系統(tǒng)采用高分子膜電容技術(shù)的微型水敏元件，具有高精度、高靈敏度和高穩(wěn)定性。該設(shè)備基于如下原理：在系統(tǒng)在檢測(cè)氣體時(shí)，水分子通過(guò)所述聚合物膜時(shí)，所述膜的介電常數(shù)改變，由此改變電容[4]。同時(shí)，SF6氣體中的含水量與電容器值的變化呈線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)高頻率電路處理信號(hào)，可獲得與含水量成比例的電壓值。在進(jìn)行A/D 變換后，將該電壓值輸出至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理部MCU，由此進(jìn)行微水分含量的測(cè)定。為解決SF6氣體中微量水分含量測(cè)定精度的問(wèn)題，系統(tǒng)支持自動(dòng)校正程序，對(duì)測(cè)定曲線(xiàn)的零位偏差進(jìn)行校正。該自動(dòng)校正過(guò)程在每次啟動(dòng)后以1 小時(shí)的間隔自動(dòng)地進(jìn)行，并且具有周期性的清除功能。通過(guò)保證實(shí)測(cè)曲線(xiàn)符合理論曲線(xiàn)，避免長(zhǎng)時(shí)間的偏差，保證了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和精確度。

3）密度測(cè)量一般是采用高精度的壓力、溫度等傳感器，通過(guò)放大后的電氣回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 變換，并通過(guò)MCU 對(duì)其進(jìn)行處理，建立SF6氣體壓力與溫度的數(shù)學(xué)模型，對(duì)SF6氣體壓力與溫度的關(guān)系進(jìn)行分析。MCU 對(duì)SF6氣進(jìn)行計(jì)算，從而獲得SF6的濃度值。具體的可基于SF6的氣體濃度分布的關(guān)系式來(lái)進(jìn)行的處理[4]。

其中，ρ表示密度，p表示絕對(duì)壓力（單位：MPa），T表示溫度（單位：K）。當(dāng)我們測(cè)量到溫度和壓力數(shù)值之后，可以運(yùn)用皮爾卡丹公式解決該方程，從而求得唯一的密度ρ[4]。

GIS 設(shè)備微水含量智能監(jiān)測(cè)、檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)顯示器直接呈現(xiàn)露點(diǎn)值（微水含量）、密度值、溫度值。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)RS-485 數(shù)據(jù)通訊方式連接到中央控制室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6電氣設(shè)備中SF6氣體密度和微水的情況。具體原理框圖請(qǐng)見(jiàn)圖1。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

4）為了滿(mǎn)足對(duì)SF6設(shè)備補(bǔ)氣、純度、分解物試驗(yàn)、測(cè)試等定檢和預(yù)試的需求，密封技術(shù)在本系統(tǒng)中顯得尤為關(guān)鍵。為保證完全密封且無(wú)泄露，系統(tǒng)的SF6氣體取樣裝置采用不銹鋼材質(zhì)，并通過(guò)氬弧焊接，形成整體，保證了焊接的牢固、美觀。該密封環(huán)采用通常用于高壓電器的EPDM，并具有穩(wěn)定的密封性能。逆止閥接頭的密封結(jié)構(gòu)為硫化結(jié)構(gòu)和錐形密封，其密封區(qū)大，密封性可靠。使用He 質(zhì)譜儀進(jìn)行漏泄檢測(cè)，在5×10～9 mbar 1/s 以下的情況下，該裝置的漏泄檢測(cè)要求優(yōu)于高電壓開(kāi)關(guān)裝置的漏泄指標(biāo)[5]。該機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合了國(guó)內(nèi)外SF6閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，消除了因氣體泄漏和濕氣擴(kuò)散而對(duì)SF6氣體特性的危害。這保證了取樣設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定和可靠。

5.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由3 個(gè)部分組成：過(guò)程層、間隔層和站控層。過(guò)程層包括變送器，可以進(jìn)行SF6微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力和密度的測(cè)量。間隔層是一個(gè)微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，用于采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。站控層是上位機(jī)監(jiān)控軟件[6]。電纜連接到系統(tǒng)主機(jī)和變送器之間。變送器內(nèi)的采樣池采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)，可實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備中SF6的微水、密度、溫度等相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，并與系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)主機(jī)分時(shí)獲取各傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，接收后臺(tái)指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣。通過(guò)這種方式，在不排放二氟化硫（SF6）氣體的情況下，能夠長(zhǎng)期監(jiān)控SF6斷路器的狀態(tài)，確保電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修[6]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，而系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

5.3 SF6密度繼電器四通閥接頭設(shè)計(jì)

SF6密度繼電器四通閥接頭主要應(yīng)用于電力行業(yè)高壓設(shè)備中以SF6氣體作為滅弧介質(zhì)。通過(guò)在在線(xiàn)檢測(cè)閥上轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，使閥與裝置主體之間的空氣通路進(jìn)行切換。這允許裝置主體的內(nèi)部腔室的充氣、補(bǔ)氣和微水、分解物、純度的測(cè)試和SF6的密度繼電器控制器的在線(xiàn)檢查和更換[7]。

新接口裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)圖如圖4，接口1：用于氣室連接；接口2：用于連接微水壓力傳感器；接口3：用于連接密度繼電器；接口4 用于補(bǔ)充壓力。

圖4 某電廠GIS微水含量監(jiān)測(cè)、檢測(cè)新接口裝置設(shè)計(jì)

5.4 SF6氣體密度微水傳感器

SF6微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器主要用于電力系統(tǒng)中采用SF6氣體絕緣的高電壓電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)可對(duì)SF6微水、溫度、濕度、露點(diǎn)、壓力、密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并具有超限報(bào)警和密度報(bào)警功能。高質(zhì)量的智能化電子元件和傳感器完美結(jié)合，使得該傳感器得以成功應(yīng)用于各種極端惡劣的工業(yè)環(huán)境中。聚合物薄膜探針及自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的優(yōu)點(diǎn)是在干燥環(huán)境中使用的理想工具，并且具有抗結(jié)露、抗油等優(yōu)點(diǎn)，適合于大部分的化學(xué)環(huán)境。智能的自動(dòng)校準(zhǔn)和重新捕捉工藝使露點(diǎn)儀成為一種先進(jìn)的設(shè)備，并減少了維護(hù)的工作量[8]。

5.5 現(xiàn)場(chǎng)采集單元

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集裝置是SF6濃度微水線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集匯集處，其主要功能如下：

為SF6濃度微水線(xiàn)傳感器提供RS-485 接口，與SF6濃度微水傳感器進(jìn)行通訊，從各個(gè)傳感器接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；提供與人機(jī)接口通信的網(wǎng)絡(luò)電纜或光纖接口，并將SF6密度微水傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到人機(jī)接口；同時(shí)，通過(guò)MODBUS 協(xié)議將傳送到人機(jī)接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

表1 現(xiàn)場(chǎng)采集單元主要技術(shù)參數(shù)

5.6 后臺(tái)監(jiān)控軟件

1）GIS 設(shè)備SF6微水、密度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)氣室內(nèi)的微水、濕度、露點(diǎn)、壓力和溫度，并在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[9]。

2）GIS 設(shè)備SF6微水、密度等歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。設(shè)備歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)可根據(jù)時(shí)間段和系統(tǒng)設(shè)置的設(shè)備編號(hào)查詢(xún)；系統(tǒng)軟件具有讀取每個(gè)傳感器單元中的微水、溫度、壓力、濕度等功能[9]。

3）自動(dòng)生產(chǎn)分析報(bào)告。可隨時(shí)繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間變化趨勢(shì)圖，生成分析報(bào)告，隨時(shí)了解氣體的微水含量和密度變化趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)報(bào)警前采取有效的預(yù)防措施，使設(shè)備運(yùn)行更加安全。

4）具有設(shè)備和系統(tǒng)參數(shù)的獨(dú)立設(shè)置功能。當(dāng)測(cè)量氣體指標(biāo)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)警或鎖定信號(hào)自動(dòng)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，或直接啟動(dòng)報(bào)警和鎖定裝置；

5）具有功能模塊的智能設(shè)置功能。實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信代理、閾值比較、監(jiān)控預(yù)警等功能[9]。

6 應(yīng)用效果驗(yàn)證

1）檢查和評(píng)估新設(shè)計(jì)制造的接口裝置的應(yīng)用效果。通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，項(xiàng)目組確認(rèn)新接口裝置不僅能滿(mǎn)足GIS 重要指標(biāo)參數(shù)微水等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，且滿(mǎn)足設(shè)備補(bǔ)氣、純度、分解定檢、預(yù)試的需要。設(shè)備生產(chǎn)安裝質(zhì)量好，無(wú)泄漏，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)向信息化在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的轉(zhuǎn)變，既提高了工作效率，又降低了工作風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了項(xiàng)目研究和應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)。

2）GIS 設(shè)備SF6校驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)閥體上的黑色旋鈕，將旋鈕旋至“OFF/關(guān)”位置，可切斷開(kāi)關(guān)氣室氣路，此時(shí)校驗(yàn)口自封閥與密度繼電器氣路相通，將密度控制器校驗(yàn)儀接頭與校驗(yàn)口自封閥對(duì)接后可進(jìn)行校驗(yàn)操作。正常工作時(shí)將旋鈕旋至“ON/開(kāi)”位置，開(kāi)關(guān)氣室、SF6密度控制器、校驗(yàn)口同時(shí)接通（可進(jìn)行氣體采樣、微水檢測(cè)等）和密度微水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

3）通過(guò)對(duì)系統(tǒng)收集的微水、溫度、壓力、濕度等數(shù)據(jù)，確認(rèn)所有指標(biāo)數(shù)據(jù)均符合《六氟化硫電氣設(shè)備氣體管理和檢測(cè)指南》（GB/T8905-2008）技術(shù)要求[4]，達(dá)到了研究和應(yīng)用SF6露點(diǎn)、壓力變送器和SF6綜合在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)。

7 結(jié)束語(yǔ)

在某電廠研究應(yīng)用取得實(shí)效后，目前同屬區(qū)域公司的電廠已啟動(dòng)項(xiàng)目推廣應(yīng)用工作，同行業(yè)電廠也對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了前期考察調(diào)研，該項(xiàng)目應(yīng)用為行業(yè)提供了有效的應(yīng)用解決方案參考價(jià)值。項(xiàng)目研究應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)免拆卸校驗(yàn)氣體密度繼電器，滿(mǎn)足設(shè)備補(bǔ)氣、純度、分解物試驗(yàn)、測(cè)試等定檢、預(yù)試的技術(shù)措施要求。GIS設(shè)備SF6微水等重要指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警，并能自動(dòng)生成運(yùn)行曲線(xiàn)、圖表，能直觀表現(xiàn)真實(shí)值、告警閾值，為設(shè)備安全運(yùn)行分析和科學(xué)檢修提供可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。