GIS设备微水含量智能监测系统技术研究应用

艾永俊

（广东水电云南投资有限公司，云南 红河 661100）

0 前言

GIS 设备全称为“气体绝缘金属封闭开关设备”GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是该设备的英文缩写[1]。除了在高压和超高压领域得到广泛应用外，GIS 还被应用于特高压领域。其中由断路器，隔离开关，接地开关，互感器，避雷器，汇流条，连接件，输出端等组成。所有这些装置或组件被密封在具有合适压力的SF6绝缘气体的金属接地壳体中。SF6设备的密度和水分的检测、监督和管理是按照《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》（GB/T8905-2008）的要求进行。根据规程要求，SF6装置间的年漏气率不得高于1%。在湿度检测方面，对于126～550 kV 的新投入使用的装置而言，在3～6 个月后，在此后1～2 年内进行第一次测定。对于40.5～72.5 kV 的设备，在投入使用后1 年进行一次检测，此后2～3 年进行一次检测[2]。

GIS 设备有高可靠性、简便维护、长检修周期等优点，同时也存在固有缺点：

SF6气体泄漏、外水渗入、导电杂质、绝缘子老化等因素可能导致GIS 内部故障，对电网安全和操作人员人身安全构成重大威胁；由于GIS 采用全密封的结构，其特征是对GIS 的故障进行定位和维修的难点。事故发生后，其平均停电检修时间长，停电范围大，且包括多个未失效部件，从而使得消缺和检修工作变得更加繁琐[3]。

1 概述

1）某电厂GIS 设备运行已达11 年，需定期按照DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》要求，结合设备全停开展SF6微水含量定检工作，现有微水监测、检测结构、检测技术设计不合理，每次定检都必须拆卸表计，工作量大，频繁拆卸极易引起表前逆止阀密封不严，造成气室气体泄漏、外部水分渗入[8]。

2）某电厂GIS 现有设备结构仅设计了SF6气体密度监测，缺少安全运行重要指标参数微水、温度、湿度、露点等在线监测工作，单一的参数检测结果作为判断设备运行状况的依据，不能准确反映GIS 设备运行实况和变化趋势，极易导致GIS 设备内在缺陷无法及时发现和预警。

3）某电厂GIS 设备历次定检时发现多个气室SF6微水含量达行业允许上限标准极值（500 uL/L），GIS 全密封结构特点使相关检修、应急处理工作较为繁杂。

结合行业背景和企业存在的问题，通过调查、分析、研究，认为开展GIS 设备重要指标参数微水、温度、湿度、露点、压力、密度智能在线监测、检测技术研究，并将成果应用于服务设备安全运行状态分析、预警、科学检修工作是非常有必要的。

2 研究目的

1）通过对行业背景和企业存在问题的分析研究，找到解决某电厂GIS 设备安全运行重要指标参数微水、温度、湿度、露点、压力、密度智能在线监测、检测的技术方案和有效路径，提高GIS 设备微水含量在线智能监测、检测技术水平，提升电厂服务电网安全保供电、助力集团快速发展的基础能力。

2）在行业、集团或同属区域公司各电厂率先开展技术研究及应用，通过验证其可行性、有效性，为行业、集团或同属区域公司各电厂解决同类问题提供可参考的研究、应用成果。

3 关键技术与工艺

1）利用发明原理中多项原理[10]，设计、定制免拆卸校验密度继电器四通阀接口装置，以满足SF6重要指标参数微水、湿度、露点等在线监测，免拆卸校验气体密度继电器，设备补气、纯度、分解物试验、测试等定检、预试要求的技术目标。

2）采用全新材料高分子薄膜传感器技术、成熟传感器电路设计和创新温度补偿算法（非线性函数规范化多项式拟合曲线法）SF6露点及压力变送器[4]，实现单一传感器即可同时采集SF6微水、温度、湿度、露点、压力、密度等重要参数的技术目标。

3）采用集测控、计算机、网络通信、传感器技术于一体在线监测系统实现GIS 设备重要指标参数微水等监测分析工作，同时满足设备状态、报警显示、数据存储、电站综合自动化系统接入和网络浏览数据的应用需求[8]。

4 主要创新点

1）专业设计、定制的免拆卸四通阀接口装置，既能满足GIS 设备SF6微水等重要指标参数在线监测，又能满足设备补气、纯度、分解物定检、预试需求，实现传统检测技术向在线检测技术转变，既提高工作效率，又降低作业风险。

2）采用的传感器技术可实现单一传感器同时采集GIS 设备SF6微水、温度、湿度、露点、压力、密度等重要指标参数；实现了单一性能参数采集向多性能参数采集技术的转变；不仅提高设备状态分析、预警准确性，还具有新颖性和可快速普及应用的特点。

3）使用的软件可实时分析、计算、处理数据，自动生成运行曲线、图表，直观表达真实值、告警阈值，为设备运行分析和科学检修提供可信的基础数据服务。

5 系统原理及结构设计

5.1 系统原理

1）GIS 设备微水含量智能监测、检测系统主要包括高精度的湿度、压力和温度的传感器。系统通过放大相关信号、A/D 变换及嵌入式微处理器的运算处理，实现实时的检测结果[4]。

2）微水传感器是该系统的关键检测元件。该系统采用高分子膜电容技术的微型水敏元件，具有高精度、高灵敏度和高稳定性。该设备基于如下原理：在系统在检测气体时，水分子通过所述聚合物膜时，所述膜的介电常数改变，由此改变电容[4]。同时，SF6气体中的含水量与电容器值的变化呈线性关系。通过高频率电路处理信号，可获得与含水量成比例的电压值。在进行A/D 变换后，将该电压值输出至监测数据处理部MCU，由此进行微水分含量的测定。为解决SF6气体中微量水分含量测定精度的问题，系统支持自动校正程序，对测定曲线的零位偏差进行校正。该自动校正过程在每次启动后以1 小时的间隔自动地进行，并且具有周期性的清除功能。通过保证实测曲线符合理论曲线，避免长时间的偏差，保证了测量结果的稳定性和精确度。

3）密度测量一般是采用高精度的压力、温度等传感器，通过放大后的电气回路来实现。将得到的数据进行A/D 变换，并通过MCU 对其进行处理，建立SF6气体压力与温度的数学模型，对SF6气体压力与温度的关系进行分析。MCU 对SF6气进行计算，从而获得SF6的浓度值。具体的可基于SF6的气体浓度分布的关系式来进行的处理[4]。

其中，ρ表示密度，p表示绝对压力（单位：MPa），T表示温度（单位：K）。当我们测量到温度和压力数值之后，可以运用皮尔卡丹公式解决该方程，从而求得唯一的密度ρ[4]。

GIS 设备微水含量智能监测、检测系统可通过显示器直接呈现露点值（微水含量）、密度值、温度值。同时，系统通过RS-485 数据通讯方式连接到中央控制室进行实时监测SF6电气设备中SF6气体密度和微水的情况。具体原理框图请见图1。

图1 检测系统组成结构示意图

4）为了满足对SF6设备补气、纯度、分解物试验、测试等定检和预试的需求，密封技术在本系统中显得尤为关键。为保证完全密封且无泄露，系统的SF6气体取样装置采用不锈钢材质，并通过氩弧焊接，形成整体，保证了焊接的牢固、美观。该密封环采用通常用于高压电器的EPDM，并具有稳定的密封性能。逆止阀接头的密封结构为硫化结构和锥形密封，其密封区大，密封性可靠。使用He 质谱仪进行漏泄检测，在5×10～9 mbar 1/s 以下的情况下，该装置的漏泄检测要求优于高电压开关装置的漏泄指标[5]。该机械结构结合了国内外SF6阀结构的优点，消除了因气体泄漏和湿气扩散而对SF6气体特性的危害。这保证了取样设备的结构和性能的稳定和可靠。

5.2 系统总体结构设计

该系统由3 个部分组成：过程层、间隔层和站控层。过程层包括变送器，可以进行SF6微水、温度、湿度、露点、压力和密度的测量。间隔层是一个微水密度在线监测装置，用于采集现场数据。站控层是上位机监控软件[6]。电缆连接到系统主机和变送器之间。变送器内的采样池采用内循环技术，可实时测量设备中SF6的微水、密度、温度等相关参数，实现实时显示，并与系统主机进行通信和数据交换。系统主机分时获取各传感器数据后，将数据上传到后台计算机进行处理，接收后台指令，实现实时采样。通过这种方式，在不排放二氟化硫（SF6）气体的情况下，能够长期监控SF6断路器的状态，确保电力设备的安全稳定运行，并实现状态检修[6]。系统的整体结构如图2 所示，而系统的逻辑结构如图3 所示。

图2 系统结构图

图3 系统逻辑结构

5.3 SF6密度继电器四通阀接头设计

SF6密度继电器四通阀接头主要应用于电力行业高压设备中以SF6气体作为灭弧介质。通过在在线检测阀上转动旋钮，使阀与装置主体之间的空气通路进行切换。这允许装置主体的内部腔室的充气、补气和微水、分解物、纯度的测试和SF6的密度继电器控制器的在线检查和更换[7]。

新接口装置优化设计参数及设计图如图4，接口1：用于气室连接；接口2：用于连接微水压力传感器；接口3：用于连接密度继电器；接口4 用于补充压力。

图4 某电厂GIS微水含量监测、检测新接口装置设计

5.4 SF6气体密度微水传感器

SF6微水密度在线监测传感器主要用于电力系统中采用SF6气体绝缘的高电压电器的远程监控。该系统可对SF6微水、温度、湿度、露点、压力、密度进行实时监控，并具有超限报警和密度报警功能。高质量的智能化电子元件和传感器完美结合，使得该传感器得以成功应用于各种极端恶劣的工业环境中。聚合物薄膜探针及自动校准软件的优点是在干燥环境中使用的理想工具，并且具有抗结露、抗油等优点，适合于大部分的化学环境。智能的自动校准和重新捕捉工艺使露点仪成为一种先进的设备，并减少了维护的工作量[8]。

5.5 现场采集单元

现场数据采集装置是SF6浓度微水线监控系统的数据采集汇集处，其主要功能如下：

为SF6浓度微水线传感器提供RS-485 接口，与SF6浓度微水传感器进行通讯，从各个传感器接收监控数据；提供与人机接口通信的网络电缆或光纤接口，并将SF6密度微水传感器的监控数据传送到人机接口；同时，通过MODBUS 协议将传送到人机接口的数据转换成网络协议，实现通信协议转换功能。

表1 现场采集单元主要技术参数

5.6 后台监控软件

1）GIS 设备SF6微水、密度等实时数据监测。数据处理服务器长期实时在线监测气室内的微水、湿度、露点、压力和温度，并在数据异常时发出报警信号[9]。

2）GIS 设备SF6微水、密度等历史数据查询。设备历史数据和报警数据可根据时间段和系统设置的设备编号查询；系统软件具有读取每个传感器单元中的微水、温度、压力、湿度等功能[9]。

3）自动生产分析报告。可随时绘制各监测点的时间变化趋势图，生成分析报告，随时了解气体的微水含量和密度变化趋势，在监测指标超过报警前采取有效的预防措施，使设备运行更加安全。

4）具有设备和系统参数的独立设置功能。当测量气体指标超过标准时，报警或锁定信号自动上传到远程监控中心，或直接启动报警和锁定装置；

5）具有功能模块的智能设置功能。实现监控数据收集、数据处理、标准化数据通信代理、阈值比较、监控预警等功能[9]。

6 应用效果验证

1）检查和评估新设计制造的接口装置的应用效果。通过多次现场调查，项目组确认新接口装置不仅能满足GIS 重要指标参数微水等在线监测，且满足设备补气、纯度、分解定检、预试的需要。设备生产安装质量好，无泄漏，实现了传统检测技术向信息化在线检测技术的转变，既提高了工作效率，又降低了工作风险，达到了项目研究和应用的预期目标。

2）GIS 设备SF6校验时，可通过阀体上的黑色旋钮，将旋钮旋至“OFF/关”位置，可切断开关气室气路，此时校验口自封阀与密度继电器气路相通，将密度控制器校验仪接头与校验口自封阀对接后可进行校验操作。正常工作时将旋钮旋至“ON/开”位置，开关气室、SF6密度控制器、校验口同时接通（可进行气体采样、微水检测等）和密度微水在线监测功能。

3）通过对系统收集的微水、温度、压力、湿度等数据，确认所有指标数据均符合《六氟化硫电气设备气体管理和检测指南》（GB/T8905-2008）技术要求[4]，达到了研究和应用SF6露点、压力变送器和SF6综合在线监控系统的预期目标。

7 结束语

在某电厂研究应用取得实效后，目前同属区域公司的电厂已启动项目推广应用工作，同行业电厂也对本项目进行了前期考察调研，该项目应用为行业提供了有效的应用解决方案参考价值。项目研究应用后，实现免拆卸校验气体密度继电器，满足设备补气、纯度、分解物试验、测试等定检、预试的技术措施要求。GIS设备SF6微水等重要指标数据实现实时监测、分析、报警，并能自动生成运行曲线、图表，能直观表现真实值、告警阈值，为设备安全运行分析和科学检修提供可信的基础数据服务。