GIS設備微水含量智能監測系統技術研究應用

艾永俊

（廣東水電云南投資有限公司，云南 紅河 661100）

0 前言

GIS 設備全稱為“氣體絕緣金屬封閉開關設備”GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是該設備的英文縮寫[1]。除了在高壓和超高壓領域得到廣泛應用外，GIS 還被應用于特高壓領域。其中由斷路器，隔離開關，接地開關，互感器，避雷器，匯流條，連接件，輸出端等組成。所有這些裝置或組件被密封在具有合適壓力的SF6絕緣氣體的金屬接地殼體中。SF6設備的密度和水分的檢測、監督和管理是按照《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》（GB/T8905-2008）的要求進行。根據規程要求，SF6裝置間的年漏氣率不得高于1%。在濕度檢測方面，對于126～550 kV 的新投入使用的裝置而言，在3～6 個月后，在此后1～2 年內進行第一次測定。對于40.5～72.5 kV 的設備，在投入使用后1 年進行一次檢測，此后2～3 年進行一次檢測[2]。

GIS 設備有高可靠性、簡便維護、長檢修周期等優點，同時也存在固有缺點：

SF6氣體泄漏、外水滲入、導電雜質、絕緣子老化等因素可能導致GIS 內部故障，對電網安全和操作人員人身安全構成重大威脅；由于GIS 采用全密封的結構，其特征是對GIS 的故障進行定位和維修的難點。事故發生后，其平均停電檢修時間長，停電范圍大，且包括多個未失效部件，從而使得消缺和檢修工作變得更加繁瑣[3]。

1 概述

1）某電廠GIS 設備運行已達11 年，需定期按照DL/T596-1996《電力設備預防性試驗規程》要求，結合設備全停開展SF6微水含量定檢工作，現有微水監測、檢測結構、檢測技術設計不合理，每次定檢都必須拆卸表計，工作量大，頻繁拆卸極易引起表前逆止閥密封不嚴，造成氣室氣體泄漏、外部水分滲入[8]。

2）某電廠GIS 現有設備結構僅設計了SF6氣體密度監測，缺少安全運行重要指標參數微水、溫度、濕度、露點等在線監測工作，單一的參數檢測結果作為判斷設備運行狀況的依據，不能準確反映GIS 設備運行實況和變化趨勢，極易導致GIS 設備內在缺陷無法及時發現和預警。

3）某電廠GIS 設備歷次定檢時發現多個氣室SF6微水含量達行業允許上限標準極值（500 uL/L），GIS 全密封結構特點使相關檢修、應急處理工作較為繁雜。

結合行業背景和企業存在的問題，通過調查、分析、研究，認為開展GIS 設備重要指標參數微水、溫度、濕度、露點、壓力、密度智能在線監測、檢測技術研究，并將成果應用于服務設備安全運行狀態分析、預警、科學檢修工作是非常有必要的。

2 研究目的

1）通過對行業背景和企業存在問題的分析研究，找到解決某電廠GIS 設備安全運行重要指標參數微水、溫度、濕度、露點、壓力、密度智能在線監測、檢測的技術方案和有效路徑，提高GIS 設備微水含量在線智能監測、檢測技術水平，提升電廠服務電網安全保供電、助力集團快速發展的基礎能力。

2）在行業、集團或同屬區域公司各電廠率先開展技術研究及應用，通過驗證其可行性、有效性，為行業、集團或同屬區域公司各電廠解決同類問題提供可參考的研究、應用成果。

3 關鍵技術與工藝

1）利用發明原理中多項原理[10]，設計、定制免拆卸校驗密度繼電器四通閥接口裝置，以滿足SF6重要指標參數微水、濕度、露點等在線監測，免拆卸校驗氣體密度繼電器，設備補氣、純度、分解物試驗、測試等定檢、預試要求的技術目標。

2）采用全新材料高分子薄膜傳感器技術、成熟傳感器電路設計和創新溫度補償算法（非線性函數規范化多項式擬合曲線法）SF6露點及壓力變送器[4]，實現單一傳感器即可同時采集SF6微水、溫度、濕度、露點、壓力、密度等重要參數的技術目標。

3）采用集測控、計算機、網絡通信、傳感器技術于一體在線監測系統實現GIS 設備重要指標參數微水等監測分析工作，同時滿足設備狀態、報警顯示、數據存儲、電站綜合自動化系統接入和網絡瀏覽數據的應用需求[8]。

4 主要創新點

1）專業設計、定制的免拆卸四通閥接口裝置，既能滿足GIS 設備SF6微水等重要指標參數在線監測，又能滿足設備補氣、純度、分解物定檢、預試需求，實現傳統檢測技術向在線檢測技術轉變，既提高工作效率，又降低作業風險。

2）采用的傳感器技術可實現單一傳感器同時采集GIS 設備SF6微水、溫度、濕度、露點、壓力、密度等重要指標參數；實現了單一性能參數采集向多性能參數采集技術的轉變；不僅提高設備狀態分析、預警準確性，還具有新穎性和可快速普及應用的特點。

3）使用的軟件可實時分析、計算、處理數據，自動生成運行曲線、圖表，直觀表達真實值、告警閾值，為設備運行分析和科學檢修提供可信的基礎數據服務。

5 系統原理及結構設計

5.1 系統原理

1）GIS 設備微水含量智能監測、檢測系統主要包括高精度的濕度、壓力和溫度的傳感器。系統通過放大相關信號、A/D 變換及嵌入式微處理器的運算處理，實現實時的檢測結果[4]。

2）微水傳感器是該系統的關鍵檢測元件。該系統采用高分子膜電容技術的微型水敏元件，具有高精度、高靈敏度和高穩定性。該設備基于如下原理：在系統在檢測氣體時，水分子通過所述聚合物膜時，所述膜的介電常數改變，由此改變電容[4]。同時，SF6氣體中的含水量與電容器值的變化呈線性關系。通過高頻率電路處理信號，可獲得與含水量成比例的電壓值。在進行A/D 變換后，將該電壓值輸出至監測數據處理部MCU，由此進行微水分含量的測定。為解決SF6氣體中微量水分含量測定精度的問題，系統支持自動校正程序，對測定曲線的零位偏差進行校正。該自動校正過程在每次啟動后以1 小時的間隔自動地進行，并且具有周期性的清除功能。通過保證實測曲線符合理論曲線，避免長時間的偏差，保證了測量結果的穩定性和精確度。

3）密度測量一般是采用高精度的壓力、溫度等傳感器，通過放大后的電氣回路來實現。將得到的數據進行A/D 變換，并通過MCU 對其進行處理，建立SF6氣體壓力與溫度的數學模型，對SF6氣體壓力與溫度的關系進行分析。MCU 對SF6氣進行計算，從而獲得SF6的濃度值。具體的可基于SF6的氣體濃度分布的關系式來進行的處理[4]。

其中，ρ表示密度，p表示絕對壓力（單位：MPa），T表示溫度（單位：K）。當我們測量到溫度和壓力數值之后，可以運用皮爾卡丹公式解決該方程，從而求得唯一的密度ρ[4]。

GIS 設備微水含量智能監測、檢測系統可通過顯示器直接呈現露點值（微水含量）、密度值、溫度值。同時，系統通過RS-485 數據通訊方式連接到中央控制室進行實時監測SF6電氣設備中SF6氣體密度和微水的情況。具體原理框圖請見圖1。

圖1 檢測系統組成結構示意圖

4）為了滿足對SF6設備補氣、純度、分解物試驗、測試等定檢和預試的需求，密封技術在本系統中顯得尤為關鍵。為保證完全密封且無泄露，系統的SF6氣體取樣裝置采用不銹鋼材質，并通過氬弧焊接，形成整體，保證了焊接的牢固、美觀。該密封環采用通常用于高壓電器的EPDM，并具有穩定的密封性能。逆止閥接頭的密封結構為硫化結構和錐形密封，其密封區大，密封性可靠。使用He 質譜儀進行漏泄檢測，在5×10～9 mbar 1/s 以下的情況下，該裝置的漏泄檢測要求優于高電壓開關裝置的漏泄指標[5]。該機械結構結合了國內外SF6閥結構的優點，消除了因氣體泄漏和濕氣擴散而對SF6氣體特性的危害。這保證了取樣設備的結構和性能的穩定和可靠。

5.2 系統總體結構設計

該系統由3 個部分組成：過程層、間隔層和站控層。過程層包括變送器，可以進行SF6微水、溫度、濕度、露點、壓力和密度的測量。間隔層是一個微水密度在線監測裝置，用于采集現場數據。站控層是上位機監控軟件[6]。電纜連接到系統主機和變送器之間。變送器內的采樣池采用內循環技術，可實時測量設備中SF6的微水、密度、溫度等相關參數，實現實時顯示，并與系統主機進行通信和數據交換。系統主機分時獲取各傳感器數據后，將數據上傳到后臺計算機進行處理，接收后臺指令，實現實時采樣。通過這種方式，在不排放二氟化硫（SF6）氣體的情況下，能夠長期監控SF6斷路器的狀態，確保電力設備的安全穩定運行，并實現狀態檢修[6]。系統的整體結構如圖2 所示，而系統的邏輯結構如圖3 所示。

圖2 系統結構圖

圖3 系統邏輯結構

5.3 SF6密度繼電器四通閥接頭設計

SF6密度繼電器四通閥接頭主要應用于電力行業高壓設備中以SF6氣體作為滅弧介質。通過在在線檢測閥上轉動旋鈕，使閥與裝置主體之間的空氣通路進行切換。這允許裝置主體的內部腔室的充氣、補氣和微水、分解物、純度的測試和SF6的密度繼電器控制器的在線檢查和更換[7]。

新接口裝置優化設計參數及設計圖如圖4，接口1：用于氣室連接；接口2：用于連接微水壓力傳感器；接口3：用于連接密度繼電器；接口4 用于補充壓力。

圖4 某電廠GIS微水含量監測、檢測新接口裝置設計

5.4 SF6氣體密度微水傳感器

SF6微水密度在線監測傳感器主要用于電力系統中采用SF6氣體絕緣的高電壓電器的遠程監控。該系統可對SF6微水、溫度、濕度、露點、壓力、密度進行實時監控，并具有超限報警和密度報警功能。高質量的智能化電子元件和傳感器完美結合，使得該傳感器得以成功應用于各種極端惡劣的工業環境中。聚合物薄膜探針及自動校準軟件的優點是在干燥環境中使用的理想工具，并且具有抗結露、抗油等優點，適合于大部分的化學環境。智能的自動校準和重新捕捉工藝使露點儀成為一種先進的設備，并減少了維護的工作量[8]。

5.5 現場采集單元

現場數據采集裝置是SF6濃度微水線監控系統的數據采集匯集處，其主要功能如下：

為SF6濃度微水線傳感器提供RS-485 接口，與SF6濃度微水傳感器進行通訊，從各個傳感器接收監控數據；提供與人機接口通信的網絡電纜或光纖接口，并將SF6密度微水傳感器的監控數據傳送到人機接口；同時，通過MODBUS 協議將傳送到人機接口的數據轉換成網絡協議，實現通信協議轉換功能。

表1 現場采集單元主要技術參數

5.6 后臺監控軟件

1）GIS 設備SF6微水、密度等實時數據監測。數據處理服務器長期實時在線監測氣室內的微水、濕度、露點、壓力和溫度，并在數據異常時發出報警信號[9]。

2）GIS 設備SF6微水、密度等歷史數據查詢。設備歷史數據和報警數據可根據時間段和系統設置的設備編號查詢；系統軟件具有讀取每個傳感器單元中的微水、溫度、壓力、濕度等功能[9]。

3）自動生產分析報告。可隨時繪制各監測點的時間變化趨勢圖，生成分析報告，隨時了解氣體的微水含量和密度變化趨勢，在監測指標超過報警前采取有效的預防措施，使設備運行更加安全。

4）具有設備和系統參數的獨立設置功能。當測量氣體指標超過標準時，報警或鎖定信號自動上傳到遠程監控中心，或直接啟動報警和鎖定裝置；

5）具有功能模塊的智能設置功能。實現監控數據收集、數據處理、標準化數據通信代理、閾值比較、監控預警等功能[9]。

6 應用效果驗證

1）檢查和評估新設計制造的接口裝置的應用效果。通過多次現場調查，項目組確認新接口裝置不僅能滿足GIS 重要指標參數微水等在線監測，且滿足設備補氣、純度、分解定檢、預試的需要。設備生產安裝質量好，無泄漏，實現了傳統檢測技術向信息化在線檢測技術的轉變，既提高了工作效率，又降低了工作風險，達到了項目研究和應用的預期目標。

2）GIS 設備SF6校驗時，可通過閥體上的黑色旋鈕，將旋鈕旋至“OFF/關”位置，可切斷開關氣室氣路，此時校驗口自封閥與密度繼電器氣路相通，將密度控制器校驗儀接頭與校驗口自封閥對接后可進行校驗操作。正常工作時將旋鈕旋至“ON/開”位置，開關氣室、SF6密度控制器、校驗口同時接通（可進行氣體采樣、微水檢測等）和密度微水在線監測功能。

3）通過對系統收集的微水、溫度、壓力、濕度等數據，確認所有指標數據均符合《六氟化硫電氣設備氣體管理和檢測指南》（GB/T8905-2008）技術要求[4]，達到了研究和應用SF6露點、壓力變送器和SF6綜合在線監控系統的預期目標。

7 結束語

在某電廠研究應用取得實效后，目前同屬區域公司的電廠已啟動項目推廣應用工作，同行業電廠也對本項目進行了前期考察調研，該項目應用為行業提供了有效的應用解決方案參考價值。項目研究應用后，實現免拆卸校驗氣體密度繼電器，滿足設備補氣、純度、分解物試驗、測試等定檢、預試的技術措施要求。GIS設備SF6微水等重要指標數據實現實時監測、分析、報警，并能自動生成運行曲線、圖表，能直觀表現真實值、告警閾值，為設備安全運行分析和科學檢修提供可信的基礎數據服務。