SF6氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

耿飛?劉露旋?戴本圣

摘 要：筆者分析了對電力設備中SF氣體的密度和微水進行在線監(jiān)測的必要性，給出了SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的構成，并分析了SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)各參量監(jiān)測原理，對SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)設計具有重要的參考意義。

關鍵詞：SF;密度;微水;在線監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TM855 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0025-03

Design of SF Gas Density and Micro-Water On-Line Monitoring System

GENG Fei LIU Luxuan DAI Bensheng

（Henan Pingzhi High-Voltage Switchgear Co.， Ltd.， Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The author analyzes the necessity of online monitoring of SF gas density and micro-water in power equipment， gives the system composition of the SF gas density and micro-water online monitoring system， and analyzes the monitoring of various parameters of the SF gas density and micro-water online monitoring system principle，which has reference significance for the design of SF gas density and micro water on-line monitoring system.

Keywords： SF; density; micro-water; on-line monitoring system

SF是一種無色、無臭、無毒、不燃的氣體，化學性能極穩(wěn)定，具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，在電力設備中作為絕緣或滅弧介質(zhì)得到了廣泛應用，典型代表有氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）、氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line，GIL）等。以氣體絕緣金屬封閉開關設備為例，其主要由斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關、電壓互感器、母線及套管等元件組成，每個元件中均充入有一定壓力的SF氣體。若SF氣體中的微水（微量水分）超標或者密度異常降低（泄漏等原因），將嚴重影響設備的電氣性能，導致設備閉鎖或者絕緣擊穿[1]。因此，對投運電力設備中SF氣體的密度和微水進行監(jiān)測十分重要。

1 SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

以GIS設備為例，設備在出廠時，每個SF氣室均安裝有一只機械式SF氣體密度繼電器（密度表）來監(jiān)測SF氣體的密度（P20壓力）。當SF氣體泄漏到一定壓力時，密度繼電器告警接點或閉鎖接點動作[2]，同時通過就地表盤指針顯示當前氣體壓力。GIS設備出廠時均不帶SF氣體微水監(jiān)測裝置，需要用戶定期（一般6個月一次）使用便攜式露點儀逐個對氣室進行離線式微水檢測。相較于上述傳統(tǒng)的SF氣體密度微水檢測方式，SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

1.1 能夠?qū)崿F(xiàn)遠端實時監(jiān)測

SF密度繼電器可以通過就地指針表盤實時顯示SF氣體密度，但依賴于運行人員的就地巡視，已經(jīng)無法滿足目前越來越多無人值守變電站的需要。使用便攜式露點儀進行SF氣室微水檢測的間隔周期可達數(shù)月，實時性較差，無法確定微水何時開始超標。SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)24 h不間斷的SF氣體密度微水監(jiān)測，有利于及時發(fā)現(xiàn)SF氣體泄漏和微水超標，并確定其嚴重程度，從而更科學合理地安排設備檢修工作。

1.2 能夠節(jié)約大量人工和費用

中、大型變電站中，僅GIS設備SF氣室數(shù)量即可達數(shù)百個甚至更多。便攜式露點儀每小時僅能對4～5個氣室進行準確的微水監(jiān)測（以單臺露點儀計算），完成全部SF氣室的微水監(jiān)測需要耗費較大的人力和物力。采用SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)后，不再需要人工監(jiān)測。

1.3 能夠減少監(jiān)測環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

雖然SF氣體本身對人體無毒、無害，但它是一種溫室效應氣體，其單分子的溫室效應是二氧化碳的2.2萬倍，是《京都議定書》中被禁止排放的6種溫室氣體之一。使用便攜式露點儀對SF氣室進行微水監(jiān)測時，需要連續(xù)地排放一部分SF氣體才能確保監(jiān)測結(jié)果準確。每監(jiān)測一個SF氣室，需要排放約8 L的SF氣體，這部分SF氣體回收困難。采用SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)微水監(jiān)測過程SF氣體零排放。

基于SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的上述技術優(yōu)勢，對電力設備中SF氣體的密度和微水進行在線監(jiān)測是未來的發(fā)展方向。

2 SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)構成

2.1 系統(tǒng)概要

SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由SF氣體密度微水變送器、開關電源、SF測量智能電子裝置（Intelligent Electronic Device，IED）、交換機及人機界面等構成。各組成部分的關系見圖1。

2.2 SF氣體密度微水變送器

SF氣體密度微水變送器與需要監(jiān)測的SF氣室連通，對SF氣體的溫度、密度、微水進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至SF測量IED。SF密度微水變送器內(nèi)部集成了3個傳感器，分別是露點傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。SF密度微水變送器主要由三通閥座、SF氣室對接口、SF補氣接頭、變送器主體及電氣接頭等組成，如圖2所示。

2.3 RS-485集線器

用于GIS設備的SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)一般配置幾十至幾百個SF氣體密度微水變送器。RS-485總線規(guī)模較大，需要配置一定數(shù)量的RS-485集線器進行RS-485總線分割。以常用的8口RS-485集線器為例，每個集線器具有8個下位機端口和1個上位機端口。單個集線器可支持最多8只SF氣體密度微水變送器信號接入，RS-485總線最多可同時并聯(lián)128個RS-485集線器。

為保證數(shù)據(jù)通信的安全可靠性，RS-485集線器接口采用光電隔離技術，防止雷擊浪涌引入轉(zhuǎn)換器及設備。內(nèi)置的光電隔離器及1 500 W浪涌保護電路能提供2 500 V的隔離電壓，可以有效抑制閃電（Lighting）和靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）。RS-485集線器的每個下位機端口都具有短路保護功能，并能工作在關斷模式。任一RS-485端口短路，只會影響其所在RS-485總線系統(tǒng)，不會影響其他接口連接的RS-485系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)RS-485集線器上的故障告警指示燈，迅速判斷出故障端口及其相連的故障設備。

2.4 開關電源

SF氣體密度微水變送器、RS-485集線器的輔助工作電源均為直流24 V。一般情況下，變電站用戶方不直接提供直流24 V電源給SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)使用，而是僅提供交流220 V電源。此時，需要使用開關電源將交流220 V電源轉(zhuǎn)換為直流24 V電源供SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)使用。

應根據(jù)工程項目中實際配置的SF氣體密度微水變送器、RS485集線器數(shù)量來計算開關電源負荷功率，并選擇合適型號的開關電源。開關電源選型時應留有功率裕量，避免長時間滿功率運行，可降低開關電源發(fā)熱，并延長開關電源使用壽命。推薦將SF氣體密度微水變送器、RS-485集線器負荷均分至多個開關電源，而不是采用單一的大功率開關電源，更有利于屏柜內(nèi)元件布置，也可提高設備運行的可靠性，避免單一開關電源損壞導致全部變送器和集線器停止工作。

2.5 SF測量IED

SF測量IED是SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理單元，主要功能如下：①提供與SF密度微水變送器進行通信的RS-485接口，并接收各變送器的監(jiān)測數(shù)據(jù);②提供與人機界面進行通信的網(wǎng)線或光纖接口，并傳輸SF密度微水變送器監(jiān)測數(shù)據(jù)至人機界面;③提供通信規(guī)約轉(zhuǎn)換功能，將SF密度微水變送器通過MODBUS協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通過IEC61850規(guī)約傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。SF測量IED采用通用機架式結(jié)構，方便組屏安裝，如圖3所示。

2.6 人機界面

人機界面為顯示SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的軟件界面，用于實時顯示GIS設備每個氣室的SF氣體溫度、密度和微水。通過在人機界面中設置SF氣體密度、微水報警閾值，可實現(xiàn)SF氣體泄漏或者微水超標自動告警[3]。人機界面可以設置在變電站內(nèi)的監(jiān)控室，也可以設置在城市中的變電站監(jiān)控中心。人機界面的自動告警功能可以讓變電站運行人員及時發(fā)現(xiàn)和定位問題氣室，并可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時變化情況初步判斷問題的嚴重程度。

3 SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)各參量監(jiān)測原理

SF密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)測量參量分為直接測量參量和計算參量。直接測量參量包括壓力、溫度及露點，計算參量包括微水、P20壓力及混合密度。各參量監(jiān)測原理如下。

3.1 SF氣體壓力監(jiān)測原理

SF氣體壓力由SF密度微水變送器內(nèi)部的壓力傳感器直接測量得出，并在變送器內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。壓力傳感器為利用單晶硅的壓阻效應制成的硅壓阻式壓力傳感器[4]，測量范圍為0～1.2 MPa。

3.2 SF氣體溫度監(jiān)測原理

SF氣體溫度由SF密度微水變送器內(nèi)部的溫度傳感器直接測量得出，并在變送器內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。溫度傳感器采用鉑電阻原理，具有極佳的長期穩(wěn)定性，測量范圍為-50～120 ℃。

3.3 SF氣體露點監(jiān)測原理

SF氣體露點由SF密度微水變送器內(nèi)部的露點傳感器直接測量得出，并在變送器內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。露點傳感器采用高分子薄膜電容技術，具有高精度、高靈敏、高穩(wěn)定性等特點，測量范圍為-50～20 ℃。

3.4 SF氣體微水監(jiān)測原理

SF氣體微水指的是SF氣體中水蒸氣的含量，通常用體積比表示，單位μL/L。SF氣體微水值由變送器依據(jù)測得露點值通過軟件算法計算得出，微水值范圍為1～20 000 μL/L。

3.5 SF氣體P20壓力監(jiān)測原理

對于電力設備而言，若SF氣室中的SF氣體未發(fā)生泄漏，則氣室中SF氣體密度是不變的，但是SF氣體的壓力會隨著溫度的變化而變化。溫度上升時壓力增大，溫度下降時壓力減小。單純監(jiān)測SF氣體壓力，無法判斷是泄漏導致SF氣體壓力降低，還是溫度變化導致SF氣體壓力降低。按照SF氣體溫度-壓力關系曲線，將任意溫度時的SF氣體壓力值通過軟件算法換算至20 ℃時的SF氣體壓力值即為P20壓力值，P20壓力值范圍為0～1.0 MPa[5]。

3.6 SF氣體混合密度監(jiān)測原理

根據(jù)SF氣體溫度傳感器和壓力傳感器測得的溫度、壓力數(shù)據(jù)，由SF氣體密度微水變送器內(nèi)置的軟件程序計算出以kg/m為單位的密度值，即SF氣體混合密度。實際使用中，因以kg/m為單位的密度值不便與機械式SF氣體密度表的示數(shù)進行比對，一般以P20壓力值來表征SF氣體密度。

4 結(jié)語

筆者分析了對電力設備中SF氣體的密度和微水進行在線監(jiān)測的必要性，給出了SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)構成，并分析了SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)各參量監(jiān)測原理，對SF氣體密度微水在線監(jiān)測系統(tǒng)設計具有參考意義。

參考文獻：

[1]倪健.SF氣體中水分對設備的危害及設備絕緣狀況的判斷[J].電工技術雜志，2001（7）：45-46.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.壓力式六氟化硫氣體密度控制器：GB/T 22065—2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3]國家能源局.變電設備在線監(jiān)測裝置檢驗規(guī)范 第1部分：通用檢驗規(guī)范：DL/T 1432.1—2015[S].北京：中國電力出版社，2015.

[4]李明蕓，江秀臣，趙子玉，等.組合電器中微水含量在線監(jiān)測實驗研究[J].高電壓技術，2004（3）：32-33.

[5]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.電子式六氟化硫密度變送器：JB/T 10892—2008 [S].北京：機械工業(yè)出版社，2008.