变电站GIS设备SF6气体压力建模与分析

温 涛， 张 敏， 李 欢

(1.广州供电局有限公司， 广东 广州 511400；2.陕西理工大学 电气工程学院， 陕西 汉中 723000)

SF6是一种无色、无毒的惰性气体，具有非常强的绝缘性能和灭弧能力，被广泛应用于高压开关设备和断路器中[1]。由于制造、安装等质量差异以及材料老化等因素，SF6高压开关设备发生SF6气体泄漏是一个普遍存在的现象[2]。由于SF6的绝缘性能和灭弧能力均与其压力有着密切的关系[3-4]，因此SF6的泄漏会降低GIS的绝缘能力，影响设备的正常运行，当气体压力低于设定值时会危及设备正常的绝缘强度，进而给电力系统的安全可靠运行造成危险。当GIS设备气室出现泄漏缺陷时，其中的SF6气体压力会持续降低，当SF6气压降低到一定程度后，通常需要通过补气操作来维持GIS的绝缘能力[5]。国内外一些电力设备制造厂以及电力系统在线检测研发单位提出了许多种用于在线检测GIS中SF6气体泄漏的先进技术，可以在不停电的情况下，实时地发现电气设备中SF6的泄漏状况，检测结果较为准确和直观，目前较先进的检测手段有光声谱技术[6]和光学成像技术[7-8]等。但这些检测手段存在着成本较高、难以操作等不足。

本文通过对变电站用GIS设备中的SF6气体压力进行采集，通过最小二乘法进行拟合，得到SF6气体压力随时间的衰减曲线。通过衰减曲线来预估GIS设备补气间隔周期做出大致的估计，防止出现气压值下降至告警值再紧急补气的情况出现，以尽可能低的成本来避免GIS设备因压力不足而存在的潜在风险。

1 气体压力与时间关系数学模型的建立

GIS设备或SF6开关设备气室在正常运行情况下要求年漏气率小于1%，压力变化可以忽略不计。当封闭式设备出现泄漏时，SF6压力会持续下降，其泄漏速率与当前压力Ps呈正比：

(1)

其中，t为时间(单位：d)，α为泄漏速率比率。

已知，前一次补气后，气压Ps(t=0)为Ps0，则通过公式(1)可求得Ps随时间的变化规律：

Ps=Ps0e-αt。

(2)

实际的SF6压力采用读取SF6压力表的方式获得。现有的SF6压力表自带温度补偿装置，其显示压力值P为当前气室中实际压力归算至20 ℃时的气体压力，并不能真正反映气室内SF6实际的压力Ps。P与Ps的关系为

(3)

式中，T为当前温度(单位：℃)。

卡尔梅克草原位于亚欧草原的西端，是我们熟知的南俄草原的一部分。东面，伏尔加河由北向南静静地流过，南面是欧亚大陆的内海——里海，但卡尔梅克草原丝毫也享受不到来自里海的水汽，属于典型的大陆性气候，夏季酷热干旱，气温能达到+40多度。据说，五月是卡尔梅克最好的季节。

(4)

(5)

(6)

其中，β为修正参数。通过对Pi/Ai随ti的变化趋势进行拟合，求得α、β后便能得到该气室压力的变化曲线。

2 工程实际案例对模型的验证与分析

案例1 某110 kV ZB变电站主变变高设备采用GIS设备，自2015年10月起运行人员在巡视时发现其2#变高TYD气室间隔气压不断下降，存在漏气现象，该气室正常压力为0.45 MPa，告警压力为0.42 MPa，至2016年8月27日漏气点修复前，其历次气压记录如表1所示。其中，2016-01-13和2016-01-26两次只记录气压值，未进行补气操作。图1为2015—2016年期间的气压变化示意图。

表1 某变电站#2变高TYD气室间隔历次气压记录

其中i=1，2，…，9

将表2中相关数据代入式(6)，经过最小二乘法拟合，得到α=0.001 771，β=0.986 8。因此可得：

(7)

图1 气压变化示意图

(8)

即计算所得气压值为0.449 7 MPa，计算值与实际值误差δ=0.074 75%。

案例2 500 kV GN变电站220 kV设备采用GIS设备，2016年7月起，变电站运行人员巡视发现220 kV广芳甲线1 M母线气室压力值下降较快，存在漏气现象，该气室正常压力0.500 0 MPa，告警压力0.450 0 MPa，其历次气压记录如表3所示。

表3 GN变电站220 kV GIS设备气室间隔历次气压记录

将表3数据代入到式(5)和式(6)中，并进行拟合求得：

(9)

通过式(9)，我们可以预测下次补气时间，假设下次补气操作时的环境温度为T11=30 ℃，压力值下降至P11=0.470 0 MPa时进行补气操作，则计算得到补气间隔t11=48.26 d，预计为2017年5月14日进行补气操作。

基于上述结果可以发现，只要提前估计下次补气时的温度，就能对同一类型设备的补气间隔周期做出一个大致的估计，防止出现气压值下降至告警值再紧急补气的情况出现，避免了GIS设备因压力不足而存在的潜在风险。

目前，该模型已推广应用于广州供电局南部地区100多所变电站，在实践中通过大样本数据验证了该方法的正确性。

3 结 论

本文对变电站用GIS设备中的SF6气体压力进行建模，通过模型分析和数据拟合得到了SF6气体压力随时间的衰减曲线。对比基于衰减曲线求得的拟合值与实际测量值可以发现，拟合值和测量值之间的误差小于0.1%，证明了模型的准确性。结合本文的工作可以对GIS设备补气间隔周期做出大致的估计，防止出现气压值下降至告警值再紧急补气的情况出现，避免了GIS设备因压力不足而存在的潜在风险。

[参考文献]

[1] 吴变桃，肖登明，尹毅.GIS中SF6气体泄漏光学检测新技术[J].高压电器，2005，41(2)：116-118.

[2] 芦竹茂，梁基重，王天正，等.SF6红外成像检漏技术在特高压带电检测中的应用[J].绝缘材料，2015，48(9)：29-33.

[3] 姚明，吴均，尹毅，等.SF6气体绝缘电力设备中气体泄漏带压封堵技术的研究[J].高压电器，2007，43(5)：378-383.

[4] 张宗九，陈少波.SF6气体的压力和温度的关系[J].华东电力，2002，30(9)：19-22.

[5] 金家豪.SF6气体的监测与维护[J].华东电力，2000，28(5)：43-44.

[6] 陈建红，王芳，张明昭，等.变电站SF6泄漏在线检测技术的研究[J].通信电源技术，2016，33(4)：244-245.

[7] POWERS P E，KULP T J，KENNEDY R.Demonstration of differential backscatter absorption gas imaging[J].Applied Ioptics，2000，39(9)：1440-1448.

[8] MCRAE T G，KULP T J.Backscatter absorption gas imaging：A new techniqui for gas visualization[J].Applied Ioptics，1993，32(21)：4037-4050.