變電站GIS 設(shè)備SF6 壓力在線監(jiān)測裝置應(yīng)用分析

陳 寧，邢智杰，姜鑫鑫，孫 琛

（國網(wǎng)上海市電力公司超高壓分公司，上海 200063）

六氟化硫（SF6）封閉式組合電器，又稱為氣體絕緣開關(guān)（GIS）設(shè)備，是將一座變電站中的一次設(shè)備經(jīng)優(yōu)化設(shè)計分別裝在各自密封間中，然后集中組裝在一個整體外殼中，并充以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，具有安裝空間小、不受環(huán)境影響、安裝周期短、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。在輸變電系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位。SF6氣體是GIS 設(shè)備最重要的絕緣介質(zhì)，在常溫常壓下，SF6無色、無味、無毒，不可燃燒，無腐蝕性，呈氣體狀態(tài)，且化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，具有良好的電氣絕緣性能和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)。

GIS 設(shè)備采取全密封手段保持氣體壓力，維持其絕緣和滅弧性能。然而由于生產(chǎn)工藝、密封件老化等原因，GIS 設(shè)備有可能會緩慢漏氣。GIS設(shè)備漏氣造成的危害主要有兩點(diǎn)。

（1）SF6壓力降低會造成滅弧、絕緣性能下降，開關(guān)氣室的壓力降低會造成開關(guān)閉鎖，壓力的進(jìn)一步降低甚至?xí)l(fā)放電故障；

（2）氣體泄漏在造成壓力降低的同時，SF6氣體的濕度、密度會增大，從而影響電氣性能［1］。

因此，在GIS 設(shè)備充氣后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的泄漏檢測，并實時掌握SF6氣體壓力，當(dāng)氣室壓力降低時應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)氣，以消除隱患，保證設(shè)備的安全運(yùn)行［2］。

1 SF6壓力監(jiān)測現(xiàn)狀

當(dāng)前常規(guī)變電站對SF6的壓力監(jiān)測主要有兩種方法。

（1）采取人工巡視的方式，對變電站內(nèi)所有充氣設(shè)備的壓力表計數(shù)值定期進(jìn)行抄錄，通過比對歷史數(shù)值和額定數(shù)值，分析是否存在漏氣隱患以及是否需要進(jìn)行補(bǔ)氣。人工抄錄的方式缺乏實時性，并需要付出大量的人工成本，部分氣室位于戶外、高處等地方，抄錄時存在人身傷害的風(fēng)險。與數(shù)字化表計相比，人工抄錄需要人工讀數(shù)，可能存在讀數(shù)偏差，而大量重復(fù)勞動也容易造成人員懈怠。

（2）將壓力表計自帶的報警功能接入自動化后臺系統(tǒng)，通過光字牌報警方式提醒氣室壓力已降低至報警壓力。SF6壓力報警只能指示壓力已降低至特定數(shù)值，而不能連續(xù)監(jiān)視其壓力降低的趨勢和變化速率，無法提前作出預(yù)警。另外，壓力報警通常是將多個氣室信號合并發(fā)出，故無法在第一時間確定具體是哪個氣室的壓力降低至報警壓力。

因此，有必要研究開發(fā)一套能夠?qū)F6壓力進(jìn)行實時在線監(jiān)測的系統(tǒng)。該在線監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行時SF6的壓力值，計算氣體壓力以及泄漏速率是否符合要求，從而幫助運(yùn)維人員實時掌握設(shè)備狀況。

2 SF6壓力在線監(jiān)測裝置簡介

SF6壓力在線監(jiān)測裝置由采集端和后臺系統(tǒng)兩部分組成，其中采集端負(fù)責(zé)將SF6氣室壓力轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳輸進(jìn)入監(jiān)控后臺，后臺系統(tǒng)對采集的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并分析。

SF6壓力在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 SF6 壓力在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)方案

2.1 采集端

采集端主要設(shè)備為SF6密度傳感器，采集所有SF6氣室的壓力/密度數(shù)據(jù)并傳入SF6在線監(jiān)測就地柜，柜內(nèi)安裝傳感器信號集線器、DC 24 V 電源和智能規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備（IED）規(guī)約轉(zhuǎn)換器。集線器采用RS-485 電纜有線方式采集各間隔附近所有SF6傳感器信號，數(shù)據(jù)通過RS-485 總線傳至IED，IED 將所有氣室傳感器的壓力/密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEC 61850 規(guī)約信號，并通過光纖傳輸至站內(nèi)一體化在線監(jiān)測后臺系統(tǒng)。

2.2 后臺系統(tǒng)

SF6在線監(jiān)測后臺系統(tǒng)可以集中顯示現(xiàn)場SF6傳感器各項數(shù)據(jù)，并存儲和分析生成報表和曲線供查看，主要包含數(shù)據(jù)總覽、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)報警等功能，可通過設(shè)置報警提醒，實時監(jiān)控現(xiàn)場氣室報警狀態(tài)。

（1）數(shù)據(jù)總覽功能：可以實時顯示對應(yīng)區(qū)域所有監(jiān)測氣室的SF6數(shù)據(jù)信息（壓力/密度）。

（2）數(shù)據(jù)報表功能：可根據(jù)設(shè)定的時間周期和區(qū)域查詢顯示所有的數(shù)據(jù)信息。

（3）數(shù)據(jù)曲線功能：系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)以曲線形式顯示，方便進(jìn)行分析判斷。曲線可設(shè)置為實時曲線也可查詢歷史數(shù)據(jù)曲線。

（4）數(shù)據(jù)報警功能：系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，根據(jù)設(shè)置的報警限制進(jìn)行數(shù)據(jù)報警提示，主要有壓力低報警、漏氣速率超標(biāo)報警等。報警可設(shè)置聲音和數(shù)據(jù)變色提示報警，可查看實時報警信息和歷史報警信息。對于壓力低報警，可以對各個不同類型氣室單獨(dú)設(shè)置報警閾值，一般應(yīng)設(shè)置在表計機(jī)械壓力略偏上的區(qū)域。對于漏氣速率超標(biāo)報警，系統(tǒng)根據(jù)連續(xù)多個時間段的壓力檢測數(shù)值計算出漏氣速率，對于超過標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行報警，漏氣速率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)氣室大小、結(jié)構(gòu)形式以及廠家建議綜合考慮制定。

3 SF6壓力在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用

500 kV 黃渡變電站（以下簡稱“黃渡站”）各電壓等級均采用GIS 設(shè)備，涉及多個廠家，并包含全長8 km 的氣體絕緣輸電線路（GIL），大量的GIS 設(shè)備中共有SF6氣室794 個。在黃渡站中使用SF6壓力在線監(jiān)測裝置具有重要的實際意義，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）實時監(jiān)控各個氣室的壓力/密度及其變化率，大大提高了設(shè)備的可靠性。隨著變電站設(shè)備使用年限的增長，由于設(shè)備密封部件的老化，往往會突發(fā)設(shè)備壓力降低或者漏氣速率超標(biāo)現(xiàn)象。尤其是無人值守的變電站，對于設(shè)備的突發(fā)壓力降低或者漏氣速率增大超標(biāo)，傳統(tǒng)的壓力表告警不能及時發(fā)現(xiàn)，造成了不必要的意外損失。變電站在線監(jiān)測裝置可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況，并向運(yùn)行人員發(fā)送告警信息，從而避免設(shè)備發(fā)生意外情況。

（2）降低了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省運(yùn)行管理成本。在未使用SF6壓力在線監(jiān)測裝置前，需要人工巡視、抄錄表計示數(shù)，而在全GIS 設(shè)備的黃渡站，SF6氣室多達(dá)794 個，表計的抄錄工作將耗費(fèi)大量的人力。另部分表計位于戶外、樓頂、設(shè)備上部等高處，抄錄存在困難，并有一定風(fēng)險。對所有表計進(jìn)行一次人工抄錄約需要2 人4 h。按照目前五通要求，500 kV 變電站抄錄SF6表計周期為15 天，一年共抄錄24 次，每年可節(jié)省人工192 h·人，并有效降低了風(fēng)險。

（3）通過后臺數(shù)據(jù)和圖譜進(jìn)行趨勢判斷和分析，可監(jiān)測泄漏風(fēng)險，增加了開關(guān)的可靠性。不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)，而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷是否存在故障的先兆，從而延長設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，減少維修保養(yǎng)的費(fèi)用，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性及自動化程度。

（4）及時發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)并檢修，降低SF6泄漏對人員和環(huán)境造成的潛在危害。在使用SF6壓力在線監(jiān)測裝置后，可以實時監(jiān)測每個氣室單獨(dú)的數(shù)據(jù)，這將大大改善改造前多個氣室共用一個光字牌發(fā)信的弊端，當(dāng)發(fā)生故障時，可以更加快速、精準(zhǔn)地找到故障點(diǎn)，提高工作效率與電網(wǎng)的安全可靠性。同時因為SF6氣體的密度大于空氣（大約為空氣的5 倍），當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重泄漏時，大量泄漏出來的SF6氣體沉積在房間下部，當(dāng)SF6氣體體積濃度達(dá)到1 000 mL·L-1以上時，可能會對工作人員造成人身意外傷害。當(dāng)在線監(jiān)測裝置監(jiān)測到泄漏速率達(dá)到報警限時，禁止人員進(jìn)入泄漏區(qū)域，從而保障了進(jìn)入室內(nèi)工作人員的人身安全。

（5）積累大量的SF6氣室壓力數(shù)據(jù)，為未來人工智能和大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 結(jié)語

本文介紹了變電站GIS 設(shè)備實施SF6壓力在線監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，并分析了其帶來的成效。

（1）采用SF6壓力在線監(jiān)測可以及時了解變電站GIS 設(shè)備的運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性及變化趨勢，以便盡早發(fā)現(xiàn)潛在故障，及時采取預(yù)防措施或進(jìn)行維修，為設(shè)備的狀態(tài)檢修機(jī)制提供了依據(jù)，可以減少過早或不必要的檢修，降低維修費(fèi)用，提高檢修的針對性，可以為實現(xiàn)從計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變創(chuàng)造有利條件，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

（2）SF6壓力在線監(jiān)測技術(shù)能幫助運(yùn)維人員實時掌握設(shè)備狀況，提高設(shè)備可控在控的同時，解放運(yùn)維勞動力，具有重要的實際意義。