SF6智能补气装置在电力电气设备中的应用

2021-10-19肖驰夫徐双双潘中伟

农村电气化 2021年10期

肖驰夫，徐双双，潘中伟

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，浙江杭州 311232）

当前电力行业的快速发展，使得各类智能化的装置被广泛应用到电力电气设备当中，用于维护各类电力电气设备的运行状态[1]。SF6电气设备凭借其大容量、可操作次数多、运行安全稳定等特点，在电力电气设备运行当中受到广泛关注。在SF6电气设备运行过程中，由于设备长期处于运行状态，因此需要通过其他设备为其提供所需的SF6气体，当SF6气体充入到设备当中时，为了确保安全，对于其作业的环境要求相对较高，并且气体当中可能含有水分。SF6气体价格十分高昂，一旦泄露又会造成严重的环境污染。因此，为了能够提高SF6气体重启作业工艺水平，降低充气难度，相关领域研究人员研制了一种全新的SF6智能补气装置。针对传统补气方式的诸多不利因素，此SF6智能补气装置能安全、匀速、定额定量地精准补气[2]。根据变电站不同设备气室建立独立模型，将历史数据进行趋势分析，通过补气次数及时间，判定设备的老化程度，提前预判设备的故障隐患。系统设计了防误操作逻辑判断，避免人为安全隐患，同时减少了补气所需工作人员的数量与工作量。为了进一步探究SF6智能补气装置的应用效果，开展下述研究。

1 SF6智能补气装置在电力电气设备中的应用

1.1 SF6智能补气装置结构设计

该装置在为电力电气设备补气的过程中，需要配合SF6气体补气气瓶、减压阀、接头箱等装置，其结构组成如图1所示。

其中，减压阀的主要作用是调节气瓶输出压力，为SF6开关设备提供补充气体。该装置的主机结构主要包含9个结构，分别为：

流量控制器：补气过程中，控制气体流速，可调节，并对补气量进行监测，实现定速定量补气。

001 逆止阀：一端接流量控制器，一端接电磁阀；补气过程中防止SF6开关气室内气体往外泄漏。

电磁阀：通断装置气路，和正反向电磁阀配合控制气路连接，通过不同的开关组合监测减压阀压力、气室压力，避免因气体流动导致监测压力不准确。

压力传感器：补气过程中用于监测补气压力是否到达设定目标，同时压力值与目标值做计算以控制流量控制器。

正反向电磁阀：通断装置气路，和电磁阀配合控制气路连接，通过不同的开关组合监测减压阀压力、气室压力，避免因气体流动导致监测压力不准确。

MCU 控制模块：采集压力传感器、温湿度模块、电池电量等数据信息，与显示交互界面设备进行数据通信，并对3个电磁阀进行控制。

显示交互界面：由安卓系统平板设备实现，与MCU控制模块进行数据交互，与流量控制器通信以读取流量数据，控制流速，手动/自动补气操作界面展示，实时工况展示，参数设置，历史数据等。将流速曲线、时长、时间、压力、温度、补气次数、补气间隔时长等信息进行计算存储，通过边缘计算、大数据分析建模精准计算出补气量，并且推演出下次补气时间[3]。根据历史模型判定设备的老化程度，提前预判设备的漏气概率。

电池/充电管理模块：系统由电池供电，包含充放电管理模块、电池电量监测模块、电源转换模块等。

温湿度检测模块：密闭容器管路内，气体压力会随温度进行变化。此数据用于对不同环境温湿度下工作参数数据进行补偿校准，确保数据精度。

除此之外，该装置还包括气路控制模块，由SF6智能补气装置主机输出气路接入，常开端接SF6开关气室，常闭端接气体回收袋；补气与气路清洗时用于切换气路。为实现对该装置的远程控制，利用无线规约转换器搭载Wi-Fi/4G/LORA通信模块，将主机数据进行转换传输。同时结合移动终端App，通过Wi-Fi 接收主机数据，并对主机进行控制操作。最后，通过后台服务器主机提供4G远程传输或LORA站端转换，实现后台连接。

1.2 装置补气流程

该装置的补气流程主要包括：气路清洗→开始补气→补气过程→补气完成，共4 个阶段。在气流清洗阶段，调整减压阀压力至气室目标压力值，三通阀连大气，根据气路走向（SF6气瓶→减压阀→流量控制器（主机）→逆止阀（主机）→电磁阀（主机）→压力传感器（主机）→正反向电磁阀（主机）→三通阀→气体回收袋）进行气路清洗。开始补气时根据设置的目标压力、气路流速、间隔时长等参数信息去监测气路及气室压力，同时根据设置自动调整气体流速，并按气路走向（SF6气瓶→减压阀→流量控制器（主机）→逆止阀（主机）→电磁阀（主机）→压力传感器（主机）→正反向电磁阀（主机）→三通阀→SF6开关气室）进行补气。记录初始补气时实测压力与目标压力的压差（目标压力-补气前压力），初始化气体流量计的流速，最大值为8 L/min，开启电磁阀进行补气。在补气的过程中，上位机执行一定时长补气后会关闭电磁阀并读取目标设备气室压力值，反馈到上位机控制模块初始单次补气时长为30 s，并根据单次时长和速率计算补气体积及重量，且每补气一个时长后关闭电磁阀5 s，待设备气室气体稍稳后，重新测量压力，反馈控制到上位机[4]。上位机接收到设备实时压力，计算剩余补气量百分比：（目标压力-实时压力）/（目标压力-补气前压力），根据压差比值控制单次补气量，逐次逼近目标压力值：当比值大于等于30%时，气体流量计以最大流速8 L/min工作；当压差大于等于20%时，气体流量计以4 L/min工作，单次补气时长为20 s；当压差小于20%时，气体流量计以4 L/min工作，单次补气时长为10 s。当气室压力或者补气量达到目标值时，停止补气作业，关闭所有电磁阀结束补气流程。并将当前补气量、时长、时间、压力、温湿度、等信息进行计算，记录到该气室模型中，模型根据历史记录、补气次数拟合预判开关气室当前状态，完成补气。

1.3 在线监测

为了确保该装置的稳定运行，在运行过程中，须要对装置以及被补气的电力电气设备进行实时的在线监测。将主机、气路控制模块、SF6开关气室进行安装连接，打开逆止电磁阀、关闭主机电磁阀，通过主机实时高精度采集SF6开关气室压力，进行长时间连续监测压力值，以判断SF6开关气室是否有泄漏问题[5]。图2 为该装置在线监测流程示意图。

如图2 所示，将该装置直接与监测设备连接，将监测到的SF6气体压力数据经过5G网络实时传送给后台终端、手机App、小程序等，实现压力值实时预览、告警信号实时推送。同时，结合SF6气体的特性，借助高精度流量计，对补气质量进行自动计算，以此解决气瓶不便称重，数据精度不高的问题。在补气前还应当在一定时间内，应当对该装置进行高频次压力监测。通过数据分析，实现密闭性检测，解决了管路密闭性影响补气的问题。针对充气过程中产生的多余气体，为了不对周围环境造成影响，并提高装置的经济性，还需要在监测模块当中增加一个针对SF6气体的回收装置，将清洗管路的SF6气体进行回收，减少环保风险。在该装置上引入全触屏操作模式，在装置出现异常状态时，可以自动停止补气，并发出告警信号，解决了传统补气操作烦琐、控制不易的问题。

图2 装置在线监测流程示意图

2 应用效果分析

为了进一步验证该装置在实际应用环境中的效果，利用SF6智能补气装置为公司设备提供补气。在补气过程中，利用该装置的在线监测模块对正常温度环境和20 ℃温度环境下SF6气体的压力进行测量，并得到如图3所示的测量记录结果。

图3 装置在线监测记录结果

从图3 记录结果可以看出，该装置能够在为电气设备提供SF6气体的同时实现对气体压力变化的记录，可实现对异常状态的实时监测，确保装置运行的安全和稳定。同时，在实际应用中，该装置可以实时采集气室压力，自动通过5G网络上传监控后台、手机App 等各类终端设备，实时掌握现场设备健康状态。该装置采用低功耗设计，电池供电，便携式使用，因此具备了便于操作的优势。除此之外，由于该装置当中采用了可变电磁阀门、高精度SF6压力表，因此能够根据压力差实时控制阀门，实现安全、高效、精准的补气。在应用过程中，该装置的创新性主要体现在通过MCU模块控制元器件，设定补气目标值后，实现自动补气，避免了人员操作失误带来的安全隐患。