基于循環(huán)氣體的GIS設(shè)備帶電干燥裝置研制與應(yīng)用

韓四滿，李秀廣，郭 林

（1.寧夏工商職業(yè)技術(shù)學院，銀川 750021；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院，銀川 750011；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏大武口 753000）

引言

隨著我國電力設(shè)備不斷更新?lián)Q代，氣體絕緣組合電器（GIS）具有占地面積小、維護檢修工作量小以及運行可靠性高等特點，廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)及大用戶自備變電站。GIS設(shè)備內(nèi)部一般都充有一定壓力的六氟化硫氣體，這種氣體是一種無毒、無色、無味的物質(zhì)，且化學性能相當穩(wěn)定，具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，為此，廣泛應(yīng)用到電氣設(shè)備中。但是如果GIS設(shè)備內(nèi)部的SF6中微水值超出規(guī)程規(guī)定值，將會不同程度影響設(shè)備的絕緣性能，為GIS設(shè)備安全可靠運行造成一定的隱患[1,2]。

GIS設(shè)備內(nèi)部SF6微水含量超過標準值，不僅影響設(shè)備的絕緣性能，還會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，主要原因有以下兩個個方面：一是SF6微水值超標時，會在絕緣材料表面結(jié)露，降低設(shè)備的絕緣水平，如果超標達到一定水平就會發(fā)生閃絡(luò)故障，如SF6微水含量較高則會在電弧作用下被分解，與GIS設(shè)備內(nèi)部水分產(chǎn)生化學反應(yīng)，生成WO3、CuF2等粉末狀物質(zhì)，其中，CuF2有強烈的吸濕性，附在絕緣表面，會進一步降低GIS設(shè)備內(nèi)部的閃絡(luò)電壓；生成的H2SO3等都有很強的腐蝕作用，影響設(shè)備內(nèi)部固體有機材料和金屬材質(zhì)部件的壽命。二是SF6在電弧作用下分解成SO2、SOF2、SOF4、SO2F2等化合物均為有毒、有害物質(zhì)，不僅會對人體造成傷害，同時還對生態(tài)環(huán)保造成威脅，必須嚴格控制GIS設(shè)備內(nèi)部的微水值，確保設(shè)備和人員的安全[3,4]。

據(jù)統(tǒng)計，SF6組合電器因微水含量超標導致設(shè)備停電檢修的故障占26.35%，而運行中的設(shè)備一旦微水超標[5]，目前除了停電處理無其他有效的方法。為此，設(shè)計開發(fā)了一套SF6組合電器在線除濕裝置，該裝置可為運行組合電器中的SF6除濕，在不停電的情況下，使其微水含量降至正常范圍內(nèi)，這不僅降低了因停電而造成的直接經(jīng)濟損失，而且確保了GIS設(shè)備的供電可靠性。

1 GIS設(shè)備水分超標原因分析

（1）SF6受潮導致微水超標。SF6出廠時均按照相關(guān)標準進行檢測，其微水含量都符合要求，但在氣體運輸或存儲過程中都可能因處理不當導致微水含量超標，如充入GIS設(shè)備未進行檢測，將使GIS設(shè)備內(nèi)部的絕緣器件受潮，同時降低其絕緣水平[6]。

（2）GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣件受潮導致微水超標。GIS設(shè)備在出廠前都進行了檢測，此時僅將在廠內(nèi)組裝后立即進行試驗，但如絕緣件受潮不會立即引起SF6微水超標，在試驗檢測過程中不一定能檢測出來；另外，GIS設(shè)備在運輸過程中因密封問題也有可能導致絕緣件受潮，運輸?shù)浆F(xiàn)場無法再對絕緣件進行檢測就安裝到設(shè)備內(nèi)部，但由于絕緣件內(nèi)部的水分揮發(fā)比較慢，在交接試驗過程中也不一定能檢測出氣體微水含量超標。

（3）GIS設(shè)備在現(xiàn)場安裝過程中由于密封不當導致內(nèi)部受潮。GIS設(shè)備在安裝過程中也需要采取一定的防潮措施，否則會將空氣中的水分帶入到GIS設(shè)備內(nèi)部，由于GIS設(shè)備現(xiàn)場施工工期、天氣以及環(huán)境等因素，在現(xiàn)場很難達到室內(nèi)干燥效果，特別是夏季雨季空氣濕度遠大于SF6要求的微水值，這將使GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣部件受潮，運行后導致微水含量超標。

（4）運行中的GIS設(shè)備因存在漏氣引起SF6微水超標。空氣中的水分含量遠大于GIS設(shè)備內(nèi)部的微水值，當GIS設(shè)備密封不良時,空氣中的水分會隨著漏氣點進入GIS內(nèi)部。如GIS設(shè)備充氣口、氣體管路接頭、法蘭處、鋁鑄件砂孔等泄漏點，這都是水分滲入設(shè)備內(nèi)部的通道?？諝庵械乃譂B透到GIS設(shè)備的內(nèi)部是一個持續(xù)漫長的過程，泄露時間越長，滲入到GIS內(nèi)部的水分會越多,經(jīng)過一段時間后GIS設(shè)備內(nèi)部氣體微水含量就會超標。

（5）GIS設(shè)備水分進入的原因分析。一是GIS設(shè)備現(xiàn)場充裝工藝不佳，如在抽真空過程中達不到工藝要求、氣體管路接頭等元件處理不徹底、現(xiàn)場安裝人員未按有關(guān)規(guī)程和檢修工藝操作要求進行操作，會使附在設(shè)備內(nèi)部氣體中的水分未清除干凈，最終這些都會導致GIS設(shè)備內(nèi)部氣體微水超標。

2 氣體在線干燥裝置原理介紹

目前，GIS設(shè)備每個氣室僅有一個充氣檢測口，一旦GIS設(shè)備內(nèi)部氣體微水含量超標，無有效方法將內(nèi)部水分除掉，為此研制一種GIS設(shè)備循環(huán)SF6帶電除濕裝置。

2.1 帶電干燥原理

由于GIS設(shè)備氣室是一個整體密封的系統(tǒng)，其內(nèi)部SF6中微水含量進行擴散本身就是一個緩慢的過程，為此對氣室內(nèi)部氣體進行干燥難度較大，需要研制新型裝置，使GIS內(nèi)部的氣體循環(huán)起來，才能將微水超標的氣體進行干燥，在干燥的同時可測量微水含量，測得氣室內(nèi)部真實的微水含量。

2.2 SF6循環(huán)方法

新研制的SF6循環(huán)方法主要是采用活塞技術(shù)，活塞法SF6循環(huán)的工作原理如圖1所示，氣體循環(huán)氣缸收到氣體循環(huán)指令后，開始推動活塞左右移動，通過活塞的抽氣、放氣不斷循環(huán)運動，將GIS設(shè)備的氣體抽出來，通過干燥劑再推送到GIS設(shè)備內(nèi)部，同時可對氣體干燥的情況實時進行監(jiān)測，在氣體微水含量降低到標準以下時，可對活塞發(fā)出停止的指令。如監(jiān)測到SF6微水含量不變，則應(yīng)考慮到是干燥劑已經(jīng)達到飽和，需要更換新的干燥劑，直至降低到設(shè)定值，可停止干燥。利用活塞使SF6實現(xiàn)循環(huán)，確保GIS設(shè)備內(nèi)部的氣體被抽出，再通過水分監(jiān)測傳感器，不僅可使SF6干燥，同時還能監(jiān)測到GIS設(shè)備內(nèi)部真實的微水含量。但活塞法氣體循環(huán)裝置因在運行過程中操作較為復(fù)雜，GIS設(shè)備內(nèi)氣體壓力較大操作復(fù)雜，這對全封閉SF6干燥裝置的密封性要求非常高，經(jīng)過反復(fù)測試，最終確保了裝置的密封性[7]。

2.3 氣體在線干燥裝置的研制

所研制的氣體在線干燥裝置，核心檢測值主要通過氣體濕度傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器來實現(xiàn)。經(jīng)過對監(jiān)測值進行轉(zhuǎn)化和計算處理，能實時監(jiān)測干燥情況，并可通過無線信號將信息傳送出去。氣體在線干燥裝置中，濕度傳感器是核心部件，必須要保證其檢測的準確性和可靠性。濕度傳感器采用高分子薄膜電容技術(shù)，該傳感器具有精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。濕度傳感器的原理為：當所檢測的SF6中的水分通過高分子薄膜時，其介電常數(shù)會發(fā)生一定的變化，這就使內(nèi)部的電容量發(fā)生變化，因此氣體中的微水量變化與傳感器中的電容值變化具有一定的相關(guān)性，信號在經(jīng)過處理后，會得到與微水值成正比的電壓信號，該信號通過A/D轉(zhuǎn)換，傳送至數(shù)據(jù)處理中心，實現(xiàn)SF6微水值的檢測。另外，裝置還設(shè)計了自動校準程序，可對曲線零位的漂移進行測量，且該裝置自動運行，具有一定的周期，這保證了微水測量值的有效性。氣體在線干燥裝置通過顯示屏可直觀看到氣體的微水值，也可通過無線遠傳方式傳至無人值班的監(jiān)控中心，運行人員通過遠程可對現(xiàn)場進行實時監(jiān)測。

2.4 氣體干燥裝置的密封技術(shù)

氣體在線干燥裝置須具有良好的密封性，否則將給GIS帶來隱患。開發(fā)的SF6在線干燥裝置全部采用不銹鋼、鋁合金材質(zhì)，裝置一體化成型，保證了本裝置的密封性[8]。

2.5 硬件電路

硬件電路是氣體在線干燥裝置的重要組成部分，可靠的硬件電路可以提升裝置的性能，所研制的裝置中硬件電路主要有信號發(fā)生部分、恒流源部分以及反饋采樣部分。供電電源采用低壓差穩(wěn)定芯片，降低因電源發(fā)熱引起的對其他電路的安全隱患[6]；信號發(fā)生部分由計算機控制，提供相位和幅值可調(diào)節(jié)的信號，經(jīng)過恒流源后，進行采集、處理，反饋到恒流源部分的出入端口，進行微量的調(diào)節(jié)，確保恒流源電路的精度達到技術(shù)參數(shù)要求。由于恒流源的信號精度要求非常高，信號發(fā)生部分的電路由精度較高的D/A卡組成，輸出信號的精度小于0.08 mV，這樣該裝置就可以滿足精度的要求。本裝置在硬件的選用上采用集成度高的芯片，確保了硬件電路的穩(wěn)定性以防信號發(fā)生畸變。為此在硬件部分設(shè)計前期，從原理、零部件選型以及安裝等全過程，充分考慮了裝置的運行可靠性。

硬件部分是整套裝置安全可靠運行的保障，同時為了便利性，在硬件設(shè)計上，要提前考慮到裝置的擴展性，不僅可以對GIS設(shè)備內(nèi)部的氣體進行在線干燥，同時還可以實時監(jiān)測氣體微水值。該裝置硬件部分主要由電源部分、控制電路、輸入輸出部分、信號采集和通訊部分構(gòu)成[9]。本裝置電源采用防浪涌、防正負反接等安全措施，同時充分考慮電源濾波技術(shù)，確保整個系統(tǒng)電源穩(wěn)定可靠；控制電路選用高速高性能的ARM內(nèi)核芯片，并對其進行嵌入式設(shè)計，保證裝置運行測試的準確性。

2.6 裝置性能測試

為了考核SF6組合電器帶電干燥裝置的性能，對該裝置進行了微水值測試、溫度測量誤差測試以及溫度補償誤差測試等信號精度測量。在該裝置裝配完成后，對該裝置的密封性、信息通信的可靠性進行測試，經(jīng)過測試，驗證了該裝置的有效性和數(shù)據(jù)的可靠性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2019年8月21日，寧夏電網(wǎng)某GIS變電站3351電流互感器間隔出現(xiàn)了微水值超標，該變電站為2018年12月投產(chǎn)，在進行帶電檢測時發(fā)現(xiàn)其微水含量為857μL/L，《國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備狀態(tài)試驗規(guī)程》要求，非滅弧氣室微水含量應(yīng)低于500μL/L，經(jīng)漏氣檢測后未發(fā)現(xiàn)其他問題，氣體成分檢測也未發(fā)現(xiàn)異常情況，為此懷疑其絕緣材料在安裝前未進行干燥處理，造成運行后微水值超標，將帶電干燥裝置接入到3351電流互感器間隔三通之后，該氣室的微水值經(jīng)過3個多月之后變?yōu)?76μL/L，滿足了規(guī)程要求，其變化趨勢如圖2所示。

圖2 3351電流互感器氣室間隔微水值變化情況

4 結(jié)論

研制了基于循環(huán)氣體的SF6帶電干燥裝置，并在寧夏電網(wǎng)某GIS變電站3351間隔進行了應(yīng)用，通過近4個月的時間將GIS設(shè)備內(nèi)部的SF6微水值降低至規(guī)程以下，這證明了該裝置的有效性，同時避免了因停電造成經(jīng)濟損失。

在現(xiàn)場使用過程中要結(jié)合氣體微水值下降情況，及時更換其內(nèi)部的吸濕材料，同時避免因更換材料導致設(shè)備漏氣，這樣才能保證微水值快速下降至規(guī)程值以內(nèi)，提高供電可靠性。如使用本裝置后GIS設(shè)備內(nèi)部的微水值無明顯下降，則需結(jié)合帶電檢測開展其他方面的檢測，必要時做停電處理。