客運專線GIS柜開關(guān)室安全性的技術(shù)研究

黃曉文 上海鐵路局杭州供電段

1 背景

隨著高速鐵路、客運專線的投入，鐵路系統(tǒng)大量采用了新技術(shù)、新裝備、新工藝。其中牽引供電系統(tǒng)的核心－牽引變配電設備，更是跨越式更新，都采用集成性的SF6氣體GIS柜型。這樣不但可以提高供電可靠性，而且節(jié)約土地使用面積和減少成本投入。

SF6氣體以優(yōu)異的絕緣和滅弧性能在GIS領域得到廣泛運用。雖然在常態(tài)下，SF6是一種無色、無味、無毒的惰性氣體，但它在高壓電弧的作用下，會產(chǎn)生化學反應分解，遇到水份后會產(chǎn)生一些劇毒物質(zhì)，如 SOF2、SF4、SF2等。類似這些物質(zhì)即使是微量也能致人性命。GIS柜氣體泄漏的主要原因就是內(nèi)部燃弧。

目前，不僅國內(nèi)國家電網(wǎng)公司的維護人員，而且國外如日本、德國、法國等電網(wǎng)比較發(fā)達國家的電力維護人員都因?qū)怏w柜開關(guān)室重視程度不夠，沒有采用完善的氣體安全監(jiān)控措施，導致維護人員和值班員為及時處理故障，盲目進入已經(jīng)含有超標有毒氣體的開關(guān)室，出現(xiàn)中毒甚至死亡的事故，給家人和企業(yè)帶來無可挽回的損失。

因此研發(fā)GIS柜開關(guān)室SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)SF6開關(guān)室環(huán)境氧氣含量及SF6濃度在線監(jiān)測和溫濕度的檢測，彌補傳統(tǒng)依靠運行人員巡查現(xiàn)場氣室壓力或低值報警監(jiān)視的不足，對提高室內(nèi)SF6設備的狀態(tài)監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)氣體泄漏具有現(xiàn)實意義。

2 方案選定

2.1 傳統(tǒng)的SF6氣體檢漏方法

2.1.1 GIS自配密度繼電器、壓力表等在線檢測

傳統(tǒng)的GIS設備其自身配備了在線診斷裝置，對于SF6氣體，主要是用密度繼電器、壓力表等裝置監(jiān)視溫度、壓力和密度，及時掌握氣體狀態(tài)。然而，對于微量SF6氣體的泄漏，常規(guī)的GIS診斷裝置對微小的數(shù)據(jù)變化不易察覺，只有泄漏到一定量的時候，裝置才會反映出來。這樣，對于設備的正常運行和人員的健康安全都留下了不小的隱患。

2.1.2 使用手持式檢漏儀檢漏

手持式檢漏儀是一種傳統(tǒng)輕便的SF6氣體泄漏檢測裝置。一般的做法是工作人員巡視時，在GIS室外先將裝置檢測報警限值調(diào)整到一臨界值，攜帶檢漏儀進入室內(nèi)，當發(fā)生SF6泄漏，并且超過該臨界值，儀器將自動聲光提示。使用該種儀器的最大缺點在于，檢測的精度較低，且工作人員必須親自進入現(xiàn)場檢測，在檢測到SF6氣體泄漏的同時，自身已經(jīng)受到侵害，存在很大的隱患。

2.1.3 使用激光漏點成像儀查找漏點

國外一些SF6檢測儀器廠商利用SF6氣體對激光有較強的吸收能力，采用紅外光譜法原理檢測SF6氣體漏點，研制出激光漏點成像儀。使用這種儀器能快速檢測出SF6泄漏，并準確查找出漏點位置。但該裝置價格昂貴，一般每臺需要近百萬元，從經(jīng)濟的角度考慮，檢測成本較高。

由此可見，傳統(tǒng)的SF6氣體檢漏方法均存在明顯的不足，無法滿足我段對GIS室SF6氣體泄漏進行實時在線監(jiān)測的要求。

因而，研發(fā)SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，給進入SF6開關(guān)室的工作人員提供人身安全保障成為當務之急。

2.2 當前SF6氣體泄漏檢測技術(shù)

目前常用的SF6氣體泄漏檢測技術(shù)主要有三類：

（1）利用SF6氣體具有強烈吸收作用的特性，如美國LIS公司的Gas Vue TG-30紅外激光成像SF6氣體泄漏定位系統(tǒng)。它主要用于設備的檢漏，除結(jié)構(gòu)復雜外，價格十分昂貴，不適于環(huán)境監(jiān)控。

（2）利用聲波在SF6氣體中傳播的速度比在大氣中傳播的速度慢的特點，如德國DILO公司的3-026-R002型SF6氣體報警儀。它能檢測環(huán)境中SF6氣體含量大于2%體積百分比的濃度，可以通過擴展器連接最多達6個點的監(jiān)控系統(tǒng)。但其主要缺點是檢測下限太低，2%的SF6氣體濃度已遠遠超過了理論上SF6氣體對人的安全上限1 000 ppm。另一方面，它的檢測點數(shù)太少，不能滿足較寬闊空間的需要。

（3）利用SF6氣體的高度絕緣特性，采用高壓電暈放電技術(shù)原理。由于SF6氣體和空氣的絕緣性不同，兩個電極之間高壓放電通過的電流也不同，通過檢測該電流的大小，來判斷是否有SF6氣體存在以及其濃度。該種原理無論在技術(shù)成熟性、合理性方面，還是在經(jīng)濟性方面都是最佳的選擇。因此，最終確定采用高壓電暈放電原理檢測SF6氣體泄漏。

3 SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：系統(tǒng)主機、變送器、外圍設備。變送器負責SF6柜開關(guān)室現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集，傳送給系統(tǒng)主機，系統(tǒng)主機對采集數(shù)據(jù)分析、比較、判斷，并運行相應的處理程序。外圍設備包括報警設備、通風設備、外設監(jiān)控系統(tǒng)等，受系統(tǒng)主機控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示。

圖1 SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當環(huán)境中SF6氣體濃度或氧氣含量發(fā)生變化時，變送器能立刻捕捉到這一變化，并將檢測到的變化量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS－485現(xiàn)場總線傳送到系統(tǒng)主機，系統(tǒng)主機一方面將變送器傳來的采集數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示出來，另一方面，通過運算分析，與儲存在主機內(nèi)存儲器上的各種固有參數(shù)進行比較，作出判斷--各項數(shù)據(jù)是否超標。當SF6濃度高于報警設定值或O2含量低于報警設定值時，系統(tǒng)主機將自動進行聲光、語音報警，警告現(xiàn)場工作人員撤離，并向遠方控制中心發(fā)出報警信號，提醒采取相關(guān)應急處理措施。同時自動啟動風機進行通風，降低室內(nèi)SF6氣體含量，提高室內(nèi)空氣中含氧量。平時，巡視人員可以直接在監(jiān)控主機上查閱設備區(qū)域環(huán)境狀況，也可以查閱歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機還可通過RS－485現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)、英特網(wǎng)以及GSM公共無線通信網(wǎng)絡等方式上傳監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遙信、遙測、遙控。

4 系統(tǒng)功能及主要技術(shù)指標

4.1 系統(tǒng)功能

（1）環(huán)境中SF6氣體含量檢測功能

（2）SF6氣體泄漏報警點自主設置功能

（3）環(huán)境中O2含量檢測及顯示功能

（4）SF6氣體含量超標或缺氧報警功能

（5）報警時，風機自動啟動功能

（6）定時排風功能

（7）強制排風功能

（8）溫度、濕度檢測及顯示功能

（9）歷史記錄及事件存儲和查詢功能

（10）人體感應自動語音提示功能

（11）報警信號上傳功能

（12）數(shù)據(jù)上傳及遠方遙控操作功能

4.2 主要技術(shù)指標

表1 主要技術(shù)指標

5 技術(shù)難點及解決方法

本技術(shù)研究以滬杭線、京滬線牽引供電系統(tǒng)為目標立題，開發(fā)的SF6氣體環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)自2011年10月中旬在滬杭線許村牽引所投入試運行，經(jīng)四個月調(diào)試運行，攻克以下技術(shù)難點。

（1）SF6氣體微量泄漏無法檢測的問題：選用先進的高靈敏度傳感器，最低能檢測到100 ppm濃度的SF6氣體，報警誤差＜5%，O2報警誤差＜0.5%。

（2）傳感器放電區(qū)域容易吸附灰塵，加裝了微電機清洗裝置，已成功克服了這項難題。

（3）實時性方面：充分利用單片機的靈活性，對SF6傳感器采用間隙式工作測量，約8 min一次，大大提高了SF6傳感器的工作穩(wěn)定性和使用壽命。

（4）安全可靠及高效方面：精心設計的高頻小電流高壓開關(guān)電源，應用于SF6傳感器檢測頭，具有安全可靠、效率高的特點。采用雙差分處理方法，有效克服了溫度、濕度對測量結(jié)果的影響，消除了傳統(tǒng)產(chǎn)品的缺陷。

6 結(jié)束語

在高鐵和客運專線路牽引變配電所的GIS柜開關(guān)室建立SF6氣體含量超標報警系統(tǒng)，可以可靠、有效地保護維護人員和值班人員的人身安全，提高社會效益和經(jīng)濟效益，因此可在一些采用GIS氣體柜的變配電所開關(guān)室、GIS遠動房、GIS箱體柜內(nèi)適用，尤其是對高鐵、客專線路，地鐵、輕軌線路和大型工礦企業(yè)的變配電所亭的GIS開關(guān)室運用效果極佳。