耿飛?劉露旋?戴本圣

摘 要：筆者分析了對(duì)電力設(shè)備中SF氣體的密度和微水進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的必要性，給出了SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，并分析了SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各參量監(jiān)測(cè)原理，對(duì)SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：SF;密度;微水;在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒、不燃的氣體，化學(xué)性能極穩(wěn)定，具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，在電力設(shè)備中作為絕緣或滅弧介質(zhì)得到了廣泛應(yīng)用，典型代表有氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)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(kāi)關(guān)設(shè)備為例，其主要由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、快速接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、母線及套管等元件組成，每個(gè)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(biāo)或者密度異常降低（泄漏等原因），將嚴(yán)重影響設(shè)備的電氣性能，導(dǎo)致設(shè)備閉鎖或者絕緣擊穿[1]。因此，對(duì)投運(yùn)電力設(shè)備中SF氣體的密度和微水進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分重要。

1 SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

以GIS設(shè)備為例，設(shè)備在出廠時(shí)，每個(gè)SF氣室均安裝有一只機(jī)械式SF氣體密度繼電器（密度表）來(lái)監(jiān)測(cè)SF氣體的密度（P20壓力）。當(dāng)SF氣體泄漏到一定壓力時(shí)，密度繼電器告警接點(diǎn)或閉鎖接點(diǎn)動(dòng)作[2]，同時(shí)通過(guò)就地表盤指針顯示當(dāng)前氣體壓力。GIS設(shè)備出廠時(shí)均不帶SF氣體微水監(jiān)測(cè)裝置，需要用戶定期（一般6個(gè)月一次）使用便攜式露點(diǎn)儀逐個(gè)對(duì)氣室進(jìn)行離線式微水檢測(cè)。相較于上述傳統(tǒng)的SF氣體密度微水檢測(cè)方式，SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

1.1 能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

SF密度繼電器可以通過(guò)就地指針表盤實(shí)時(shí)顯示SF氣體密度，但依賴于運(yùn)行人員的就地巡視，已經(jīng)無(wú)法滿足目前越來(lái)越多無(wú)人值守變電站的需要。使用便攜式露點(diǎn)儀進(jìn)行SF氣室微水檢測(cè)的間隔周期可達(dá)數(shù)月，實(shí)時(shí)性較差，無(wú)法確定微水何時(shí)開(kāi)始超標(biāo)。SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)24 h不間斷的SF氣體密度微水監(jiān)測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF氣體泄漏和微水超標(biāo)，并確定其嚴(yán)重程度，從而更科學(xué)合理地安排設(shè)備檢修工作。

1.2 能夠節(jié)約大量人工和費(fèi)用

中、大型變電站中，僅GIS設(shè)備SF氣室數(shù)量即可達(dá)數(shù)百個(gè)甚至更多。便攜式露點(diǎn)儀每小時(shí)僅能對(duì)4～5個(gè)氣室進(jìn)行準(zhǔn)確的微水監(jiān)測(cè)（以單臺(tái)露點(diǎn)儀計(jì)算），完成全部SF氣室的微水監(jiān)測(cè)需要耗費(fèi)較大的人力和物力。采用SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，不再需要人工監(jiān)測(cè)。

1.3 能夠減少監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

雖然SF氣體本身對(duì)人體無(wú)毒、無(wú)害，但它是一種溫室效應(yīng)氣體，其單分子的溫室效應(yīng)是二氧化碳的2.2萬(wàn)倍，是《京都議定書(shū)》中被禁止排放的6種溫室氣體之一。使用便攜式露點(diǎn)儀對(duì)SF氣室進(jìn)行微水監(jiān)測(cè)時(shí)，需要連續(xù)地排放一部分SF氣體才能確保監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。每監(jiān)測(cè)一個(gè)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(cè)系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)微水監(jiān)測(cè)過(guò)程SF氣體零排放。

基于SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)電力設(shè)備中SF氣體的密度和微水進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是未來(lái)的發(fā)展方向。

2 SF密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)概要

SF密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由SF氣體密度微水變送器、開(kāi)關(guān)電源、SF測(cè)量智能電子裝置（Intelligent Electronic Device，IED）、交換機(jī)及人機(jī)界面等構(gòu)成。各組成部分的關(guān)系見(jiàn)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(cè)的SF氣室連通，對(duì)SF氣體的溫度、密度、微水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至SF測(cè)量IED。SF密度微水變送器內(nèi)部集成了3個(gè)傳感器，分別是露點(diǎn)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(duì)接口、SF補(bǔ)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(shè)備的SF密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般配置幾十至幾百個(gè)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(jìn)行RS-485總線分割。以常用的8口RS-485集線器為例，每個(gè)集線器具有8個(gè)下位機(jī)端口和1個(gè)上位機(jī)端口。單個(gè)集線器可支持最多8只SF氣體密度微水變送器信號(hào)接入，RS-485總線最多可同時(shí)并聯(lián)128個(gè)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(shù)，防止雷擊浪涌引入轉(zhuǎn)換器及設(shè)備。內(nèi)置的光電隔離器及1 500 W浪涌保護(hù)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(gè)下位機(jī)端口都具有短路保護(hù)功能，并能工作在關(guān)斷模式。任一RS-485端口短路，只會(huì)影響其所在RS-485總線系統(tǒng)，不會(huì)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(shè)備。

2.4 開(kāi)關(guān)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(cè)系統(tǒng)使用，而是僅提供交流220 V電源。此時(shí)，需要使用開(kāi)關(guān)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(cè)系統(tǒng)使用。

應(yīng)根據(jù)工程項(xiàng)目中實(shí)際配置的SF氣體密度微水變送器、RS485集線器數(shù)量來(lái)計(jì)算開(kāi)關(guān)電源負(fù)荷功率，并選擇合適型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源選型時(shí)應(yīng)留有功率裕量，避免長(zhǎng)時(shí)間滿功率運(yùn)行，可降低開(kāi)關(guān)電源發(fā)熱，并延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)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(fù)荷均分至多個(gè)開(kāi)關(guān)電源，而不是采用單一的大功率開(kāi)關(guān)電源，更有利于屏柜內(nèi)元件布置，也可提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，避免單一開(kāi)關(guān)電源損壞導(dǎo)致全部變送器和集線器停止工作。

2.5 SF測(cè)量IED

SF測(cè)量IED是SF密度微水在線監(jiān)測(cè)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(jìn)行通信的RS-485接口，并接收各變送器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);②提供與人機(jī)界面進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)至人機(jī)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(guò)MODBUS協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通過(guò)IEC61850規(guī)約傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。SF測(cè)量IED采用通用機(jī)架式結(jié)構(gòu)，方便組屏安裝，如圖3所示。

2.6 人機(jī)界面

人機(jī)界面為顯示SF密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的軟件界面，用于實(shí)時(shí)顯示GIS設(shè)備每個(gè)氣室的SF氣體溫度、密度和微水。通過(guò)在人機(jī)界面中設(shè)置SF氣體密度、微水報(bào)警閾值，可實(shí)現(xiàn)SF氣體泄漏或者微水超標(biāo)自動(dòng)告警[3]。人機(jī)界面可以設(shè)置在變電站內(nèi)的監(jiān)控室，也可以設(shè)置在城市中的變電站監(jiān)控中心。人機(jī)界面的自動(dòng)告警功能可以讓變電站運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位問(wèn)題氣室，并可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況初步判斷問(wèn)題的嚴(yán)重程度。

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

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

3.1 SF氣體壓力監(jiān)測(cè)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(cè)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(yīng)制成的硅壓阻式壓力傳感器[4]，測(cè)量范圍為0～1.2 MPa。

3.2 SF氣體溫度監(jiān)測(cè)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(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，測(cè)量范圍為-50～120 ℃。

3.3 SF氣體露點(diǎn)監(jiān)測(cè)原理

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

3.4 SF氣體微水監(jiān)測(cè)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(cè)得露點(diǎn)值通過(guò)軟件算法計(jì)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(cè)原理

對(duì)于電力設(shè)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(huì)隨著溫度的變化而變化。溫度上升時(shí)壓力增大，溫度下降時(shí)壓力減小。單純監(jiān)測(cè)SF氣體壓力，無(wú)法判斷是泄漏導(dǎo)致SF氣體壓力降低，還是溫度變化導(dǎo)致SF氣體壓力降低。按照SF氣體溫度-壓力關(guān)系曲線，將任意溫度時(shí)的SF氣體壓力值通過(guò)軟件算法換算至20 ℃時(shí)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(cè)原理

根據(jù)SF氣體溫度傳感器和壓力傳感器測(cè)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(jì)算出以kg/m為單位的密度值，即SF氣體混合密度。實(shí)際使用中，因以kg/m為單位的密度值不便與機(jī)械式SF氣體密度表的示數(shù)進(jìn)行比對(duì)，一般以P20壓力值來(lái)表征SF氣體密度。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者分析了對(duì)電力設(shè)備中SF氣體的密度和微水進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的必要性，給出了SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，并分析了SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各參量監(jiān)測(cè)原理，對(duì)SF氣體密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考意義。

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