組合電器SF6 氣體壓力實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究

牛田野 張 利 劉亞林 石生智 張 華 朱紅艷 焦 澎

（國網(wǎng)河南省電力公司 檢修公司，河南 鄭州450000）

SF6 氣體是一種人造惰性氣體，具有強電負性，在均勻電場中，其絕緣強度可達到空氣的2.5 倍，其滅弧能力約為空氣的100 倍[1-2]。正因為具備優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，SF6 氣體通常作為一種絕緣介質(zhì)被廣泛地應用于高壓電氣設備[3]。氣體泄漏將會導致斷路器發(fā)生故障，引起電力設備事故，從而導致重大經(jīng)濟損失[4]。因此，保證組合電器中SF6 氣體壓力、密度和溫度等在標準規(guī)定內(nèi)是確保設備安全運行的重要指標[5]。而實時監(jiān)測系統(tǒng)無疑將會提高電氣設備工作的可靠性。

1 現(xiàn)狀分析

變電站組合電器監(jiān)測的智能化程度尚未達到智能電網(wǎng)的要求，其中對于SF6 氣體的監(jiān)測手段還在使用較為傳統(tǒng)的手工記錄數(shù)據(jù)的方法。而監(jiān)測氣體的設備也是采用指針式壓力表，并不具備數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能如圖1。

圖1 六氟化硫氣體壓力表

這種工作方式存在著以下幾點需要改進：

1.1 工作人員手工抄錄效率低，導致時間消耗大，多點作業(yè)相對所需員工也增加，同時人工作業(yè)容易產(chǎn)生遺漏、偏差，耗費人力物力。

1.2 手工抄錄數(shù)據(jù)不利于數(shù)據(jù)的共享和保存，導致瀏覽數(shù)據(jù)、分析檢測設備狀態(tài)效率降低，且在設施編程、數(shù)據(jù)的格式上沒有統(tǒng)一要求，形成了數(shù)據(jù)孤島，對數(shù)據(jù)的共享形成了制約。

1.3 可能導致對突發(fā)情況處理不及時。無法實時監(jiān)測，不能實時掌握設備運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，從發(fā)現(xiàn)到分析再到處理，浪費了很多寶貴時間，在故障和事故處理方面尤為被動。

2 項目主要研究內(nèi)容

項目的系統(tǒng)框架包括四個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及信息反饋。其中數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸屬于硬件設備部分，數(shù)據(jù)處理和信息反饋屬于技術(shù)人員部分（如圖2）。

圖2 系統(tǒng)框架

2.1 數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、壓力等。具體實施方案為：將組合電器的傳統(tǒng)SF6 壓力表更換為高精度的無線密度繼電器，連接到開發(fā)板且配置狀態(tài)采集傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等，目的是為了實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的SF6 氣體氣密狀態(tài)的遠程感知。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸，可通過無線傳輸、GPRS 網(wǎng)絡傳輸、5G 傳輸?shù)冗_到在線監(jiān)測，部署網(wǎng)絡通訊網(wǎng)，從而實現(xiàn)變電站組合電器氣室的SF6 氣體壓力實時在線監(jiān)測。該模式具有延遲低、效率高等優(yōu)點，能保證檢測及傳輸系統(tǒng)的精度及可靠性，避免了人工抄錄數(shù)據(jù)所帶來的精確性差、不易長期保存等弊端。

2.3 數(shù)據(jù)處理，包括了數(shù)據(jù)的預處理、記錄變化量以及統(tǒng)計累積量。針對監(jiān)測結(jié)果得到的數(shù)據(jù)搭建并不斷完善數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎制作可視化的圖形、列表界面或者梯形模式，可以方便快捷地對數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

2.4 信息反饋，則是由技術(shù)人員在獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，對設備的運行狀態(tài)進行評估，通過數(shù)據(jù)的積累和處理制作出一個數(shù)據(jù)變化量的監(jiān)測報表，在對比分析后還應撰寫評估，再根據(jù)評估結(jié)果來決定是否需要維護以及確定維護方案。

通過數(shù)據(jù)積累以及數(shù)據(jù)處理，并搭建出可靠的用戶平臺，具備觀看實時數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)分析等功能，在發(fā)現(xiàn)故障并制定維護、處理決策的同時，也提高了對故障發(fā)生預知的能力。

3 工作原理和設計

SF6 氣體監(jiān)測的標準參考數(shù)值為：在額定溫度為20℃時，電氣設備中SF6 氣體的密度值。在電氣設備工作時，SF6 氣體壓力不是一成不變的，會根據(jù)外界溫度的變化而做出相應的改變，但如果采用密封性能良好的SF6 斷路器，電氣設備中SF6 氣體的密度值應維持不變。所以，為了準確地判斷SF6 氣體密度值變化的原因，電氣設備中SF6 氣體應該經(jīng)過溫度補償后，在溫度為20℃的條件下，通過壓力檢測，并以壓力值表示出來。

為使無線密度繼電器正常運行，必須確保工作在額定壓力下進行。當作業(yè)環(huán)境的溫度發(fā)生改變時，電氣設備中SF6 氣體的壓力隨之改變，這時繼電器內(nèi)部所包含的溫度補償單元將會對變化的壓力不斷修正，使其額定壓力示值不變，遠傳部分把壓力信號轉(zhuǎn)變RS485 差模信號，進行遠距離傳送。在控制室內(nèi)即可監(jiān)測到SF6 的壓力狀態(tài)。繼電器還有保護和控制功能，當SF6 氣體發(fā)生意外泄漏事故，壓力下降，到達報警閾值時，繼電器將會發(fā)出報警信息，提醒監(jiān)督人員及時維護；而當事故加劇，到達閉鎖閾值時，繼電器將直接閉鎖整套系統(tǒng)，停止電氣設備運行，為設備的安全運行做出保障。

SF6 密度繼電器無線監(jiān)測的通訊原理圖如圖3 所示。

圖3 SF6 密度繼電器無線監(jiān)測原理圖

無線型SF6 密度繼電器是具有無線通訊功能的密度繼電器，該產(chǎn)品采用433MHZ 頻段通訊，穿透性強、傳輸距離長，適用于變電站內(nèi)的無線數(shù)據(jù)采集。無線信號由無線集中器（Wireless Hub）集中，并轉(zhuǎn)換成基于RS485 總線的ModBus RTU 協(xié)議。可直接接入WELCAP 在線監(jiān)測系統(tǒng)，也可接入到智能IED 中。為后續(xù)的SF6 氣體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。無線集中器采集數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)直接接入站內(nèi)的狀態(tài)檢測IED 中，由狀態(tài)檢測系統(tǒng)作為人機界面，完成各個SF6 密度繼電器的數(shù)據(jù)采集、顯示、統(tǒng)計等功能。

無線網(wǎng)關(guān)數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的無線型密度繼電器的數(shù)量和分布情況而定，建議每個無線網(wǎng)關(guān)采集50 至100 只密度繼電器。

這是國網(wǎng)標準的智能化變電站的改造。要求符合IEC61850協(xié)議的規(guī)定，變電站設備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括SF6 氣體在線監(jiān)測、變壓器油色譜在線監(jiān)測、局放在線監(jiān)測、避雷器在線監(jiān)測、機械特性在線監(jiān)測等。

4 技術(shù)難點及創(chuàng)新點

4.1 技術(shù)難點。第一，實現(xiàn)組合電器SF6 氣體壓力值的實時無線遠傳監(jiān)測。使SF6 氣體壓力值具備無線遠傳功能，首先要做到傳感器與監(jiān)控模塊之間的無線通信，這樣才能保證數(shù)據(jù)的實時性及有效性。第二，針對監(jiān)測結(jié)果搭建完善的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫在整個系統(tǒng)架構(gòu)中起到數(shù)據(jù)匯總和轉(zhuǎn)發(fā)的作用，負責接收監(jiān)控模塊上傳的數(shù)據(jù)，也可以由客戶端直接調(diào)取數(shù)據(jù)，從而使技術(shù)人員可以方便快捷的對數(shù)據(jù)進行存儲和管理。第三，客戶端的搭建。建立可視化圖形、列表界面或梯形模式，還應對數(shù)據(jù)進行處理，例如將組合電器SF6 氣體壓力值換算為年泄漏率等關(guān)鍵指標，設置預警閾值和區(qū)間等。

4.2 創(chuàng)新點。第一，實現(xiàn)壓力值監(jiān)測結(jié)果的無線遠傳。目前在運的組合電器，均通過傳統(tǒng)SF6 壓力表顯示壓力值，僅能通過人工進行抄錄，不具有SF6 氣體壓力值實時信號輸出功能。第二，基于數(shù)據(jù)庫的用戶平臺開發(fā)。以往人工抄錄的組合電器SF6氣體壓力值是由后臺分析人員進行查看并分析的，這種方式效率低，勞動強度大，且分析過程和結(jié)果容易出現(xiàn)紕漏，依賴工作經(jīng)驗程度，不具有客觀性和科學性。用戶平臺則可以全面地、真實地得到監(jiān)測壓力值，不僅有助于減少手工抄錄信息的二次處理工作量，還可以減少人為錯誤的發(fā)生，從而進行科學地分析，最終得出科學結(jié)果。數(shù)據(jù)的透明化和可靠性還利于電器設備的規(guī)范化檢查管理，避免錯檢、漏檢，及時有效的做出設備維護檢修方案。

5 效益分析

從經(jīng)濟效益看，該項目實施后，數(shù)據(jù)抄錄、分析、運維等多個環(huán)節(jié)相應的工作人員減少，降低工人勞動強度，提高工作效益，增加間接經(jīng)濟效益。數(shù)據(jù)庫的建立，方便對電氣設備健康狀況的診斷，能極大地提升在線監(jiān)測及分析的自動化、智能化程度，提升工作效率，節(jié)省人力資源，創(chuàng)建長久的組合電器在線監(jiān)測及預知維護體系。

從社會效益看，該項目可以有效地提高對在運組合電器SF6氣體泄漏等缺陷、隱患的發(fā)現(xiàn)能力，從而可以減少事故的發(fā)生，增加安全效益。數(shù)據(jù)的對比分析還可以優(yōu)化組合電器設備的布局設置，延長電器的使用壽命，提高安全性，節(jié)省社會資源。在萌芽期及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，快速做出處理方案，為施工搶修提供時間保障，降低搶修成本，減小故障造成的損失，保證供電任務。

6 結(jié)論

實現(xiàn)SF6 氣體壓力值的實時監(jiān)測及無線傳輸，可以遠程動態(tài)掌握組合電器SF6 氣體壓力值的狀態(tài)，通過實驗檢測評估各類感知設備的可行度及傳輸數(shù)據(jù)的精確度，并完成數(shù)據(jù)采集、處理、評估及維護，從而加速推進無人值守，加快變電站智能化布局。