變電站便攜式SF6氣瓶加熱裝置研究

董海波 ，張嘉倍 ，行明濤 ，李志剛 ，路成鋼 ，梁 凱

（1.鄭州華力信息技術(shù)有限公司河南鄭州450006；2.東北大學(xué)遼寧沈陽(yáng)110167）

六氟化硫（SF6）氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能，被大量應(yīng)用于電力設(shè)備中，如：斷路器、高壓變壓器、氣封閉組合電容器、高壓傳輸線、互感器等。

SF6氣體絕緣設(shè)備得到了廣泛使用，使得電力部門在運(yùn)維檢修過(guò)程中需要進(jìn)行大量的SF6充氣、補(bǔ)氣工作。當(dāng)氣瓶中的液態(tài)SF6充入設(shè)備時(shí)，SF6由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，需要吸收大量熱量，如果外部無(wú)法提供熱源，則氣瓶表面溫度驟降有結(jié)冰現(xiàn)象，溫度進(jìn)一步降低時(shí)，SF6氣化過(guò)程放緩，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)甚至無(wú)法充氣。傳統(tǒng)的解決方法是用大量熱水或汽油噴燈加熱氣瓶來(lái)補(bǔ)充熱量，缺點(diǎn)是受熱面積不均勻，溫度不能保持恒定，工作效率低、氣體殘留率高，同時(shí)汽油噴燈屬動(dòng)火作業(yè)存在安全隱患。

目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的有兩種解決方案，第一種是采用電磁加熱，在氣瓶表面纏繞電磁線圈。通過(guò)加熱控制器，實(shí)現(xiàn)電磁對(duì)鋼瓶體加熱（原理類似家用電磁爐）。這種方案優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，加熱效率高。缺點(diǎn)是安全性不高，危險(xiǎn)性及大。第二種是電加熱毯方案，電加熱毯是一種柔性加熱毯，它的保溫材料和面料均為化纖類產(chǎn)品，可折疊，卷曲。產(chǎn)品由里到外分別為電熱面布、電熱絲、電熱基布、保溫材料、面布（類似家用電熱毯）等部分組成。它的優(yōu)點(diǎn)是加熱穩(wěn)定，效率高。缺點(diǎn)：加熱時(shí)瓶體吸熱會(huì)產(chǎn)生水。有造成電熱絲短路的可能，安全性不高。

基于以上原因，我們采用了一種新的思路，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套加熱裝置，熱風(fēng)加熱鋼瓶裝置。它用便攜式工業(yè)熱風(fēng)機(jī)作為熱量來(lái)源，可以設(shè)定恒定溫度參數(shù)，高效率出熱，具備大風(fēng)量，長(zhǎng)時(shí)間工作等特點(diǎn)。通過(guò)耐熱管道把高達(dá)150°C的熱風(fēng)輸入到帶隔熱套的鋼瓶周圍。外部又增加了一套溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)隔熱套內(nèi)的溫度參數(shù)，當(dāng)溫度超過(guò)限值時(shí)，可以通過(guò)控制回路直接切斷熱風(fēng)機(jī)的工作電源，使其斷電并及時(shí)停止工作。本裝置通過(guò)兩個(gè)完全獨(dú)立的檢測(cè)控制回路，徹底解決加熱前端的安全問(wèn)題。

1 方案設(shè)計(jì)

本方案采用5 kW工業(yè)熱風(fēng)機(jī)提供熱源，通過(guò)耐高溫管把熱風(fēng)送入帶有隔熱套的SF6氣瓶周圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣瓶充氣過(guò)程的實(shí)時(shí)加熱，防止氣瓶在充氣過(guò)程中結(jié)冰，提高充補(bǔ)氣效率。方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

SF6氣瓶加熱裝置，主要從易維護(hù)性、便攜性、安全性等方面開(kāi)展研究。

1.1 易維護(hù)性

本裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊簡(jiǎn)單組裝即可運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)應(yīng)盡量做到簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)安裝和使用方法簡(jiǎn)單、可靠。而且維護(hù)過(guò)程中無(wú)需使用過(guò)多專用的維護(hù)工具。另外配件非常容易采購(gòu)。它主要分為3個(gè)模塊，分別是熱量產(chǎn)生模塊（即工業(yè)熱風(fēng)機(jī)）、溫度檢測(cè)控制模塊、瓶體隔熱保溫模塊。

熱量產(chǎn)生模塊及攜式工業(yè)熱風(fēng)機(jī)，它采用非磁性鎳鉻絲通電加熱空氣作熱風(fēng)源。采用干凈衛(wèi)生，符合環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。并具有巧妙風(fēng)洞設(shè)計(jì)，空氣從螺旋電熱絲內(nèi)/外側(cè)均勻通過(guò)，熱交換近100%，風(fēng)壓損失少等特點(diǎn)。熱風(fēng)機(jī)外型圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)熱風(fēng)機(jī)外形圖

溫度檢測(cè)控制模塊，采用兩套隔離檢測(cè)回路，分別是熱風(fēng)機(jī)內(nèi)部出口溫度檢測(cè)回路采用鉑電阻工業(yè)溫度傳感器做為熱風(fēng)出口溫度檢測(cè)的敏感器件。獨(dú)立的外部隔熱套內(nèi)溫度檢測(cè)回路采用完全數(shù)字化的溫度傳感器，特點(diǎn)是精度高，方便耐用。

瓶體隔熱保溫模塊，采用特氟龍耐高溫布。布料除具有優(yōu)異的釋放性，抗磨損性，低摩擦系數(shù)和耐腐蝕性之外，還能在-170～+260℃溫度使用過(guò)程中保持原有物理形態(tài)，不會(huì)變形。并且其具備無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味的諸多優(yōu)良特性。另外隔熱套具有非常良好的柔軟性，可以方便折疊存放。隔熱套示意圖如下：

圖3 隔熱套示意圖

1.2 便攜性

加熱模塊采用工業(yè)便攜熱風(fēng)機(jī)，它的重量只有9 kg，長(zhǎng)×寬×高 ：449 mm×181 mm×272 mm 非常輕巧方便攜帶。特氟龍耐高溫布隔熱套柔軟可折疊收藏，也非常方便攜帶。

1.3 安全性

溫度檢測(cè)控制模塊，采用雙重隔離檢測(cè)回路，熱風(fēng)機(jī)內(nèi)部出口溫度檢測(cè)回路，使用PID/SSR控制，精度高，反饋快，持久耐用。設(shè)有過(guò)熱過(guò)載保護(hù)裝置，充分保證設(shè)備安全可靠，并具有長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作的特點(diǎn)。另外獨(dú)立的隔熱套內(nèi)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)控制器，采用數(shù)字式溫度傳感器實(shí)時(shí)采集溫度信息，并由外部溫度測(cè)量控制器實(shí)時(shí)判斷是否溫度超限，并及時(shí)采用動(dòng)作，保證溫度在可控范圍之內(nèi)。

2 硬件設(shè)計(jì)

便攜式SF6氣瓶加熱裝置。主要由便攜式熱風(fēng)機(jī)與外部獨(dú)立檢測(cè)控制器兩部分組成。

2.1 便攜式熱風(fēng)機(jī)

便攜式熱風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)熱器、溫度控制電路三大部分組成。

鼓風(fēng)機(jī)屬容積運(yùn)轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)。本裝置鼓風(fēng)機(jī)所使用材料，機(jī)殼葉輪為鋁合金材質(zhì)，軸則是鈦合金材質(zhì)。它采用單級(jí)葉輪模式，風(fēng)冷冷卻方式，驅(qū)動(dòng)使用永磁高速電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)?？刂撇捎米冾l調(diào)速控制，可以提供多種控制模式，包括：轉(zhuǎn)速控制模式、DO控制模式、以及手動(dòng)控制模式。平均工作環(huán)境溫度20℃，濕度為80%，極端工作溫度85℃，濕度100%。葉輪端旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)20 000次的啟動(dòng)軸承測(cè)試，設(shè)計(jì)使用壽命10年以上，從而保證它的可靠性，它的主要特色是運(yùn)行安全，使用壽命長(zhǎng)。

發(fā)熱器采用電阻加熱法，利用電流的焦耳效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成熱能通過(guò)空氣流動(dòng)間接加熱物體表面。電阻加熱的發(fā)熱元件采用鎳鉻合金和二硅化鉬組成。它的電阻率大、電阻溫度系數(shù)小，在高溫下變形小且不易脆化。最高工作溫度，可達(dá)100～500℃。

溫度控制電路的溫度探頭采用PT100薄膜鉑電阻，溫度范圍可達(dá)-70～500℃，并可長(zhǎng)期穩(wěn)定性工作。溫度控制器實(shí)時(shí)采集PT100的溫度，并通過(guò)控制發(fā)熱器產(chǎn)生間接性的熱量，對(duì)溫度實(shí)時(shí)加熱預(yù)估，實(shí)時(shí)保證加熱溫度在設(shè)定范圍之內(nèi)。當(dāng)溫度超越最大和最小限值時(shí)，控制器就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)熱器加熱和停止作動(dòng)態(tài)控制操作。

2.2 獨(dú)立檢測(cè)控制器

獨(dú)立檢測(cè)控制器回路主要由系統(tǒng)電源、主控CPU，系統(tǒng)時(shí)鐘、顯示模塊存儲(chǔ)單元、溫度傳感器等多個(gè)模塊組成。

電源采用12 V/1 A開(kāi)關(guān)電源模塊。輸入電壓范圍85～264 VAC，額定輸出電壓12 V輸出電流為1 A，工作效率＞80%，安全方面具有，過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)，并且具有保護(hù)后自恢復(fù)功能。完全支撐起整個(gè)系統(tǒng)的供電任務(wù)。

主控采用ST ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。主控CPU集成了復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，供電2～3.6 V，容忍5 V的I/O管腳，優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式，帶喚醒功能的低功耗模式，內(nèi)部RC振蕩器，內(nèi)嵌復(fù)位電路，工作溫度范圍：-40～105°C。主要完成復(fù)雜信息處理工作。

系統(tǒng)時(shí)鐘采用RX8025，它是一種具有高精度的，包括32.768 kHz晶振時(shí)鐘I2C總線接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片提供的功能包括產(chǎn)生6種典型中斷、2個(gè)系統(tǒng)鬧鐘功能、振動(dòng)停止、電源電壓監(jiān)控等，同時(shí)還包括數(shù)字時(shí)鐘精度調(diào)節(jié)功能以滿足各種精度要求。它主要為系統(tǒng)提供時(shí)間標(biāo)簽。

顯示模塊存儲(chǔ)單元采用LED數(shù)碼管和FLASH存儲(chǔ)器，顯示部分用1.5英寸共陽(yáng)LED數(shù)碼管，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)顯示隔熱套內(nèi)的溫度信息，另外通過(guò)設(shè)置按鍵可以設(shè)置上限與下限溫度限值。FLASH存儲(chǔ)器[18-19]采用AT45DB16它的存儲(chǔ)容量2 MB，可以記錄所有溫度越限數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，還可以記錄預(yù)設(shè)的溫度限值信息，記錄數(shù)據(jù)條數(shù)可以達(dá)萬(wàn)條以上，并且可以保存數(shù)十年之久。

圖4 LED顯示簡(jiǎn)圖

溫度傳感器采用DS18B20，它最高提供12位精度的攝氏溫度測(cè)量，而且有一個(gè)由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報(bào)警功能。它通過(guò)一個(gè)單線接口發(fā)送或接受信息，因此在CPU和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。它的測(cè)溫范圍為-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度為±1℃。DS18B20產(chǎn)生的溫度信息直接顯示在LED顯示模塊上。并且實(shí)時(shí)給CPU提供參考溫度數(shù)據(jù)，為輸出控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

獨(dú)立檢測(cè)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5。

3 程序設(shè)計(jì)

SF6氣瓶加熱裝置程序檢測(cè)流程為模塊化方案，分為溫度采集模塊，越限檢測(cè)模塊，輸出控制模塊。

圖5 獨(dú)立控制器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先初始化各功能模塊。主要包含初始化溫度傳感器，讀取存儲(chǔ)器內(nèi)的溫度預(yù)設(shè)越限數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)正常工作后，程序每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)讀取溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)與預(yù)設(shè)限值溫度進(jìn)行比較，如果實(shí)時(shí)溫度小于預(yù)設(shè)限值溫度下限時(shí)，程序輸出控制加熱裝置開(kāi)機(jī)產(chǎn)生熱量輸出，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度大于預(yù)設(shè)溫度上限時(shí)，程序輸出控制加熱裝置停止加熱。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)超過(guò)警戒溫度限值時(shí)。程序開(kāi)始產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)并及時(shí)斷開(kāi)熱風(fēng)機(jī)電源強(qiáng)制關(guān)閉熱量產(chǎn)生。從而保證加熱裝置始終工作在可控溫度范圍之內(nèi)。

程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

本裝置通過(guò)5個(gè)變電站的實(shí)際測(cè)試，測(cè)試范圍，采取各種極限條件全面測(cè)試，并請(qǐng)電力行業(yè)技術(shù)專責(zé)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)檢測(cè)，測(cè)試環(huán)境完全與實(shí)際應(yīng)用保持一致。加熱裝置熱風(fēng)量最高可達(dá)到5.3 m3/min，便攜工業(yè)熱風(fēng)機(jī)的輸出溫度最高可達(dá)150℃，輸出最高風(fēng)壓可達(dá)350 Pa（全壓），最高使用功率達(dá)5 kW。

為了測(cè)試實(shí)際使用效果，我們適當(dāng)降低了熱風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量，降低熱風(fēng)機(jī)的輸出溫度。通過(guò)測(cè)試SF6氣瓶加熱裝置可以控制隔熱套內(nèi)的溫度在40℃以內(nèi)，氣瓶?jī)?nèi)的氣壓在充補(bǔ)氣時(shí)壓力增加，充補(bǔ)氣速度也明顯加快，氣瓶底部沒(méi)有再出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，SF6氣瓶底部雖然有少量水產(chǎn)生，但毫不影響本裝置的正常工作，另外工業(yè)熱風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)量也能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

5 結(jié)論

本裝置研究通過(guò)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，SF6氣瓶加熱裝置，它不但在加熱速度方面可以與電磁與電熱毯媲美，另外在穩(wěn)定性和安全性上明顯優(yōu)于電磁和電熱毯等加熱方式。所以本裝置已經(jīng)在電力行業(yè)逐漸推廣應(yīng)該開(kāi)來(lái)。

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