基于循环气体的GIS设备带电干燥装置研制与应用

2021-09-09韩四满李秀广

电工材料 2021年4期

韩四满，李秀广，郭林

（1.宁夏工商职业技术学院，银川 750021；2.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，银川 750011；3.国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏大武口 753000）

引言

随着我国电力设备不断更新换代，气体绝缘组合电器（GIS）具有占地面积小、维护检修工作量小以及运行可靠性高等特点，广泛应用到电力系统及大用户自备变电站。GIS设备内部一般都充有一定压力的六氟化硫气体，这种气体是一种无毒、无色、无味的物质，且化学性能相当稳定，具有优异的灭弧和绝缘性能，为此，广泛应用到电气设备中。但是如果GIS设备内部的SF6中微水值超出规程规定值，将会不同程度影响设备的绝缘性能，为GIS设备安全可靠运行造成一定的隐患[1,2]。

GIS设备内部SF6微水含量超过标准值，不仅影响设备的绝缘性能，还会产生有毒物质，主要原因有以下两个个方面：一是SF6微水值超标时，会在绝缘材料表面结露，降低设备的绝缘水平，如果超标达到一定水平就会发生闪络故障，如SF6微水含量较高则会在电弧作用下被分解，与GIS设备内部水分产生化学反应，生成WO3、CuF2等粉末状物质，其中，CuF2有强烈的吸湿性，附在绝缘表面，会进一步降低GIS设备内部的闪络电压；生成的H2SO3等都有很强的腐蚀作用，影响设备内部固体有机材料和金属材质部件的寿命。二是SF6在电弧作用下分解成SO2、SOF2、SOF4、SO2F2等化合物均为有毒、有害物质，不仅会对人体造成伤害，同时还对生态环保造成威胁，必须严格控制GIS设备内部的微水值，确保设备和人员的安全[3,4]。

据统计，SF6组合电器因微水含量超标导致设备停电检修的故障占26.35%，而运行中的设备一旦微水超标[5]，目前除了停电处理无其他有效的方法。为此，设计开发了一套SF6组合电器在线除湿装置，该装置可为运行组合电器中的SF6除湿，在不停电的情况下，使其微水含量降至正常范围内，这不仅降低了因停电而造成的直接经济损失，而且确保了GIS设备的供电可靠性。

1 GIS设备水分超标原因分析

（1）SF6受潮导致微水超标。SF6出厂时均按照相关标准进行检测，其微水含量都符合要求，但在气体运输或存储过程中都可能因处理不当导致微水含量超标，如充入GIS设备未进行检测，将使GIS设备内部的绝缘器件受潮，同时降低其绝缘水平[6]。

（2）GIS设备内部绝缘件受潮导致微水超标。GIS设备在出厂前都进行了检测，此时仅将在厂内组装后立即进行试验，但如绝缘件受潮不会立即引起SF6微水超标，在试验检测过程中不一定能检测出来；另外，GIS设备在运输过程中因密封问题也有可能导致绝缘件受潮，运输到现场无法再对绝缘件进行检测就安装到设备内部，但由于绝缘件内部的水分挥发比较慢，在交接试验过程中也不一定能检测出气体微水含量超标。

（3）GIS设备在现场安装过程中由于密封不当导致内部受潮。GIS设备在安装过程中也需要采取一定的防潮措施，否则会将空气中的水分带入到GIS设备内部，由于GIS设备现场施工工期、天气以及环境等因素，在现场很难达到室内干燥效果，特别是夏季雨季空气湿度远大于SF6要求的微水值，这将使GIS设备内部绝缘部件受潮，运行后导致微水含量超标。

（4）运行中的GIS设备因存在漏气引起SF6微水超标。空气中的水分含量远大于GIS设备内部的微水值，当GIS设备密封不良时,空气中的水分会随着漏气点进入GIS内部。如GIS设备充气口、气体管路接头、法兰处、铝铸件砂孔等泄漏点，这都是水分渗入设备内部的通道。空气中的水分渗透到GIS设备的内部是一个持续漫长的过程，泄露时间越长，渗入到GIS内部的水分会越多,经过一段时间后GIS设备内部气体微水含量就会超标。

（5）GIS设备水分进入的原因分析。一是GIS设备现场充装工艺不佳，如在抽真空过程中达不到工艺要求、气体管路接头等元件处理不彻底、现场安装人员未按有关规程和检修工艺操作要求进行操作，会使附在设备内部气体中的水分未清除干净，最终这些都会导致GIS设备内部气体微水超标。

2 气体在线干燥装置原理介绍

目前，GIS设备每个气室仅有一个充气检测口，一旦GIS设备内部气体微水含量超标，无有效方法将内部水分除掉，为此研制一种GIS设备循环SF6带电除湿装置。

2.1 带电干燥原理

由于GIS设备气室是一个整体密封的系统，其内部SF6中微水含量进行扩散本身就是一个缓慢的过程，为此对气室内部气体进行干燥难度较大，需要研制新型装置，使GIS内部的气体循环起来，才能将微水超标的气体进行干燥，在干燥的同时可测量微水含量，测得气室内部真实的微水含量。

2.2 SF6循环方法

新研制的SF6循环方法主要是采用活塞技术，活塞法SF6循环的工作原理如图1所示，气体循环气缸收到气体循环指令后，开始推动活塞左右移动，通过活塞的抽气、放气不断循环运动，将GIS设备的气体抽出来，通过干燥剂再推送到GIS设备内部，同时可对气体干燥的情况实时进行监测，在气体微水含量降低到标准以下时，可对活塞发出停止的指令。如监测到SF6微水含量不变，则应考虑到是干燥剂已经达到饱和，需要更换新的干燥剂，直至降低到设定值，可停止干燥。利用活塞使SF6实现循环，确保GIS设备内部的气体被抽出，再通过水分监测传感器，不仅可使SF6干燥，同时还能监测到GIS设备内部真实的微水含量。但活塞法气体循环装置因在运行过程中操作较为复杂，GIS设备内气体压力较大操作复杂，这对全封闭SF6干燥装置的密封性要求非常高，经过反复测试，最终确保了装置的密封性[7]。

2.3 气体在线干燥装置的研制

所研制的气体在线干燥装置，核心检测值主要通过气体湿度传感器、压力传感器以及温度传感器来实现。经过对监测值进行转化和计算处理，能实时监测干燥情况，并可通过无线信号将信息传送出去。气体在线干燥装置中，湿度传感器是核心部件，必须要保证其检测的准确性和可靠性。湿度传感器采用高分子薄膜电容技术，该传感器具有精度高、稳定性高等优点。湿度传感器的原理为：当所检测的SF6中的水分通过高分子薄膜时，其介电常数会发生一定的变化，这就使内部的电容量发生变化，因此气体中的微水量变化与传感器中的电容值变化具有一定的相关性，信号在经过处理后，会得到与微水值成正比的电压信号，该信号通过A/D转换，传送至数据处理中心，实现SF6微水值的检测。另外，装置还设计了自动校准程序，可对曲线零位的漂移进行测量，且该装置自动运行，具有一定的周期，这保证了微水测量值的有效性。气体在线干燥装置通过显示屏可直观看到气体的微水值，也可通过无线远传方式传至无人值班的监控中心，运行人员通过远程可对现场进行实时监测。

2.4 气体干燥装置的密封技术

气体在线干燥装置须具有良好的密封性，否则将给GIS带来隐患。开发的SF6在线干燥装置全部采用不锈钢、铝合金材质，装置一体化成型，保证了本装置的密封性[8]。

2.5 硬件电路

硬件电路是气体在线干燥装置的重要组成部分，可靠的硬件电路可以提升装置的性能，所研制的装置中硬件电路主要有信号发生部分、恒流源部分以及反馈采样部分。供电电源采用低压差稳定芯片，降低因电源发热引起的对其他电路的安全隐患[6]；信号发生部分由计算机控制，提供相位和幅值可调节的信号，经过恒流源后，进行采集、处理，反馈到恒流源部分的出入端口，进行微量的调节，确保恒流源电路的精度达到技术参数要求。由于恒流源的信号精度要求非常高，信号发生部分的电路由精度较高的D/A卡组成，输出信号的精度小于0.08 mV，这样该装置就可以满足精度的要求。本装置在硬件的选用上采用集成度高的芯片，确保了硬件电路的稳定性以防信号发生畸变。为此在硬件部分设计前期，从原理、零部件选型以及安装等全过程，充分考虑了装置的运行可靠性。

硬件部分是整套装置安全可靠运行的保障，同时为了便利性，在硬件设计上，要提前考虑到装置的扩展性，不仅可以对GIS设备内部的气体进行在线干燥，同时还可以实时监测气体微水值。该装置硬件部分主要由电源部分、控制电路、输入输出部分、信号采集和通讯部分构成[9]。本装置电源采用防浪涌、防正负反接等安全措施，同时充分考虑电源滤波技术，确保整个系统电源稳定可靠；控制电路选用高速高性能的ARM内核芯片，并对其进行嵌入式设计，保证装置运行测试的准确性。

2.6 装置性能测试

为了考核SF6组合电器带电干燥装置的性能，对该装置进行了微水值测试、温度测量误差测试以及温度补偿误差测试等信号精度测量。在该装置装配完成后，对该装置的密封性、信息通信的可靠性进行测试，经过测试，验证了该装置的有效性和数据的可靠性。

3 现场应用

2019年8月21日，宁夏电网某GIS变电站3351电流互感器间隔出现了微水值超标，该变电站为2018年12月投产，在进行带电检测时发现其微水含量为857μL/L，《国家电网公司输变电设备状态试验规程》要求，非灭弧气室微水含量应低于500μL/L，经漏气检测后未发现其他问题，气体成分检测也未发现异常情况，为此怀疑其绝缘材料在安装前未进行干燥处理，造成运行后微水值超标，将带电干燥装置接入到3351电流互感器间隔三通之后，该气室的微水值经过3个多月之后变为476μL/L，满足了规程要求，其变化趋势如图2所示。