變電站GIS預制艙通風系統研究與應用

劉文平,肖 星,陳偉明,尹雁和,曾 威

(南方電網廣東中山供電局,廣東 中山 528400)

0 引言

隨著城市用電負荷持續增長,考慮到經濟效益和安全運行,需要在城市中心建設變電站,其占地面積和建設周期顯得尤為重要[1-3]。一種模塊化預制艙式變電站在城市中心的應用,解決了傳統變電站建設周期長、占用土地面積大、安裝工藝不統一等問題,實現了變電站的小型化、低成本,提升了建設效率和質量[4-7]。變電站GIS預制艙內空間小且密閉,一方面,需要保持GIS室內的溫濕度、氧氣濃度正常,在外部環境處于惡劣狀態時,防止外部風沙、灰塵進入室內;另一方面,室內設備散發的熱量應及時排出,否則會影響設備安全穩定運行[8-9]。

當前,國內針對變電站GIS預制艙室通風系統尚無相關文獻,但對變電站設備室的通風系統開展了相應研究,文獻[10]采用置換通風技術,將自然通風、機械通風與物聯網控制技術相結合,應用于GIS室通風系統,取得了較好的經濟效果;文獻[11]通過改造10 kV高壓室通風系統進風口位置,提高了通風效率;文獻[12]選擇最有效的空調方式,盡可能充分地利用自然通風,并利用室內散熱的熱循環替代了電暖氣,達到節電目標,可以起到節能效果。上述系統均獨立運行,缺乏聯動控制,智能化水平低,不能有效提高GIS室通風效率,且上述系統目前采用人工的周期性巡視方法并存在通風設備隱患,該方法存在巡視工作量大、智能化水平低、易失誤等問題,且無法及時發現設備異常狀態,造成室內環境出現不符合正常運行條件的情況。

為了解決上述變電站通風系統問題,本文采用可控弱氣流通風技術、微正壓空調技術、風機控制與狀態監測技術、防塵通風控制技術和智能聯動控制技術,提出并研制了變電站GIS預制艙室通風系統,實現了GIS室內風機、空調、除濕機、空氣凈化器及防塵通風裝置實時在線監測、控制、診斷、預警功能,及時發現通風設備故障狀況,并通知運維人員進行處理。

1 變電站GIS預制艙通風系統結構與功能設計

1.1 系統結構設計

變電站GIS預制艙通風系統由監控系統、微機控制器、傳感器、通風設備、網絡裝置組成,系統結構如圖1所示。

圖1 變電站GIS預制艙通風系統結構

傳感器包括氣體傳感器、溫濕度傳感器、紅外測溫儀、熱釋電人體感應傳感器、火災探測器。氣體傳感器安裝在GIS預制艙設備附近底部,用于監測O2、SF6濃度和空氣質量(甲醛含量、TVOC含量、PM2.5);溫濕度傳感器安裝在墻上,用于監測室內溫濕度;紅外測溫儀位置正對著GIS設備,用于監測設備溫度;熱釋電人體感應傳感器安裝在艙門前,用于監測是否工作人員進入室內;火災探測器安裝在艙內頂部,用于監測室內火災。各傳感器將采集的數據上傳至微機控制器。

通風設備包括風機、空調、除濕機、空氣凈化器、防塵通風裝置,用于調節GIS室內O2濃度、SF6濃度、溫濕度、凈化室內空氣,確保室內GIS設備安全可靠運行和環境空氣質量符合標準。

微機控制器實現對傳感器數據采集并上傳至監控系統,執行監控系統的控制指令,控制通風設備啟停機;監測傳感器、通風設備及微機控制器的運行信息或故障狀態至監控系統。

監控系統對GIS預制艙O2濃度、SF6濃度、溫濕度、空氣質量進行集中管理,制定、發布通風設備的控制策略,實時采集傳感器的數據并進行統計、分析、決策,實時在線監測各通風設備運行狀態并預警故障信息,有效管控GIS室內環境數據。

網絡裝置主要由交換器、光纖收發器、調制解調器、光纜、網線等構成。傳感器與微機控制器通過網線或RS-485串口通信,微機控制器與調制解調器采用ZigBee無線通信技術進行通信,調制解調器與交換機采用網線或光纖通信,而交換機則與監控系統之間采用網線通信。

1.2 功能設計

變電站GIS預制艙通風系統需集中監測全部傳感器數據,制定有效的控制策略。其主要功能如下。

a. 實時監測、診斷、告警功能。系統實時在線監測GIS預制艙O2濃度、SF6濃度、溫濕度、空氣質量數值,對數據進行分析,發現異常數據時及時告警。系統實時監測微機控制器、傳感器、通風設備運行狀況并上報裝置異常。上述告警信號上傳至監控系統,并及時發送給運維人員,以便及時消缺。

b. 實施微機控制器及監控系統控制策略。系統結合通風設備聯動組合實施調節GIS預制艙O2濃度、SF6濃度、溫濕度、空氣質量的控制策略,可遠方投退通風設備,防止通風設備長時間運行,降低設備故障率。

c. 定值管理。運維人員通過微機控制器或監控系統執行定值,主要包括通風設備啟停機、故障定值。

d. 巡視報告自動生成。巡檢報告內容包括GIS預制艙O2濃度、SF6濃度、溫濕度、空氣質量監測數據、微機控制器及通風設備運行狀態、異常告警信號等。

2 GIS變電站預制艙通風系統關鍵技術

2.1 可控弱氣流通風技術

可控弱氣流通風技術是采用置換通風原理,將機械送風與自然排風進行結合,應用在電氣設備室內通風系統[13]。

2.1.1 置換通風原理

置換通風系統主要是通過將室內外的空氣置換,從而對設備及室內空氣質量實現更高效管理[14]。置換通風原理如圖2所示。

圖2 置換通風原理

傳統的風機以恒定功率運轉,且啟動后以最大功率持續運行,因為預制艙空間狹小、作業空間小,風機造成的噪音也會比較明顯,會影響作業人員作業質量,因此降低風機噪音很重要。通風風機采用變頻電機和消音罩降低噪音,根據SF6濃度調節風機轉速;發生火災時,風機以最大功率運行排煙。風機長時間運行,濾網上會積聚灰塵,風機采用可拆卸的防塵網,卡槽上設計1個把手以便拔下過濾網。

防塵通風裝置由過濾器、防小動物網、百葉窗、防雨罩組成,GIS預制艙通風防塵裝置如圖3所示。防塵通風裝置可過濾預制艙GIS室內的粉塵并通風。

(a)室內 (b)室外

根據氣體傳感器、熱釋電人體感應傳感器檢測的數據聯動控制風機與防塵通風裝置的啟停,使預制艙GIS室內氣體濃度滿足預設的氣體濃度限值。

當監測到的SF6濃度值不小于SF6啟動閾值或O2濃度值不大于O2啟動閾值時,啟動風機和防塵通風裝置;當監測到的SF6濃度值小于SF6停機閾值且O2濃度值大于O2停機閾值時,關閉風機和防塵通風裝置;當熱釋電人體感應傳感器檢測到工作人員進入GIS預制艙時,啟動風機和防塵通風裝置,持續運行至預設時長后,關閉風機和防塵通風裝置。

2.1.2 可控弱氣流通風技術特點

在變電站GIS預制艙通風系統中,需保證GIS設備環境溫濕度得到有效控制,需要將通風系統中的分層界面高度控制在GIS設備頂部之上,才能維持電氣設備室的環境溫度。

置換通風需要控制出風位置和出風速度,由于GIS預制艙設備布置比較緊湊,室內通風設備或風管布置受限因素較多,需將機械送風與自然排風相結合,對室內O2濃度、SF6濃度進行有效控制,不僅保障作業人員安全,還可降低通風系統能耗。

可控弱氣流通風的核心是“可控”和“弱氣流”。可控主要是通過室內設備發熱量、濕度、室外氣象條件等參數對正壓通風系統的送風量、送風地點、送風方式、送風方向、送風品質等進行控制,以維持室內穩定的溫度梯度和均衡的氣流分布。弱氣流基于置換通風原理,維持室內穩定溫度梯度所需的最小氣流,可避免室內局部渦流產生,使機械送風與設備表面維持穩定,并實現高效對流換熱。此外,弱氣流還為進風氣流的凈化、過濾、控濕等處理提供了良好條件,可有效保證室內空氣品質,同時驅動弱氣流所用的小功率風機,使風機及氣流產生的噪音大大減小。

2.1.3 可控弱氣流通風系統控制策略

可控弱氣流通風是建立在熱平衡理論、置換通風理論基礎之上的通風方法,通風原理是在強氣流組織的設計中,利用防塵通風裝置的優化設計,使室外新風首先通過發熱量較低的主要設備區域,最后再達到主要發熱設備,能夠降低發熱設備對室內外其他空氣的熱污染,達到節能目的;通過將冷熱溫度邊界的溫度進行控制,以達到對室內外溫度的合理調節,并適當增加了通風裝置的排風溫度,以減少通風裝置的通風流量;并通過對排風系統出口位置與范圍的適當調整,維持最上部的熱壓,以保持室內外溫度梯度,并避免了室內系統噪音外泄。

系統主要從通風裝置外形、風機參數、風機與防塵通風裝置安裝位置等進行優化,通過溫濕度傳感器采集GIS預制艙室上部或出風口的溫度數據、氣體傳感器采集室內SF6和O2氣體濃度,采用微機控制器建立智能反饋機制,自動控制通風設備的輸出功率與啟停機,實時調節換氣量,使其與設備發熱量變化的動態曲線相適應,達到控制室內空氣溫濕度目的;并通過氣體傳感器、火災探測器來實現設備運行環境的安全控制及異常或越限告警。

2.2 微正壓空調技術

對于多塵、高濕、高溫地區的變電站,GIS預制艙內應采用微正壓技術,使內部氣壓值為環境壓力值的1.05倍,這種設計具有防塵、除濕、防凝露功能,確保GIS設備的安全穩定運行。

微正壓空調將微正壓技術與空調制冷技術結合。當壓力傳感器檢測到室內氣壓值不大于環境壓力值的1.05倍時,微正壓空調將室外空氣經過過濾、除濕、微增壓后經出風管道抽入室內;當壓力傳感器檢測到室內氣壓值等于環境壓力值的1.05倍時,停止送風,預制艙門窗縫隙處的空氣向室外流動,室外灰塵、濕氣、高溫氣體不能通過門窗縫隙進入室內,具有防塵、除濕、防凝露等功能[15],微正壓防塵原理如圖4所示。另外,微正壓空調主要調節艙內溫度,除濕機主要調節艙內濕度,以確保艙內運行環境的溫濕度適宜于設備穩定運行。

圖4 微正壓防塵原理

微正壓空調系統由空調主機、出風管道組成,空調主機連接出風管道,出風管道圍繞室內上方一圈,每隔一段距離設置管道出風口,空調冷空氣從上部排出,并下沉至GIS預制艙底部,實現冷熱空氣對流,使室內各部位溫度均勻,保證預制艙式高壓室內設備運行環境。

GIS預制艙內空調與除濕機能根據室內溫濕度情況進行自動投退,保證室內設備運行環境最優化;還可通過微機控制器或監控系統實現遠方投退,避免空調在不必要情況下長期運行,降低設備故障率、延長使用壽命、節能降耗、降低維護成本。若空調發生故障,能自動將故障告警信息發送至監控系統,通知運維人員進行維修,縮短故障時間。

等溫自由射流狀態下,射流的軸心速度計算見式(1)。

(1)

式中:vx為射程x處射流軸心速度,m/s;v0為射流出口速度,m/s;a為送風口紊流系數;d0為送風口直徑,m;x為射流斷面至送風口距離,m。

由式(1)可知通風氣流的速度衰減與射程成反比,機械送風大于機械排風對室內氣流的影響,微正壓空調送風與風機排風系統可提高GIS預制艙通風系統效率。

2.3 風機控制與狀態監測技術

a. 自動啟動

當氣體傳感器采集的SF6濃度定值不小于風機啟動SF6濃度定值時,經風機啟動延時定值時間后啟動風機;當氣體傳感器采集的O2濃度定值不大于風機啟動O2濃度定值時,經風機啟動延時定值時間后啟動風機;當熱釋電人體感應傳感器檢測到工作人員即將進入GIS室時,風機自動啟動。

b. 手動啟動

系統運維人員進入GIS室前,通過操作微機控制器的手動按鈕手動投入風機,確保運維人員安全;運維人員通過操作微機控制器的停止按鈕手動退出風機,通過監控系統能實現遠方投退風機,避免風機在不必要的情況下長期運行,降低風機故障率,延長風機使用壽命。

c. 停止模式

當氣體傳感器采集的SF6濃度定值小于風機停機SF6濃度定值時,停止風機運轉;當氣體傳感器采集的O2濃度定值大于風機停機O2濃度定值時,停止風機運轉;當熱釋電人體感應傳感器檢測到工作人員進入GIS室時,風機持續運行通風時間定值后停機。

風機控制系統根據風機電流傳感器的數據判斷風機是否發生故障,當檢測到風機工作電流數據不小于預設的風機電流閾值時,則判定風機運行正常,否則判定風機發生故障,發出告警信號至監控系統,運維人員能迅速掌握風機故障情況,及時安排風機修理,縮短故障時間。同時風機控制系統還實現了與火災探測器聯動。當室內發生設備故障產生大量煙塵,能自動啟動風機快速排煙,為運維人員進入室內處理故障提供支持。

2.4 多傳感器融合技術

GIS預制艙內采用多種傳感器,包括氣體傳感器、溫濕度傳感器、紅外測溫儀、熱釋電人體感應傳感器、火災探測器,需綜合處理多種傳感器數據,控制通風設備啟停機,確保室內溫濕度及空氣質量達標。

多傳感器融合在層次結構方面不同,包括數據層信息融合、特征層信息融合及決策層信息融合[16-17]。特征層的融合是對從原始信息中獲得的特征矢量進行融合,并對特征矢量進行重新表示與處理。決策層數據信息包含了初始的檢測信息預處理、對原始信息特征提取及對信息識別過程分析,通過相應檢測數據得到最終結論,并對相關傳感器數據加以整合,從而得到檢測對象的最后結論,如圖5所示。

圖5 決策層融合過程

多傳感器融合技術通過輸入多個傳感器數據,再通過各種算法處理不同數據,最后達到數據融合。

2.5 智能聯動控制技術

該系統通過對傳感器監測的數據進行智能分析,基于歷史和當前艙內環境數據、風機電流值,通過智能算法預測通風設備故障,可及時發現通風設備故障,通知運維人員及時處理。通過智能聯動控制技術,控制通風設備的啟停機,確保室內設備運行環境最優化。

GIS預制艙內SF6濃度不小于SF6啟動閾值或O2濃度不大于啟動閾值時,啟動風機、防塵通風裝置進行通風;溫度不小于溫度定值時,啟動空調進行制冷;濕度不小于濕度定值時,啟動除濕機進行除濕;空氣質量參數不小于空氣質量定值時,啟動空氣凈化器進行凈化;熱釋電人體感應傳感器檢測到工作人員進入時,啟動風機、防塵通風裝置,通風15 min后停機;火災探測器監測到有火災時,啟動風機進行排煙,關閉空調、除濕機及防塵通風裝置,智能聯動控制邏輯如圖6所示。

圖6 智能聯動控制邏輯

3 應用實例

110 kV同福變電站是南方電網首個全設備預制艙式模塊化變電站,也是南方電網裝配式技術應用試點項目。本文研制的變電站GIS預制艙通風系統已安裝應用于110 kV同福變電站,在110 kV GIS室安裝了微正壓空調、除濕機、事故風機、風機、防塵通風裝置等通風設備和氣體傳感器、溫濕度傳感器、熱釋電人體感應傳感器、火災探測器、風機電流傳感器等檢測設備,實現了GIS室內風機、空調、除濕機、空氣凈化器及防塵通風裝置狀態的實時在線監測、控制、診斷和預警功能。GIS預制艙外觀如圖7所示。

圖7 GIS預制艙外觀

運維人員通過微機控制器查看GIS室內環境實時數據,方便運維人員巡視。圖8為GIS室內溫濕度、O2濃度、SF6濃度數據實時采集界面。

圖8 GIS室內環境數據實時采集界面

通過將110 kV同福變電站和110 kV福隆變電站(非預制艙)GIS室內環境監測數據在2022年9月的溫度、含氧量進行分析。圖9為室內溫度對比圖,同福站GIS室內溫度在25.5～27.5 ℃,同福站與福隆站的室內溫度差最高、最低、平均值分別為3.0 ℃、1.2 ℃、2.0 ℃,同福站GIS室內溫度均低于福隆站。圖10為室內含氧量對比圖,110 kV同福變電站GIS室的含氧量在21%～22%,兩站室內含氧量差最高、最低、平均值分別為3.5%、1.9%、2.8%,雖均高于《中國南方電網有限責任公司電力安全工作規程》中GIS室運行標準的含氧量要求(不低于18%),但同福站GIS室內含氧量均高于福隆站。變電站GIS預制艙通風系統提高了GIS室的通風效率。

圖9 溫度對比

圖10 含氧量對比

110 kV同福變電站GIS預制艙通風系統運行后,實現了GIS預制艙O2濃度、SF6濃度、溫濕度、空氣質量在線監測、預警和通風設備運行狀態實時數據在線監測、故障診斷、異常預警。實時掌握預制艙內通風設備運行狀況,及時通知運維人員進行維護,確保了預制艙內環境滿足運行要求。

4 結語

針對當前通風系統采集判據信息單一、缺乏聯動、智能化水平低且采用人工周期性巡視方法發現通風設備隱患問題,本文研制了變電站GIS預制艙通風系統。該變電站GIS預制艙通風系統集成應用了可控弱氣流通風技術、微正壓空調技術、風機控制與狀態監測技術、多傳感器融合技術和智能聯動控制技術,實現了自動檢測GIS預制艙室內的SF6濃度、O2濃度、溫濕度、空氣質量及風機、空調、除濕機、空氣凈化器、防塵通風裝置的運行狀態。該系統可查詢實時數據和歷史數據并自動上報GIS預制艙環境監測異常數據、通風設備異常狀態等告警信息,提高了GIS預制艙室通風效率,保證了運維人員人身安全及設備安全穩定運行。