变电站便携式SF6气瓶加热装置研究

2018-04-07董海波张嘉倍行明涛李志刚路成钢

电子设计工程 2018年5期

董海波，张嘉倍，行明涛，李志刚，路成钢，梁凯

（1.郑州华力信息技术有限公司河南郑州450006；2.东北大学辽宁沈阳110167）

六氟化硫（SF6）气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能，被大量应用于电力设备中，如：断路器、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。

SF6气体绝缘设备得到了广泛使用，使得电力部门在运维检修过程中需要进行大量的SF6充气、补气工作。当气瓶中的液态SF6充入设备时，SF6由液态变为气态，需要吸收大量热量，如果外部无法提供热源，则气瓶表面温度骤降有结冰现象，温度进一步降低时，SF6气化过程放缓，当环境温度较低时甚至无法充气。传统的解决方法是用大量热水或汽油喷灯加热气瓶来补充热量，缺点是受热面积不均匀，温度不能保持恒定，工作效率低、气体残留率高，同时汽油喷灯属动火作业存在安全隐患。

目前市场上最常见的有两种解决方案，第一种是采用电磁加热，在气瓶表面缠绕电磁线圈。通过加热控制器，实现电磁对钢瓶体加热（原理类似家用电磁炉）。这种方案优点是加热速度快，加热效率高。缺点是安全性不高，危险性及大。第二种是电加热毯方案，电加热毯是一种柔性加热毯，它的保温材料和面料均为化纤类产品，可折叠，卷曲。产品由里到外分别为电热面布、电热丝、电热基布、保温材料、面布（类似家用电热毯）等部分组成。它的优点是加热稳定，效率高。缺点：加热时瓶体吸热会产生水。有造成电热丝短路的可能，安全性不高。

基于以上原因，我们采用了一种新的思路，开发设计一套加热装置，热风加热钢瓶装置。它用便携式工业热风机作为热量来源，可以设定恒定温度参数，高效率出热，具备大风量，长时间工作等特点。通过耐热管道把高达150°C的热风输入到带隔热套的钢瓶周围。外部又增加了一套温度监控系统，实时检测隔热套内的温度参数，当温度超过限值时，可以通过控制回路直接切断热风机的工作电源，使其断电并及时停止工作。本装置通过两个完全独立的检测控制回路，彻底解决加热前端的安全问题。

1 方案设计

本方案采用5 kW工业热风机提供热源，通过耐高温管把热风送入带有隔热套的SF6气瓶周围，实现对SF6气瓶充气过程的实时加热，防止气瓶在充气过程中结冰，提高充补气效率。方案结构图如图1所示。

图1 结构图

SF6气瓶加热装置，主要从易维护性、便携性、安全性等方面开展研究。

1.1 易维护性

本装置采用模块化设计，各功能模块简单组装即可运行。在运行过程中的维护应尽量做到简单易行，系统安装和使用方法简单、可靠。而且维护过程中无需使用过多专用的维护工具。另外配件非常容易采购。它主要分为3个模块，分别是热量产生模块（即工业热风机）、温度检测控制模块、瓶体隔热保温模块。

热量产生模块及携式工业热风机，它采用非磁性镍铬丝通电加热空气作热风源。采用干净卫生，符合环保的设计理念。并具有巧妙风洞设计，空气从螺旋电热丝内/外侧均匀通过，热交换近100%，风压损失少等特点。热风机外型图如图2所示。

图2 工业热风机外形图

温度检测控制模块，采用两套隔离检测回路，分别是热风机内部出口温度检测回路采用铂电阻工业温度传感器做为热风出口温度检测的敏感器件。独立的外部隔热套内温度检测回路采用完全数字化的温度传感器，特点是精度高，方便耐用。

瓶体隔热保温模块，采用特氟龙耐高温布。布料除具有优异的释放性，抗磨损性，低摩擦系数和耐腐蚀性之外，还能在-170～+260℃温度使用过程中保持原有物理形态，不会变形。并且其具备无毒、无臭、无味的诸多优良特性。另外隔热套具有非常良好的柔软性，可以方便折叠存放。隔热套示意图如下：

图3 隔热套示意图

1.2 便携性

加热模块采用工业便携热风机，它的重量只有9 kg，长×宽×高：449 mm×181 mm×272 mm 非常轻巧方便携带。特氟龙耐高温布隔热套柔软可折叠收藏，也非常方便携带。

1.3 安全性

温度检测控制模块，采用双重隔离检测回路，热风机内部出口温度检测回路，使用PID/SSR控制，精度高，反馈快，持久耐用。设有过热过载保护装置，充分保证设备安全可靠，并具有长时间不间断工作的特点。另外独立的隔热套内温度实时检测控制器，采用数字式温度传感器实时采集温度信息，并由外部温度测量控制器实时判断是否温度超限，并及时采用动作，保证温度在可控范围之内。

2 硬件设计

便携式SF6气瓶加热装置。主要由便携式热风机与外部独立检测控制器两部分组成。

2.1 便携式热风机

便携式热风机内部结构主要由鼓风机、发热器、温度控制电路三大部分组成。

鼓风机属容积运转式鼓风机。本装置鼓风机所使用材料，机壳叶轮为铝合金材质，轴则是钛合金材质。它采用单级叶轮模式，风冷冷却方式，驱动使用永磁高速电机变频驱动。控制采用变频调速控制，可以提供多种控制模式，包括：转速控制模式、DO控制模式、以及手动控制模式。平均工作环境温度20℃，湿度为80%，极端工作温度85℃，湿度100%。叶轮端旋转方向是逆时针旋转，通过20 000次的启动轴承测试，设计使用寿命10年以上，从而保证它的可靠性，它的主要特色是运行安全，使用寿命长。

发热器采用电阻加热法，利用电流的焦耳效应将电能转变成热能通过空气流动间接加热物体表面。电阻加热的发热元件采用镍铬合金和二硅化钼组成。它的电阻率大、电阻温度系数小，在高温下变形小且不易脆化。最高工作温度，可达100～500℃。

温度控制电路的温度探头采用PT100薄膜铂电阻，温度范围可达-70～500℃，并可长期稳定性工作。温度控制器实时采集PT100的温度，并通过控制发热器产生间接性的热量，对温度实时加热预估，实时保证加热温度在设定范围之内。当温度超越最大和最小限值时，控制器就会驱动发热器加热和停止作动态控制操作。

2.2 独立检测控制器

独立检测控制器回路主要由系统电源、主控CPU，系统时钟、显示模块存储单元、温度传感器等多个模块组成。

电源采用12 V/1 A开关电源模块。输入电压范围85～264 VAC，额定输出电压12 V输出电流为1 A，工作效率＞80%，安全方面具有，过压保护、过流保护、短路保护，并且具有保护后自恢复功能。完全支撑起整个系统的供电任务。

主控采用ST ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。主控CPU集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等，供电2～3.6 V，容忍5 V的I/O管脚，优异的安全时钟模式，带唤醒功能的低功耗模式，内部RC振荡器，内嵌复位电路，工作温度范围：-40～105°C。主要完成复杂信息处理工作。

系统时钟采用RX8025，它是一种具有高精度的，包括32.768 kHz晶振时钟I2C总线接口的实时时钟芯片。该芯片提供的功能包括产生6种典型中断、2个系统闹钟功能、振动停止、电源电压监控等，同时还包括数字时钟精度调节功能以满足各种精度要求。它主要为系统提供时间标签。

显示模块存储单元采用LED数码管和FLASH存储器，显示部分用1.5英寸共阳LED数码管，可以通过驱动电路实时显示隔热套内的温度信息，另外通过设置按键可以设置上限与下限温度限值。FLASH存储器[18-19]采用AT45DB16它的存储容量2 MB，可以记录所有温度越限数据和报警数据，还可以记录预设的温度限值信息，记录数据条数可以达万条以上，并且可以保存数十年之久。

图4 LED显示简图

温度传感器采用DS18B20，它最高提供12位精度的摄氏温度测量，而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。它通过一个单线接口发送或接受信息，因此在CPU和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。它的测温范围为-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度为±1℃。DS18B20产生的温度信息直接显示在LED显示模块上。并且实时给CPU提供参考温度数据，为输出控制提供数据依据。

独立检测控制器结构图如图5。

3 程序设计

SF6气瓶加热装置程序检测流程为模块化方案，分为温度采集模块，越限检测模块，输出控制模块。

图5 独立控制器结构图

当系统上电后，首先初始化各功能模块。主要包含初始化温度传感器，读取存储器内的温度预设越限数据。

系统正常工作后，程序每个运行周期内读取温度传感器的实时温度数据，同时与预设限值温度进行比较，如果实时温度小于预设限值温度下限时，程序输出控制加热装置开机产生热量输出，当实时温度大于预设温度上限时，程序输出控制加热装置停止加热。当实时温度数据超过警戒温度限值时。程序开始产生声光报警信号并及时断开热风机电源强制关闭热量产生。从而保证加热装置始终工作在可控温度范围之内。

程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

4 测试结果

本装置通过5个变电站的实际测试，测试范围，采取各种极限条件全面测试，并请电力行业技术专责现场指导检测，测试环境完全与实际应用保持一致。加热装置热风量最高可达到5.3 m3/min，便携工业热风机的输出温度最高可达150℃，输出最高风压可达350 Pa（全压），最高使用功率达5 kW。

为了测试实际使用效果，我们适当降低了热风机的输出风量，降低热风机的输出温度。通过测试SF6气瓶加热装置可以控制隔热套内的温度在40℃以内，气瓶内的气压在充补气时压力增加，充补气速度也明显加快，气瓶底部没有再出现结冰现象，SF6气瓶底部虽然有少量水产生，但毫不影响本装置的正常工作，另外工业热风机的热风量也能充分满足现场的实际需求。