電氣設備SF6氣體檢漏故障模擬裝置

沈夢甜，李哲文，朱娟，余后霞

(國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

隨著電力工業的大力發展，SF6氣體因為其良好的電氣性能被廣泛的用于高壓電氣設備，變電站內設備中純SF6氣體電氣設備的數量占有相當比例。同時鑒于SF6氣體在強電場作用下容易產生有毒有害氣體，將會污染大氣和危及人身安全，此外SF6還是一種強溫室效應氣體，目前國內外在廣泛研究SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體，且已在部分地區的電氣設備中實際應用。由于設備在制造工藝和安裝方面的原因，使用純SF6氣體和SF6/N2混合氣體的電氣設備泄漏問題非常普遍，一旦發生SF6氣體泄漏，影響電氣設備絕緣性能，將對環境和人員造成危害，因而及時發現SF6氣體泄漏對于電力系統的正常穩定運行具有極重要的意義[1]。

SF6氣體電氣設備帶電成像檢漏技術與傳統的停電檢漏相比，具有無需停電、非接觸式、測試靈活、方便、檢測范圍大等優點，檢測時可根據要求進行，能夠及時發現設備的泄漏點[2]。目前驗證SF6氣體紅外成像檢漏儀器和開展生產作業檢漏技術培訓，主要使用SF6氣體鋼瓶作為試驗裝置，通過開、關鋼瓶模擬電氣設備漏氣，存在問題有:①無法準確模擬GIS電氣設備常規漏氣部位；②無法準確模擬常規GIS設備漏氣速率 (漏氣速率較慢)；③SF6氣體密度大于空氣，容易在低洼處聚集，造成環境污染，人員安全受到威脅。

本文設計研發一套用于電氣設備SF6氣體檢漏的故障模擬裝置，集教學培訓、儀器性能比對及實驗研究為目的，通過模擬現場運行狀態下的SF6氣體泄漏，為高壓電氣設備帶電檢漏提供教學模型，為氣體泄漏預控研究提供試驗平臺和基礎數據，同時實現全面考核氣體檢漏儀器優劣性能。

1 裝置的硬件設計

1.1 裝置結構及原理

故障模擬裝置主要由裝置底座、GIS罐體、混合氣體罐、電氣控制系統、氣體泄漏單元組成，如圖1所示。

圖1 裝置結構示意圖

裝置罐體采用與GIS電氣設備一致的結構，安裝在罐體內外的故障泄漏單元可有效模擬瓷套管法蘭澆注處、瓷套管裂紋、金屬罐體焊縫、螺紋連接等多處漏氣部位?；旌蠚怏w罐中使用純SF6氣體或不同體積分數混合比例的SF6/N2混合氣體兩種模式。漏氣部位設置了電磁閥門，混合氣罐上安裝了壓力傳感器，通過程序控制漏氣部位、調節漏氣速率，監測混合氣罐的氣壓。彩色觸摸屏進行操作和監控數據顯示。裝置底座下部安裝輪子，可以靈活移動。

1.2 裝置外觀設計

裝置罐體結構與GIS電氣設備實際罐體一致，采用直徑50 cm金屬管制作，在管道左上部焊接3個瓷套固定座，左端用蓋板加螺栓扭緊蓋死?；旌蠚怏w罐固定于管體內部中間。管體右端蓋板上開一小門，小門后面用于固定控制線路板，門前面安裝液晶觸摸顯示屏。裝置底座下部安裝輪子，可以靈活移動，氣瓶可方便的固定在底座上。裝置外觀設計原則上與實際設備類似，同時滿足靈活移動、操作直觀的特點。

1.3 混合氣體罐設計

為更加全面模擬純SF6和SF6/N2混合氣體，特設計混合氣體罐。混合氣體罐設置在GIS罐體內部，用于存儲SF6和N2氣體的混合氣體，采用8 L標準容器，N2氣瓶和SF6氣瓶通過流量計與混合氣罐相連，流量計可精確控制SF6和N2氣體的流量，用來配制出純SF6氣體和SF6/N2混合氣體?；旌蠚夤迌瓤砂惭b氣泵，對密度不同的兩種氣體進行均勻混合?；旌蠚夤藿佑?個電磁閥，6個出氣閥用來控制6個泄漏點的出氣，2個用來控制SF6和N2氣體的進氣。混合氣罐接有一只壓力傳感器，可用來監測混合氣罐的氣壓。

1.4 氣體泄漏單元的設計

氣體泄漏單元由漏氣孔、漏氣管道及電磁閥組成，有效模擬瓷套管法蘭澆注處、瓷套管裂紋、金屬罐體焊縫、螺紋連接等氣體泄漏故障，漏氣孔通過漏氣管道連接到混合氣罐，安裝在混合氣罐上的電磁閥可控制漏氣部位。

在漏氣小孔的設置方面，瓷套管在泥胚成型后，在泥胚上開孔，開孔尺寸直徑15 mm，然后進行燒制。待瓷套管燒制完成后，依據生產實際現場SF6設備的漏氣部位，在開孔處制作形成3～7 mm縫隙形漏氣點。如圖2所示，裝置在絕緣瓷套上、下法蘭處和絕緣瓷套中部設置了3個漏氣點，可以用于模擬絕緣瓷套管上部法蘭由于澆注不嚴導致漏氣、絕緣瓷套管下部法蘭由于澆注不嚴或者由于長時間力矩作用導致的瓷套根部裂紋漏氣、絕緣瓷套管中部由于運輸或安裝的機械外力作用出現的裂紋漏氣等3種泄漏故障類型。

圖2 絕緣瓷套上、中、下法蘭裂紋漏氣點

金屬罐體制作加工過程中，在罐體與盆式絕緣子連接處、密封墊圈及罐體部件焊接處分別設置3個漏氣孔，制作形成2～3 mm針形漏氣點。用于模擬金屬罐體部件連接處虛焊導致的焊縫漏氣、兩個金屬罐體連接處的盆式絕緣子與罐體法蘭螺栓連接不嚴導致的縫隙漏氣、金屬罐體氣體管道螺紋連接處螺紋密封不嚴導致的縫隙漏氣等3種泄漏故障類型。

漏氣孔通過管道與混合氣體罐連接，管道裝有電磁閥門，可精準控制漏氣速率，有效減少漏氣量。

1.5 混合氣體比例控制設計

采用純SF6氣體和SF6/N2的混合氣體兩種模式。通過國內外研究發現，SF6/N2混合氣體最優比例為SF6氣體體積占比20%～30%[3-11]。本文將針對純SF6氣體和SF6氣體體積分數占20%的SF6/N2混合氣體的泄漏故障檢測進行研究。

2 裝置控制及集成

2.1 控制系統原理

系統控制原理如圖3所示，采用彩色觸摸屏進行操作，以控制2只儲氣瓶及1個8 L的混合氣罐的氣體閥門，并且以動畫形式顯示漏氣圖形。同時可以采集混合氣罐的氣壓，壓力控制范圍為0～0.6 MPa。當混合氣罐的氣壓下降到設定值 (0.08 MPa)時，自動開啟2個儲氣瓶的閥門，將混合氣罐的壓力補充到設定值 (0.5 MPa)，以滿足混合氣罐工作的需要。2個儲氣瓶的閥門開啟量，按照2種氣體體積的混合比例進行設定，以滿足混合氣體的混合比要求。軟件提示可以計算出氣壓表連續2次指示的氣壓數據變化所泄放出的氣量。

2.2 裝置集成

電氣設備SF6氣體檢漏的故障模擬裝置樣機包含罐體、底座、瓷套、儲氣罐、流量表和觸摸屏等部分，裝置外觀如圖4所示。

圖3 系統控制示意圖

圖4 裝置外觀

圖5 為裝置觸摸屏的人機界面，人機界面可以呈現裝置外形、進氣、漏氣以及混合罐氣壓狀況，在LED顯示器上設置人機界面，在觸摸屏上可進行電磁閥的操作，能夠實現進氣及氣體循環混合的控制、泄漏點演示控制及狀態顯示功能。

圖5 裝置觸摸屏人機界面

3 現場實測驗證

3.1 實測操作

1)氣體混合。打開SF6氣瓶和N2氣瓶進氣閥門，觀察氣體流量計流量，控制兩種氣體進氣量比例為1∶4。觀察LED顯示器氣體的壓力，當氣罐內的氣壓達到0.1 MPa以上時，就可以進行氣體泄漏演示了。當氣體壓力數據小于0.08 MPa時，出氣演示功能將自動停止。

2)故障泄漏演示。在LED顯示器上選擇泄漏點，比如要讓泄漏點1進行泄漏演示，就點擊電磁閥控制按鈕，控制系統響應后會打開 “泄漏點1”電磁閥，同時開始顯示相應泄漏點氣體泄漏動畫。依次類推。

3)泄漏點測試。使用紅外檢漏儀檢測漏氣點，觀察裝置是否準確檢測到泄漏位置。

3.2 測試功能驗證

1)紅外檢漏儀檢漏測試。在混合氣體 (SF620%，N280%的比例)條件下，利用FLIR紅外檢漏儀進行氣體泄漏測試，可以看出當氣體閥門未打開時，拍攝到的紅外圖中看不到氣體泄漏情況；當打開閥門時，紅外圖像中可以明顯看到氣體泄漏情況?，F場采集了5個不同部位的泄漏點圖像，如圖6所示。

圖6 氣體泄漏前后對比

2)不同類型檢漏儀檢漏驗證。利用FLIR紅外檢漏儀、普通SF6定性檢漏儀兩種不同的儀器進行檢漏測試，在同一條件下 (SF620%，N2，80%的比例)模擬混合氣體泄漏情況。經過驗證FLIR紅外檢漏儀檢測時可以很明顯地看到氣體泄漏的痕跡 (泄漏點圖像如圖6所示)。當用SF6檢漏儀檢測時，裝置沒有發出滴滴的警告聲，檢測不到氣體泄漏。

3.3 測試結果

1)本裝置能夠有效實現教學功能，能夠通過控制面板隨時隨地的控制氣體泄漏情況，且能夠調節混合氣體的比例。

2)在對混合氣體 (SF620%，N280%的比例)故障模擬時，FLIR紅外檢漏儀能夠很靈敏地檢測到氣體泄漏的情況；SF6檢漏儀檢測不到氣體泄漏。該裝置可以實現對檢測設備的性能進行比對，判斷設備的檢測靈敏度。

3)測試結果滿足裝置設計要求，具備現場教學、儀器性能檢驗和研究試驗一體化平臺功能。

4 結語

本文設計用于電氣設備氣體檢漏的故障模擬裝置，設計的泄漏點分布合理，與現場實際泄漏點基本相符，能夠模擬現場各類常見漏氣故障。采用純SF6氣體和SF6/N2混合氣體兩種模式，全面模擬目前國內外常見的SF6氣體電氣設備泄漏故障。具備自動調節罐體混合氣體濃度和流速來控制泄漏流量的功能，通過調節泄漏量的大小可以鑒別不同型號、不同設備廠家的檢測儀器的性能和檢測靈敏度。采用LED觸摸屏，人機界面友好，操作簡便美觀。

該裝置集教學培訓、儀器考核及實驗研究用途為一體，可準確模擬GIS電氣設備SF6泄漏故障，為現場人員提供安全、準確、高效、符合現場生產的專業培訓，具有較強的實用性和較高的推廣應用價值。