新型GIS用SF6密度在线监测装置研究

2019-04-01钟世强范明豪许一力黄海龙

安徽电气工程职业技术学院学报 2019年1期

钟世强，范明豪，许一力，祁炯，黄海龙

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥 230022; 2.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽合肥 230022)

0 引言

SF6气体广泛应用于高压电气设备中，SF6气体密度监测的准确性直接影响设备的工作性能[1,2]。SF6密度监测容易受环境、产品设计及运维等方面的影响，存在密度监测不准确的问题[3]。基于此，对其开展有效的在线监测，为事故预防或故障判断提供数据以及掌握GIS的运行状态和稳定性作用巨大。

目前，GIS气室的SF6气体状态监测常采用机械式配合使用数字式远传密度继电器的方式，实现现场密度、压力和温度信号的显示、报警以及闭锁的接点信号输出和数据实时远传输出功能[4]。但由于固定点取样，且SF6气体测量区域气体无流动，会形成静态死区，GIS密度表不能有效反映GIS内部的实际压力值与密度(通过温度、压力值换算得出)。

当GIS产品存在故障时，SF6气体会分解产生硫化物(主要有SO2、H2S、SOF2、SF4和SO2F2)、氟化物(主要有HF、CF4和金属氟化物)和碳化物(主要有CO、CO2和低分子烃)。上述分解物中除SO2、H2S、CO和CF4毒性较小外，其它都是剧毒物，在设备内部的含量极少且极不稳定，若不能实施即时动态检测，则会迅速被GIS内置的吸附剂吸收，故障气体无法有效获取供进一步分析。其中SOF2、SF4等又会进一步水解产生SO2和HF。大量故障实例分析表明，H2S是热固型环氧树脂裂解的特征组分，且CO、CF4、C3F8气体可作为GIS设备运行状态评估与带电检测的特征气体[5-7]。因此，检测气室中SO2、H2S、HF、CO、CF4和C3F8等特征气体的含量，可为快速诊断出设备早期内部故障提供支持。

本文设计了一种具有模拟气体温度变化、固定点取样静态死区及循环扰动功能的模拟试验装置，为GIS密度的精确计量提供技术参数支撑；同时设计一种新型GIS用SF6密度在线监测装置，实施其气室内部SF6密度、压力及分解产物动态监测监控，为故障趋势预测提供数据。

1 模拟试验装置

1.1 原理及组成

模拟试验装置包括GIS模拟装置、环境温度模拟室、加热装置、稳压稳流装置、压缩机、换热装置、真空泵、SF6密度继电器以及管路阀门等。图1为装置原理图。

图1 GIS密度在线监测模拟试验装置原理图

1-GIS模拟装置；2-环境温度模拟室；3-温湿度控制装置；4-加热装置；5-机械式SF6-密度继电器；6-顶针式接头；7-数字式SF6密度继电器；8-补偿器；9-管路延长器；10-压力变送器；11-压力表1；12-安全阀；13-温湿度变送器；14-温度传感器1；15-温度传感器2；16-压力表2；17-压缩机；18-压力表3；19-换热装置；20-真空泵；21-真空计；22-管路接口1；23-管路接口2；24-SF6钢瓶接口；25-稳压稳流装置；26-SF6密度继电器。

S1-14为手动球阀，V1、V2为电动球阀，V3为真空充气电磁阀；新型GIS模拟装置设置有安全阀，底部中间位置设有排污口及排污阀S4，内部分别连接手动球阀S2、S3、S5、S6的管路设有不同方向倾斜角度为45°的管路，使内部SF6气体充分扰动；温湿度控制装置用于模拟现场季节性、昼夜等外部环境影响温度过程；加热装置内置温度传感器，采用PID控温方式，用于模拟电流通过导体温升过程与GIS内部发生故障情况。

1.2 工作方式与操作方法

1.2.1 系统自洁

打开手动球阀S1、S2、S7、S8、S9、S12，开启充气电磁阀V3及真空泵，打开手动球阀S11开始对系统管路进行抽真空自洁。真空计为133Pa时，开启电动球阀V1、V2及手动球阀S10(务必确认SF6钢瓶阀门为关闭状态)，2分钟后依次关闭手动球阀S11、充气电磁阀V3、真空泵、电动球阀V1、V2及手动球阀S1、S2、S7、S8、S9、S10、S12。

1.2.2 充装SF6气体

将SF6钢瓶接口通过管路、减压阀连接SF6钢瓶。开启换热装置，打开手动球阀S1、S2、S7、S8、S9、S10、SF6钢瓶阀，调整减压阀出口压力至0.7MPa，压力表1显示为0.6MPa时，依次关闭SF6钢瓶阀、手动球阀S10、S8、S7、S2、S1、S9及换热装置。

1.2.3 模拟静态死区在线监测

包括依次连接GIS模拟装置、手动球阀S13、管路延长器、补偿器、机械式SF6密度继电器、顶针式接头、数字式SF6密度继电器的管路；机械式SF6密度继电器、顶针式接头、数字式SF6密度继电器采用市场成熟产品；管路延长器根据现场SF6密度继电器固定点实际取样情况制作多个。

(1)管路气体回收。关闭手动球阀S13，依次打开手动球阀S9、S12、S2、S7、S8，开启换热装置、电动球阀V2、V1、压缩机，压力表2显示为-0.01MPa时，依次关闭压缩机、电动球阀V2、V1、换热装置、手动球阀S9、S12、S2、S7、S8。完成后将适合相应模拟试验的管路延长器进行更换。

(2)抽真空。更换管路延长器后，打开手动球阀S12，开启充气电磁阀V3及真空泵，打开手动球阀S14开始抽真空，真空计为133Pa时，依次关闭手动球阀S14、S12、充气电磁阀V3及真空泵。

(3)静态死区监测。完成抽真空后，开启温湿度控制装置、加热装置，打开手动球阀S13，机械式SF6密度继电器、数字式SF6密度继电器在线实时监测并存储。同时，加热装置内置温度传感器、压力变送器、温湿度变送器、温度传感器1、温度传感器2实时监测并存储，加热装置内置温度传感器、温湿度变送器达到试验设定阈值时，程序自动关闭温湿度控制装置、加热装置。

1.2.4 循环扰动在线监测

包括依次连接GIS模拟装置、手动球阀S1、S9、电动球阀V1、V2、压缩机、换热装置、稳压稳流装置、SF6密度继电器、手动球阀S8、S7、S2、S3、S5、S6管路。

(1)循环扰动。打开手动阀S2、S7、S8，开启换热装置、电动球阀V2、V1、压缩机，打开手动阀S1、S9，通过手动阀S9调节压力表2显示≤0.2MPa，打开调节手动阀S3、S5、S6开度情况，实现GIS模拟装置内部扰动的均匀或大小。

(2)扰动在线监测。开启温湿度控制装置、加热装置，打开手动球阀S13，机械式SF6密度继电器、数字式SF6密度继电器在线实时监测并存储。同时，加热装置内置温度传感器、压力变送器、温湿度变送器、温度传感器1、温度传感器2、SF6密度继电器实时监测并存储，加热装置内置温度传感器、温湿度变送器达到试验设定阈值时，程序自动关闭温湿度控制装置、加热装置。试验结束后，依次关闭手动阀S1、S9、压缩机、电动球阀V1、V2、换热装置、手动球阀S8、S7、S2、S3、S5、S6。

1.3 试验

1.3.1 气密性试验

将SF6钢瓶接口通过管路、减压阀连接高纯氮气钢瓶。打开手动球阀S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8、S9、S10、氮气钢瓶阀、S13，调整减压阀出口压力至1.2MPa，开启电动球阀V1(压力表2显示0.25MPa时将其关闭)、V2，压力表1显示为1.1MPa时，依次关闭氮气钢瓶阀、手动球阀S10。试验数据见表1。

表1 GIS密度在线监测模拟试验装置气密性试验记录表

结论：经保压24小时后发现表中各压力均无明显变化，气密性试验合格。

1.3.2 抽真空试验

环境为20 ℃、101.325 kPa情况下，打开手动球阀S1、S2、S7、S8、S9、S12，开启充气电磁阀V3及真空泵，打开手动球阀S11开始抽真空。真空计为133Pa时，记录24 h内真空度数值，试验数据见表2。

表2 GIS密度在线监测模拟试验装置真空保持试验记录表

结论：经24 h真空度保持试验后真空度为235 Pa，满足设计要求。

1.3.3 循环扰动试验

打开手动阀S2、S7、S8，开启换热装置、电动球阀V2、V1、压缩机，打开手动阀S1、S9，通过手动阀S9调节压力表2显示≤0.2MPa，打开调节手动阀S3、S5、S6开度情况，实现GIS模拟装置内部扰动的均匀或大小。试验数据见表3。

表3 GIS密度在线监测模拟试验装置循环扰动试验记录表

结论：通过调整S2、S3、S5、S6开关状况满足气体充分扰动，压力值变化在±0.005MPa范围内，满足设计要求。

2 新型GIS用SF6密度在线监测装置

2.1 原理及组成

新型GIS用SF6密度在线监测装置由限增压装置、限流装置、过滤器、空压机、特征气体预警模块、SF6密度继电器、稳压稳流装置、微型真空泵及管路阀门等组成。图2为装置原理图。

图2 新型GIS用SF6密度在线监测装置原理图

1-电磁阀V1；2-电磁阀V2；3-限流装置；4-单向阀；5-增压装置；6-特征气体预警模块；7-SF6过滤器；8-电磁阀V3；9-空气过滤器；10-空压机；11-精密过滤器；12-带压力显示减压阀；13-电磁阀V4；14-安全阀；15-压力表1；16-压力表2；17-手动阀S1；18-真空计；19-充气电磁阀V5；20-微型真空泵；21-电磁阀Vn；22-电磁阀Vn+1；23-SF6密度继电器；24-稳压稳流装置；25-GIS气室接口1；26-GIS气室接口n。

增压装置利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生的小面积活塞端的高压流体，输出气压通过驱动气源压力无级调节；空压机是市场成熟产品，主要用于增压装置驱动气源；特征气体预警模块可测量SF6气体的微水、H2S、SO2、HF、CO、CF4和C3F8含量，SF6密度继电器可测量SF6气体的压力、温度和密度，记录测量数据无线远传至后台软件进行故障趋势预测，实现智能化在线监测。

2.2 系统框图

系统采用上位机+PLC控制方式，系统开启后，对上位机软件进行相应参数设置，发出指令进行数据采集及按程序执行相应动作。满足故障趋势预测条件程序后，系统立刻声光报警并通知值班人员采取预防措施，避免事故发生。系统框图见图3。

图3 新型GIS用SF6密度在线监测装置系统框图

PLC输入输出控制：输出电磁阀V1、V2、V3、V4、V5、Vn、Vn+1、真空泵及空压机；输入P1、P2压力及机械式SF6密度继电器信号。

数据采集：SF6密度继电器采集数据分别为GIS气室SF6温度、压力、密度，特征气体预警模块采集数据分别为GIS气室SF6微水、H2S、SO2、HF、CO、CF4和C3F8含量，上述数据通过PLC与无线通讯模块RS485通讯，无线远传至上位机进行实时监控存储并进行故障趋势预测，模块内部设置阈值，出现异常输出，设置的声光报警立刻启动，便于快速锁定故障位置。

2.3 工作方式与操作方法

2.3.1 管路自洁

将GIS气室接口1，GIS气室接口n接入相应的GIS气室，打开电磁阀V1、电磁阀V2、电磁阀V3、电磁阀Vn、电磁阀Vn+1、充气电磁阀V5及真空泵，打开手动阀S1开始对系统管路进行抽真空自洁。真空计为133Pa时，依次关闭手动阀S1、充气电磁阀V5、真空泵、电磁阀V1、电磁阀V2、电磁阀V3、电磁阀Vn、电磁阀Vn+1。

2.3.2 密度在线监测

(1) GIS-1气室动态监测。系统开启电磁阀V1、电磁阀V2，开启空压机，调节减压阀显示为0.6MPa，此时增压装置后端输出压力为1.2MPa(通过压力表2观察)，再通过稳压稳流装置、SF6密度继电器，再经SF6过滤器过滤，然后开启电磁阀V3，由于限流装置阻隔，高压气体反充至GIS-1接口形成循环扰动实现在线动态数据采集。扰动时间应该阶段性的，比如夏天2 h/次，冬天1 h/次。扰动过程中，通过SF6密度继电器均等时间取5次样，取其压力平均值作为测量值。10min后，关闭电磁阀V2，压力表1为0MPa时，关闭空压机。稳定5min后通过SF6密度继电器均等时间取3次样，取其压力平均值作为测量值，然后依次关闭电磁阀V3、电磁阀V1。

(2)GIS-n气室动态监测。系统开启电磁阀Vn+1、电磁阀V2，开启空压机，调节减压阀显示为0.6MPa，此时增压装置后端输出压力为1.2MPa(通过压力表2观察)，再通过稳压稳流装置、SF6密度继电器，再经SF6过滤器过滤，然后开启电磁阀Vn，由于限流装置阻隔，高压气体反充至GIS-n接口形成循环扰动实现在线动态数据采集。扰动时间应该阶段性的，比如夏天2 h/次，冬天1 h/次。扰动过程中，通过SF6密度继电器均等时间取5次样，取其压力平均值作为测量值。10min后，关闭电磁阀Vn+1，压力表1为0MPa时，关闭空压机。稳定5min后通过SF6密度继电器均等时间取3次样，取其压力平均值作为测量值，然后关闭电磁阀Vn。

2.3.3 特征气体判别

(1)GIS-1气室监测。系统开启电磁阀V1、电磁阀V2，开启空压机，调节减压阀显示为0.6MPa，此时增压装置后端输出压力为1.2MPa(通过压力表2观察)，再通过稳压稳流装置、特征气体预警模块，再经SF6过滤器过滤，然后开启电磁阀V3，由于限流装置阻隔，高压气体反充至GIS-1接口形成循环扰动实现在线动态特征气体数据采集。扰动时间应该阶段性的，比如夏天4 h/次，冬天2 h/次。扰动过程中，通过特征气体预警模块均等时间取3次样，取其压力平均值作为测量值。10min后，关闭电磁阀V2，压力表1为0MPa时，关闭空压机。稳定5min后通过特征气体预警模块均等时间取5次样，取其压力平均值作为测量值，然后依次关闭电磁阀V3、电磁阀V1。

(2) GIS-n气室监测。系统开启电磁阀Vn+1、电磁阀V2，开启空压机，调节减压阀显示为0.6MPa，此时增压装置后端输出压力为1.2MPa(通过16压力表2观察)，再通过稳压稳流装置、特征气体预警模块，再经SF6过滤器过滤，然后开启电磁阀Vn，由于限流装置阻隔，高压气体反充至GIS-n接口形成循环扰动实现在线动态特征气体数据采集。扰动时间应该阶段性的，比如夏天4 h/次，冬天2 h/次。扰动过程中，通过特征气体预警模块均等时间取3次样，取其压力平均值作为测量值。10min后，关闭电磁阀Vn+1，压力表1为0MPa时，关闭空压机。稳定5min后通过SF6密度继电器均等时间取5次样，取其压力平均值作为测量值，然后关闭电磁阀Vn。