GIS的SF6密度在線監(jiān)測淺談

艾睿

摘 要：GIS作為新型的主開關(guān)設(shè)備，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而GIS中的SF6氣體壓力和密度，則對(duì)GIS產(chǎn)品的性能起到了至關(guān)重要的作用。氣體密度的檢測方法也有長足的發(fā)展，而在線檢測是技術(shù)發(fā)展的趨勢，對(duì)更好地掌握GIS產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)和工作穩(wěn)定性有著關(guān)鍵的作用。

關(guān)鍵詞：GIS SF6 氣體密度 在線監(jiān)測

中圖分類號(hào)：O59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-111-03

GIS作為近幾十年得到極大發(fā)展的主開關(guān)設(shè)備，以其優(yōu)越的性能、安全可靠、維護(hù)方便和使用壽命長等優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而GIS中的SF6氣體壓力和密度，則對(duì)GIS產(chǎn)品的性能起到了至關(guān)重要的作用。

密度，是指某一特定物質(zhì)在特定條件下單位體積的質(zhì)量。GIS中的SF6氣體密封在一個(gè)固定體積的容器內(nèi)。在20℃時(shí)的額定壓力下，它具有一定的密度值。在運(yùn)行允許條件范圍內(nèi)，SF6氣體的壓力會(huì)隨著氣體溫度的變化而變化，但是，SF6氣體的密度值始終不變。因?yàn)镚IS的絕緣和滅弧性能在很大程度上取決于SF6氣體的純度和密度，所以，對(duì)SF6氣體純度的檢測和密度的監(jiān)視顯得特別重要。其中，SF6密度的在線監(jiān)測尤為重要。如果采用普通壓力表來監(jiān)視SF6氣體的泄漏，那就會(huì)分不清是由于真正存在泄漏還是由于環(huán)境溫度變化而造成SF6氣體的壓力變化，普通的相對(duì)壓力表在不同海拔地區(qū)也會(huì)產(chǎn)生顯示上的變化，容易產(chǎn)生誤報(bào)警。為了能達(dá)到經(jīng)常監(jiān)視密度的目的，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，SF6斷路器應(yīng)裝設(shè)壓力表或SF6氣體密度表和密度繼電器。壓力表或SF6氣體密度表是起監(jiān)視作用的，密度繼電器是起控制和保護(hù)作用的。

在GIS上裝設(shè)的SF6氣體密度監(jiān)測裝置，帶指針及有刻度的稱為密度表；不帶指針及刻度的稱為密度繼電器或密度壓力開關(guān)；有的SF6氣體密度表也同時(shí)帶有電觸點(diǎn)，即兼作密度繼電器使用，密度繼電器如再帶有密度、壓力、溫度三合一的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)輸出，則被稱為遠(yuǎn)傳式密度繼電器，它們都是用來測量SF6氣體的專用表計(jì)。

密度表的原理是通過具有溫度補(bǔ)償特性的雙層金屬帶來補(bǔ)償外界溫度對(duì)氣壓造成的影響。

當(dāng)外界溫度等于20℃時(shí)，雙層金屬帶不起作用。

當(dāng)外界溫度升高，高于20℃時(shí)，氣室內(nèi)部氣壓將隨著溫度的升高而相應(yīng)升高。帶動(dòng)機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)（4方向）。雙層金屬帶由于溫度的改變而發(fā)生彎曲變形，其下端將向下移動(dòng)（5方向）。補(bǔ)償了由于外界環(huán)境溫度升高導(dǎo)致的氣室內(nèi)部氣壓的升高。

當(dāng)外界溫度下降，低于20℃時(shí)，氣室內(nèi)部氣壓將隨著溫度的下降而相應(yīng)下降。帶動(dòng)機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)（4方向）。雙層金屬帶由于溫度的改變而發(fā)生彎曲變形，其下端向下移動(dòng)（5方向）。補(bǔ)償了由于外界環(huán)境溫度升高導(dǎo)致的氣室內(nèi)部氣壓的升高。

而在外界溫度不變，但是發(fā)生氣室內(nèi)部氣體泄露時(shí)，則雙層金屬帶不變形，不會(huì)造成內(nèi)部氣壓測量的誤差。

SF6電氣設(shè)備上的SF6氣體密度是以SF6氣體經(jīng)溫度補(bǔ)償后的壓力來表示的，即以20℃時(shí)的壓力值來表示的。

在GIS運(yùn)行當(dāng)中，由于電流的流通，導(dǎo)體不斷發(fā)出熱量，因此氣室內(nèi)部的溫度會(huì)有所增高。其氣壓也隨之增高。當(dāng)導(dǎo)體發(fā)熱與GIS外殼散熱到達(dá)平衡時(shí)，氣室內(nèi)部SF6的溫度就到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值。這個(gè)穩(wěn)定值減去環(huán)境溫度，就是SF6的溫升值。由于雙層金屬帶的補(bǔ)償，這時(shí)SF6密度表所顯示的值，就是氣室內(nèi)部SF6在20℃的壓力值+溫升值的溫度時(shí)的氣壓值。密度表一般都會(huì)做成絕壓表，以適合設(shè)備在不同海拔地區(qū)工作。

圖2 SF6氣體密度繼電器外形圖

SF6氣體密度繼電器（如圖2）的結(jié)構(gòu)是密度表加上電觸點(diǎn)開關(guān)，電觸點(diǎn)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)將機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它除了具有密度表的顯示功能外增加了繼電器功能，即輸出現(xiàn)場補(bǔ)氣報(bào)警和閉鎖節(jié)點(diǎn)信號(hào)。

一般密度繼電器有三對(duì)接點(diǎn)，每對(duì)接點(diǎn)有一個(gè)靜觸點(diǎn)和一個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)，靜觸點(diǎn)是根據(jù)設(shè)備的滅弧性能要求的SF6氣體密度值設(shè)定的，當(dāng)SF6氣體發(fā)生泄露，壓力就下降，降到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，靜觸點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)吸合，繼電器輸出一對(duì)接點(diǎn)報(bào)警信號(hào)，此時(shí)要求用戶對(duì)設(shè)備補(bǔ)氣，如果壓力繼續(xù)下降，降到閉鎖設(shè)定值時(shí)，繼電器輸出另一對(duì)接點(diǎn)閉鎖信號(hào)，使設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖，另外當(dāng)設(shè)備因補(bǔ)氣或其它意外情況發(fā)生產(chǎn)生過壓時(shí)，繼電器也會(huì)輸出一對(duì)接點(diǎn)過壓報(bào)警信號(hào)來提醒用戶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行保護(hù)，繼電器觸點(diǎn)導(dǎo)通的可靠程度直接決定了高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的可靠性，一般需要繼電器觸點(diǎn)材料采用銀鎳合金，表面鍍金處理厚度達(dá)10 m，以確保開關(guān)設(shè)備在各種惡劣環(huán)境中長期工作的可靠性。

SF6氣體遠(yuǎn)傳式密度繼電器（如圖3），包括機(jī)械密度繼電器部分與電子數(shù)字密度監(jiān)測部分。

圖3 SF6氣體遠(yuǎn)傳式密度繼電器外形圖

電子數(shù)字密度監(jiān)測部分主要由壓力傳感器、溫度傳感器、主板組成。主板上裝有嵌入式微處理器，并以此為核心，采集壓力和溫度信號(hào)，通過分析運(yùn)算，輸出可供后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測的基于RS485傳輸?shù)膶?shí)時(shí)壓力、溫度、密度數(shù)字信號(hào)。

SF6氣體密度在線監(jiān)測軟件是一款嵌入式的軟件，通過嵌入在16位DSP的硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS氣室內(nèi)的SF6氣體進(jìn)行在線監(jiān)測。臺(tái)由溫度傳感器、壓力傳感器、濾波放大、AD轉(zhuǎn)化、地址設(shè)定開關(guān)、RS-485接口及電源組成。硬件平臺(tái)控制單元選用microchip的dsPIC33FJ64GP804，是主頻為80MHz的16為DSP。軟件系統(tǒng)由壓力采集、溫度采集、控制算法、通訊應(yīng)答四部分功能單元組成，軟件是在MPLAB平臺(tái)上使用C和匯編語言對(duì)DSP進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)控制和算法。

SF6氣體遠(yuǎn)傳密度繼電器，上位機(jī)時(shí)既可以分別對(duì)溫度、壓力、密度也可以同時(shí)進(jìn)行查詢，查詢時(shí)間大于300mS。以RS-485方式進(jìn)行上傳，波特率為9600，在無中繼器的狀態(tài)下可延伸1200km，方便遠(yuǎn)程在線監(jiān)測待測點(diǎn)的SF6氣體密度值。

機(jī)械式密度繼電器除了有度盤顯示功能外，還可輸出預(yù)設(shè)定的SF6氣體密度的接點(diǎn)信號(hào)。機(jī)械式密度繼電器部分與電子數(shù)字密度監(jiān)測部分相互獨(dú)立，互不影響，實(shí)現(xiàn)了雙重安全保護(hù)。SF6氣體遠(yuǎn)傳式密度繼電器主要是用來遠(yuǎn)程監(jiān)視開關(guān)設(shè)備中SF6氣體的密度、壓力和溫度。它不僅能滿足電力人員現(xiàn)場的巡檢抄表、充氣補(bǔ)氣，而且能遠(yuǎn)程監(jiān)控開關(guān)設(shè)備中SF6氣體狀態(tài)、隨時(shí)采集各類參數(shù)數(shù)據(jù)，可充分滿足現(xiàn)代化智能電網(wǎng)在線檢測的要求。

根據(jù)通訊信號(hào)傳輸介質(zhì)的不同，遠(yuǎn)傳式密度繼電器又分為電纜、光纖、無線三種，由于光纖式遠(yuǎn)傳密度繼電器具有傳輸容量大，抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于存在較強(qiáng)電磁輻射和電磁干擾的高壓、超高壓開關(guān)設(shè)備上，以保證光纖遠(yuǎn)傳密度繼電器采集的數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確的傳遞。而無線式遠(yuǎn)傳密度繼電器由于不需要鋪設(shè)用于傳遞信號(hào)的電纜線，因此被廣泛應(yīng)用在高壓開關(guān)設(shè)備的升級(jí)換代和技術(shù)改造。

為解決目前已有的GIS內(nèi)部空間比較緊張，機(jī)電一體化的遠(yuǎn)傳式密度繼電器很難安裝的問題，現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種數(shù)字式遠(yuǎn)傳密度繼電器（如圖4）。

圖4 SF6氣體數(shù)字式遠(yuǎn)傳密度繼電器外形圖

數(shù)字式遠(yuǎn)傳密度繼電器主要由壓力傳感器、溫度傳感器、主板、LED或LCD顯示屏和可充電電池組成。主板上裝有嵌入式微處理器，并以此為核心，采集壓力和溫度信號(hào)，通過分析運(yùn)算，輸出可供后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)測的基于RS485傳輸?shù)膶?shí)時(shí)壓力、溫度、密度數(shù)字信號(hào)。LED或LCD顯示屏可在現(xiàn)場交替顯示SF6氣體的密度、壓力和溫度，此外該產(chǎn)品還可輸出現(xiàn)場補(bǔ)氣報(bào)警和閉鎖的接點(diǎn)信號(hào)，接點(diǎn)信號(hào)的設(shè)定是通過軟件編程設(shè)置的，該產(chǎn)品最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)也完全滿足用戶的現(xiàn)場密度、壓力和溫度信號(hào)顯示、報(bào)警和閉鎖的接點(diǎn)信號(hào)輸出和SF6氣體的密度、壓力和溫度實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳輸出功能，但與傳統(tǒng)的機(jī)械式密度繼電器相比，存在抗電磁干涉能力弱，可靠性差的缺點(diǎn)，目前該產(chǎn)品在電力行業(yè)還未得到廣泛的應(yīng)用，數(shù)字式遠(yuǎn)傳密度繼電器如不含現(xiàn)場顯示屏顯示和接點(diǎn)信號(hào)輸出特性，只保留SF6氣體的密度、壓力和溫度實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳輸出功能，則被稱為密度變送器，它一般會(huì)和機(jī)械式密度繼電器配合使用，在電力行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用。

最近在國網(wǎng)電力公司有關(guān)《10kV環(huán)網(wǎng)柜通用技術(shù)規(guī)范》的招標(biāo)技術(shù)文件中提到了如下要求：“SF6氣體監(jiān)測設(shè)備：環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)裝設(shè)SF6氣體監(jiān)測設(shè)備（包括密度繼電器，壓力表），且該設(shè)備應(yīng)設(shè)有閥門，以便在不拆卸的情況下進(jìn)行校驗(yàn)”。

該產(chǎn)品是將密度繼電器裝在三通閥門上，閥門再與開關(guān)柜本體相連（參見圖5），該閥門除了有與開關(guān)柜本體和密度繼電器相配的接口外，一般還帶有充氣閥和調(diào)節(jié)手柄，在正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)手柄處于開的狀態(tài)，開關(guān)本體、密度繼電器和充氣閥的氣路都是相通的，當(dāng)對(duì)密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，需要將調(diào)節(jié)手柄調(diào)到關(guān)的狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)本體與密度繼電器和充氣閥的氣路是斷開的，將充氣閥接口與校驗(yàn)儀的氣路連接上，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)，而充氣閥則是在開關(guān)柜氣壓不足時(shí)用來沖氣的，沖氣閥本身有自封功能，沖氣時(shí)只要將沖氣閥蓋擰開，將沖氣裝置與沖氣閥接口相連就可以對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行沖氣，其不足之處也是外形尺寸較大，在內(nèi)部空間位置比較緊張的GIS中不太好安裝。

綜上所述，未來GIS開關(guān)柜對(duì)密度表的發(fā)展要求，很可能是帶數(shù)字信號(hào)傳輸，并有專家系統(tǒng)分析的模式，可進(jìn)行泄漏等故障趨勢預(yù)測分析，具體產(chǎn)品是帶數(shù)字信號(hào)輸出的機(jī)電一體化遠(yuǎn)傳式密度繼電器和可實(shí)現(xiàn)不拆卸密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)的三通閥門的組合并配有后臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)，這樣的產(chǎn)品既利用了機(jī)械式SF6密度繼電器的穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，用于控制部分，又集成了電子數(shù)字式密度繼電器對(duì)密度、壓力及溫度信號(hào)的采集、監(jiān)測并提供遠(yuǎn)程監(jiān)測信號(hào)。機(jī)械式密度繼電器部分與電子數(shù)字密度繼電器部分相互獨(dú)立，互不影響，實(shí)現(xiàn)了雙重安全保護(hù)。而三通閥門又實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)傳式密度繼電器在不拆卸的情況下進(jìn)行校驗(yàn)，避免了在校驗(yàn)密度繼電器過程中從開關(guān)設(shè)備上拆裝密度繼電器可能存在的SF6氣體漏氣風(fēng)險(xiǎn)。

國家智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃的提出，為GIS的SF6氣體密度在線監(jiān)測的市場應(yīng)用前景拓展了非常大市場空間，它替代了人工巡檢，節(jié)省人力成本，減少人為誤判。實(shí)現(xiàn)無人值守，尤適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)變電站。實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控，可保留歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供依據(jù)。同時(shí)，可進(jìn)行泄漏等故障趨勢預(yù)測，可提前采取預(yù)防措施，真正實(shí)現(xiàn)智能化在線監(jiān)測。

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