SF6智能補氣裝置在電力電氣設備中的應用

肖馳夫，徐雙雙，潘中偉

（國網浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 杭州 311232）

當前電力行業的快速發展，使得各類智能化的裝置被廣泛應用到電力電氣設備當中，用于維護各類電力電氣設備的運行狀態[1]。SF6電氣設備憑借其大容量、可操作次數多、運行安全穩定等特點，在電力電氣設備運行當中受到廣泛關注。在SF6電氣設備運行過程中，由于設備長期處于運行狀態，因此需要通過其他設備為其提供所需的SF6氣體，當SF6氣體充入到設備當中時，為了確保安全，對于其作業的環境要求相對較高，并且氣體當中可能含有水分。SF6氣體價格十分高昂，一旦泄露又會造成嚴重的環境污染。因此，為了能夠提高SF6氣體重啟作業工藝水平，降低充氣難度，相關領域研究人員研制了一種全新的SF6智能補氣裝置。針對傳統補氣方式的諸多不利因素，此SF6智能補氣裝置能安全、勻速、定額定量地精準補氣[2]。根據變電站不同設備氣室建立獨立模型，將歷史數據進行趨勢分析，通過補氣次數及時間，判定設備的老化程度，提前預判設備的故障隱患。系統設計了防誤操作邏輯判斷，避免人為安全隱患，同時減少了補氣所需工作人員的數量與工作量。為了進一步探究SF6智能補氣裝置的應用效果，開展下述研究。

1 SF6智能補氣裝置在電力電氣設備中的應用

1.1 SF6智能補氣裝置結構設計

該裝置在為電力電氣設備補氣的過程中，需要配合SF6氣體補氣氣瓶、減壓閥、接頭箱等裝置，其結構組成如圖1所示。

其中，減壓閥的主要作用是調節氣瓶輸出壓力，為SF6開關設備提供補充氣體。該裝置的主機結構主要包含9個結構，分別為：

流量控制器：補氣過程中，控制氣體流速，可調節，并對補氣量進行監測，實現定速定量補氣。

001 逆止閥：一端接流量控制器，一端接電磁閥；補氣過程中防止SF6開關氣室內氣體往外泄漏。

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

壓力傳感器：補氣過程中用于監測補氣壓力是否到達設定目標，同時壓力值與目標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，通過不同的開關組合監測減壓閥壓力、氣室壓力，避免因氣體流動導致監測壓力不準確。

MCU 控制模塊：采集壓力傳感器、溫濕度模塊、電池電量等數據信息，與顯示交互界面設備進行數據通信，并對3個電磁閥進行控制。

顯示交互界面：由安卓系統平板設備實現，與MCU控制模塊進行數據交互，與流量控制器通信以讀取流量數據，控制流速，手動/自動補氣操作界面展示，實時工況展示，參數設置，歷史數據等。將流速曲線、時長、時間、壓力、溫度、補氣次數、補氣間隔時長等信息進行計算存儲，通過邊緣計算、大數據分析建模精準計算出補氣量，并且推演出下次補氣時間[3]。根據歷史模型判定設備的老化程度，提前預判設備的漏氣概率。

電池/充電管理模塊：系統由電池供電，包含充放電管理模塊、電池電量監測模塊、電源轉換模塊等。

溫濕度檢測模塊：密閉容器管路內，氣體壓力會隨溫度進行變化。此數據用于對不同環境溫濕度下工作參數數據進行補償校準，確保數據精度。

除此之外，該裝置還包括氣路控制模塊，由SF6智能補氣裝置主機輸出氣路接入，常開端接SF6開關氣室，常閉端接氣體回收袋；補氣與氣路清洗時用于切換氣路。為實現對該裝置的遠程控制，利用無線規約轉換器搭載Wi-Fi/4G/LORA通信模塊，將主機數據進行轉換傳輸。同時結合移動終端App，通過Wi-Fi 接收主機數據，并對主機進行控制操作。最后，通過后臺服務器主機提供4G遠程傳輸或LORA站端轉換，實現后臺連接。

1.2 裝置補氣流程

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

1.3 在線監測

為了確保該裝置的穩定運行，在運行過程中，須要對裝置以及被補氣的電力電氣設備進行實時的在線監測。將主機、氣路控制模塊、SF6開關氣室進行安裝連接，打開逆止電磁閥、關閉主機電磁閥，通過主機實時高精度采集SF6開關氣室壓力，進行長時間連續監測壓力值，以判斷SF6開關氣室是否有泄漏問題[5]。圖2 為該裝置在線監測流程示意圖。

如圖2 所示，將該裝置直接與監測設備連接，將監測到的SF6氣體壓力數據經過5G網絡實時傳送給后臺終端、手機App、小程序等，實現壓力值實時預覽、告警信號實時推送。同時，結合SF6氣體的特性，借助高精度流量計，對補氣質量進行自動計算，以此解決氣瓶不便稱重，數據精度不高的問題。在補氣前還應當在一定時間內，應當對該裝置進行高頻次壓力監測。通過數據分析，實現密閉性檢測，解決了管路密閉性影響補氣的問題。針對充氣過程中產生的多余氣體，為了不對周圍環境造成影響，并提高裝置的經濟性，還需要在監測模塊當中增加一個針對SF6氣體的回收裝置，將清洗管路的SF6氣體進行回收，減少環保風險。在該裝置上引入全觸屏操作模式，在裝置出現異常狀態時，可以自動停止補氣，并發出告警信號，解決了傳統補氣操作煩瑣、控制不易的問題。

圖2 裝置在線監測流程示意圖

2 應用效果分析

為了進一步驗證該裝置在實際應用環境中的效果，利用SF6智能補氣裝置為公司設備提供補氣。在補氣過程中，利用該裝置的在線監測模塊對正常溫度環境和20 ℃溫度環境下SF6氣體的壓力進行測量，并得到如圖3所示的測量記錄結果。

圖3 裝置在線監測記錄結果

從圖3 記錄結果可以看出，該裝置能夠在為電氣設備提供SF6氣體的同時實現對氣體壓力變化的記錄，可實現對異常狀態的實時監測，確保裝置運行的安全和穩定。同時，在實際應用中，該裝置可以實時采集氣室壓力，自動通過5G網絡上傳監控后臺、手機App 等各類終端設備，實時掌握現場設備健康狀態。該裝置采用低功耗設計，電池供電，便攜式使用，因此具備了便于操作的優勢。除此之外，由于該裝置當中采用了可變電磁閥門、高精度SF6壓力表，因此能夠根據壓力差實時控制閥門，實現安全、高效、精準的補氣。在應用過程中，該裝置的創新性主要體現在通過MCU模塊控制元器件，設定補氣目標值后，實現自動補氣，避免了人員操作失誤帶來的安全隱患。

3 結束語

本文通過上述論述，從3個方面實現了對SF6智能補氣裝置在電力電氣設備中的應用研究，并通過該裝置在真實應用環境中的效果分析，進一步證明了該裝置的可行性以及應用優勢。未來隨著電力行業的不斷發展，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勢將逐步展現。