SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用

肖馳夫，徐雙雙，潘中偉

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 杭州 311232）

當(dāng)前電力行業(yè)的快速發(fā)展，使得各類智能化的裝置被廣泛應(yīng)用到電力電氣設(shè)備當(dāng)中，用于維護(hù)各類電力電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[1]。SF6電氣設(shè)備憑借其大容量、可操作次數(shù)多、運(yùn)行安全穩(wěn)定等特點，在電力電氣設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中受到廣泛關(guān)注。在SF6電氣設(shè)備運(yùn)行過程中，由于設(shè)備長期處于運(yùn)行狀態(tài)，因此需要通過其他設(shè)備為其提供所需的SF6氣體，當(dāng)SF6氣體充入到設(shè)備當(dāng)中時，為了確保安全，對于其作業(yè)的環(huán)境要求相對較高，并且氣體當(dāng)中可能含有水分。SF6氣體價格十分高昂，一旦泄露又會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，為了能夠提高SF6氣體重啟作業(yè)工藝水平，降低充氣難度，相關(guān)領(lǐng)域研究人員研制了一種全新的SF6智能補(bǔ)氣裝置。針對傳統(tǒng)補(bǔ)氣方式的諸多不利因素，此SF6智能補(bǔ)氣裝置能安全、勻速、定額定量地精準(zhǔn)補(bǔ)氣[2]。根據(jù)變電站不同設(shè)備氣室建立獨(dú)立模型，將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，通過補(bǔ)氣次數(shù)及時間，判定設(shè)備的老化程度，提前預(yù)判設(shè)備的故障隱患。系統(tǒng)設(shè)計了防誤操作邏輯判斷，避免人為安全隱患，同時減少了補(bǔ)氣所需工作人員的數(shù)量與工作量。為了進(jìn)一步探究SF6智能補(bǔ)氣裝置的應(yīng)用效果，開展下述研究。

1 SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用

1.1 SF6智能補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置在為電力電氣設(shè)備補(bǔ)氣的過程中，需要配合SF6氣體補(bǔ)氣氣瓶、減壓閥、接頭箱等裝置，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

其中，減壓閥的主要作用是調(diào)節(jié)氣瓶輸出壓力，為SF6開關(guān)設(shè)備提供補(bǔ)充氣體。該裝置的主機(jī)結(jié)構(gòu)主要包含9個結(jié)構(gòu)，分別為：

流量控制器：補(bǔ)氣過程中，控制氣體流速，可調(diào)節(jié)，并對補(bǔ)氣量進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)定速定量補(bǔ)氣。

001 逆止閥：一端接流量控制器，一端接電磁閥；補(bǔ)氣過程中防止SF6開關(guān)氣室內(nèi)氣體往外泄漏。

電磁閥：通斷裝置氣路，和正反向電磁閥配合控制氣路連接，通過不同的開關(guān)組合監(jiān)測減壓閥壓力、氣室壓力，避免因氣體流動導(dǎo)致監(jiān)測壓力不準(zhǔn)確。

壓力傳感器：補(bǔ)氣過程中用于監(jiān)測補(bǔ)氣壓力是否到達(dá)設(shè)定目標(biāo)，同時壓力值與目標(biāo)值做計算以控制流量控制器。

正反向電磁閥：通斷裝置氣路，和電磁閥配合控制氣路連接，通過不同的開關(guān)組合監(jiān)測減壓閥壓力、氣室壓力，避免因氣體流動導(dǎo)致監(jiān)測壓力不準(zhǔn)確。

MCU 控制模塊：采集壓力傳感器、溫濕度模塊、電池電量等數(shù)據(jù)信息，與顯示交互界面設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并對3個電磁閥進(jìn)行控制。

顯示交互界面：由安卓系統(tǒng)平板設(shè)備實現(xiàn)，與MCU控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與流量控制器通信以讀取流量數(shù)據(jù)，控制流速，手動/自動補(bǔ)氣操作界面展示，實時工況展示，參數(shù)設(shè)置，歷史數(shù)據(jù)等。將流速曲線、時長、時間、壓力、溫度、補(bǔ)氣次數(shù)、補(bǔ)氣間隔時長等信息進(jìn)行計算存儲，通過邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析建模精準(zhǔn)計算出補(bǔ)氣量，并且推演出下次補(bǔ)氣時間[3]。根據(jù)歷史模型判定設(shè)備的老化程度，提前預(yù)判設(shè)備的漏氣概率。

電池/充電管理模塊：系統(tǒng)由電池供電，包含充放電管理模塊、電池電量監(jiān)測模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊等。

溫濕度檢測模塊：密閉容器管路內(nèi)，氣體壓力會隨溫度進(jìn)行變化。此數(shù)據(jù)用于對不同環(huán)境溫濕度下工作參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)精度。

除此之外，該裝置還包括氣路控制模塊，由SF6智能補(bǔ)氣裝置主機(jī)輸出氣路接入，常開端接SF6開關(guān)氣室，常閉端接氣體回收袋；補(bǔ)氣與氣路清洗時用于切換氣路。為實現(xiàn)對該裝置的遠(yuǎn)程控制，利用無線規(guī)約轉(zhuǎn)換器搭載Wi-Fi/4G/LORA通信模塊，將主機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸。同時結(jié)合移動終端App，通過Wi-Fi 接收主機(jī)數(shù)據(jù)，并對主機(jī)進(jìn)行控制操作。最后，通過后臺服務(wù)器主機(jī)提供4G遠(yuǎn)程傳輸或LORA站端轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)后臺連接。

1.2 裝置補(bǔ)氣流程

該裝置的補(bǔ)氣流程主要包括：氣路清洗→開始補(bǔ)氣→補(bǔ)氣過程→補(bǔ)氣完成，共4 個階段。在氣流清洗階段，調(diào)整減壓閥壓力至氣室目標(biāo)壓力值，三通閥連大氣，根據(jù)氣路走向（SF6氣瓶→減壓閥→流量控制器（主機(jī)）→逆止閥（主機(jī)）→電磁閥（主機(jī)）→壓力傳感器（主機(jī)）→正反向電磁閥（主機(jī)）→三通閥→氣體回收袋）進(jìn)行氣路清洗。開始補(bǔ)氣時根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)壓力、氣路流速、間隔時長等參數(shù)信息去監(jiān)測氣路及氣室壓力，同時根據(jù)設(shè)置自動調(diào)整氣體流速，并按氣路走向（SF6氣瓶→減壓閥→流量控制器（主機(jī)）→逆止閥（主機(jī)）→電磁閥（主機(jī)）→壓力傳感器（主機(jī)）→正反向電磁閥（主機(jī)）→三通閥→SF6開關(guān)氣室）進(jìn)行補(bǔ)氣。記錄初始補(bǔ)氣時實測壓力與目標(biāo)壓力的壓差（目標(biāo)壓力-補(bǔ)氣前壓力），初始化氣體流量計的流速，最大值為8 L/min，開啟電磁閥進(jìn)行補(bǔ)氣。在補(bǔ)氣的過程中，上位機(jī)執(zhí)行一定時長補(bǔ)氣后會關(guān)閉電磁閥并讀取目標(biāo)設(shè)備氣室壓力值，反饋到上位機(jī)控制模塊初始單次補(bǔ)氣時長為30 s，并根據(jù)單次時長和速率計算補(bǔ)氣體積及重量，且每補(bǔ)氣一個時長后關(guān)閉電磁閥5 s，待設(shè)備氣室氣體稍穩(wěn)后，重新測量壓力，反饋控制到上位機(jī)[4]。上位機(jī)接收到設(shè)備實時壓力，計算剩余補(bǔ)氣量百分比：（目標(biāo)壓力-實時壓力）/（目標(biāo)壓力-補(bǔ)氣前壓力），根據(jù)壓差比值控制單次補(bǔ)氣量，逐次逼近目標(biāo)壓力值：當(dāng)比值大于等于30%時，氣體流量計以最大流速8 L/min工作；當(dāng)壓差大于等于20%時，氣體流量計以4 L/min工作，單次補(bǔ)氣時長為20 s；當(dāng)壓差小于20%時，氣體流量計以4 L/min工作，單次補(bǔ)氣時長為10 s。當(dāng)氣室壓力或者補(bǔ)氣量達(dá)到目標(biāo)值時，停止補(bǔ)氣作業(yè)，關(guān)閉所有電磁閥結(jié)束補(bǔ)氣流程。并將當(dāng)前補(bǔ)氣量、時長、時間、壓力、溫濕度、等信息進(jìn)行計算，記錄到該氣室模型中，模型根據(jù)歷史記錄、補(bǔ)氣次數(shù)擬合預(yù)判開關(guān)氣室當(dāng)前狀態(tài)，完成補(bǔ)氣。

1.3 在線監(jiān)測

為了確保該裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，須要對裝置以及被補(bǔ)氣的電力電氣設(shè)備進(jìn)行實時的在線監(jiān)測。將主機(jī)、氣路控制模塊、SF6開關(guān)氣室進(jìn)行安裝連接，打開逆止電磁閥、關(guān)閉主機(jī)電磁閥，通過主機(jī)實時高精度采集SF6開關(guān)氣室壓力，進(jìn)行長時間連續(xù)監(jiān)測壓力值，以判斷SF6開關(guān)氣室是否有泄漏問題[5]。圖2 為該裝置在線監(jiān)測流程示意圖。

如圖2 所示，將該裝置直接與監(jiān)測設(shè)備連接，將監(jiān)測到的SF6氣體壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳送給后臺終端、手機(jī)App、小程序等，實現(xiàn)壓力值實時預(yù)覽、告警信號實時推送。同時，結(jié)合SF6氣體的特性，借助高精度流量計，對補(bǔ)氣質(zhì)量進(jìn)行自動計算，以此解決氣瓶不便稱重，數(shù)據(jù)精度不高的問題。在補(bǔ)氣前還應(yīng)當(dāng)在一定時間內(nèi)，應(yīng)當(dāng)對該裝置進(jìn)行高頻次壓力監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)密閉性檢測，解決了管路密閉性影響補(bǔ)氣的問題。針對充氣過程中產(chǎn)生的多余氣體，為了不對周圍環(huán)境造成影響，并提高裝置的經(jīng)濟(jì)性，還需要在監(jiān)測模塊當(dāng)中增加一個針對SF6氣體的回收裝置，將清洗管路的SF6氣體進(jìn)行回收，減少環(huán)保風(fēng)險。在該裝置上引入全觸屏操作模式，在裝置出現(xiàn)異常狀態(tài)時，可以自動停止補(bǔ)氣，并發(fā)出告警信號，解決了傳統(tǒng)補(bǔ)氣操作煩瑣、控制不易的問題。

圖2 裝置在線監(jiān)測流程示意圖

2 應(yīng)用效果分析

為了進(jìn)一步驗證該裝置在實際應(yīng)用環(huán)境中的效果，利用SF6智能補(bǔ)氣裝置為公司設(shè)備提供補(bǔ)氣。在補(bǔ)氣過程中，利用該裝置的在線監(jiān)測模塊對正常溫度環(huán)境和20 ℃溫度環(huán)境下SF6氣體的壓力進(jìn)行測量，并得到如圖3所示的測量記錄結(jié)果。

圖3 裝置在線監(jiān)測記錄結(jié)果

從圖3 記錄結(jié)果可以看出，該裝置能夠在為電氣設(shè)備提供SF6氣體的同時實現(xiàn)對氣體壓力變化的記錄，可實現(xiàn)對異常狀態(tài)的實時監(jiān)測，確保裝置運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。同時，在實際應(yīng)用中，該裝置可以實時采集氣室壓力，自動通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)控后臺、手機(jī)App 等各類終端設(shè)備，實時掌握現(xiàn)場設(shè)備健康狀態(tài)。該裝置采用低功耗設(shè)計，電池供電，便攜式使用，因此具備了便于操作的優(yōu)勢。除此之外，由于該裝置當(dāng)中采用了可變電磁閥門、高精度SF6壓力表，因此能夠根據(jù)壓力差實時控制閥門，實現(xiàn)安全、高效、精準(zhǔn)的補(bǔ)氣。在應(yīng)用過程中，該裝置的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在通過MCU模塊控制元器件，設(shè)定補(bǔ)氣目標(biāo)值后，實現(xiàn)自動補(bǔ)氣，避免了人員操作失誤帶來的安全隱患。

3 結(jié)束語

本文通過上述論述，從3個方面實現(xiàn)了對SF6智能補(bǔ)氣裝置在電力電氣設(shè)備中的應(yīng)用研究，并通過該裝置在真實應(yīng)用環(huán)境中的效果分析，進(jìn)一步證明了該裝置的可行性以及應(yīng)用優(yōu)勢。未來隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，該裝置的工作流程化、操作簡單化、控制智能化以及體積小型化等優(yōu)勢將逐步展現(xiàn)。