SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測及自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

王睿

摘要：分析了斷路器狀態(tài)監(jiān)測的重要性，針對目前斷路器補(bǔ)氣方式相對落后，提出了自動(dòng)補(bǔ)氣的設(shè)計(jì)理念、總體架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方式。通過對不同參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與管理，實(shí)現(xiàn)了六氟化硫絕緣斷路器狀態(tài)的電子化、可視化、信息化，從而提高了現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)工作的效率。并借助于專家分析模型庫提升了狀態(tài)監(jiān)測診斷的可靠性。

關(guān)鍵詞：斷路器；狀態(tài)監(jiān)測；自動(dòng)補(bǔ)氣；六氟化硫

中圖分類號：O434文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1.前言

SF6電氣設(shè)備因其占地少，運(yùn)行安全可靠，且有優(yōu)良滅弧性能和高強(qiáng)度的SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)，因此得到了廣泛運(yùn)用。

SF6高壓電器設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生SF6氣體泄漏；同時(shí)電器設(shè)備外部水分也會(huì)滲透進(jìn)高壓電器設(shè)備內(nèi)部，而導(dǎo)致電器設(shè)備內(nèi)部SF6氣體密度下降及水分含量超標(biāo)。使高壓電器設(shè)備存在安全隱患。

SF6電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中，在放電或高溫電弧的作用下SF6氣體會(huì)分解產(chǎn)生低氟化物，SF6在電弧作用下會(huì)產(chǎn)生若干分解，當(dāng)溫度達(dá)到4000K以上時(shí)，除了微量部分變成低氟化硫離子外，絕大部分分解成為S和F的單原子狀態(tài)。在電弧熄滅后分解的氣體又重新化合，絕大部分在10-4～10-5秒內(nèi)結(jié)合成穩(wěn)定的SF6分子，剩下的部分在重新組合過程中與金屬蒸汽和水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出極微量的劇毒金屬氟化物和氣體氟化物。對設(shè)備造成危害，導(dǎo)致絕緣性能嚴(yán)重下降，因此通過監(jiān)測六氟化硫氣體中的分解物含量，來掌握設(shè)備的健康狀況，考核安裝工藝質(zhì)量有著重要意義。

通過常規(guī)SF6氣體水分檢測只能判斷設(shè)備內(nèi)部腔體內(nèi)水分是否超標(biāo)，能夠?qū)F6高壓電器設(shè)備的一項(xiàng)或幾項(xiàng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量并上傳與閥值進(jìn)行簡單比對，實(shí)際情況下，無法根據(jù)一項(xiàng)或幾項(xiàng)數(shù)據(jù)片面的診斷出設(shè)備的運(yùn)行情況及絕緣狀態(tài)。此項(xiàng)目通過同時(shí)監(jiān)測SF6氣體分解物含量的變化綜合判斷SF6高壓電器設(shè)備的運(yùn)行情況及絕緣狀態(tài)。

傳統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置，基本都只停留在監(jiān)測的領(lǐng)域，只提供了監(jiān)測功能，無問題處理方法或故障解決方案，針對以上問題，本文所提出的裝置包括自動(dòng)補(bǔ)氣功能，在SF6高壓電器設(shè)備因內(nèi)部氣體密度不足的情況下可自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)氣，氣體均為經(jīng)過檢驗(yàn)、滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的SF6新氣，最大程度的提高SF6高壓電器設(shè)備的使用壽命及可靠性，減輕人力物力的投入，節(jié)省運(yùn)維成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

SF6斷路器由于其優(yōu)越的性能，已在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，目前，全國新建或改造的220 kV及以上電壓等級變電站已全部采用SF6斷路器，220kV以下電壓等級的變電站也有很大一部分采用SF6斷路器。但是，目前都沒有實(shí)現(xiàn)SF6氣體狀態(tài)在線全面診斷并自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)。此項(xiàng)目的實(shí)施，將大大提高SF6高壓電器設(shè)備的安全運(yùn)行和管理水平。特別是隨著變電站無人值班的廣泛應(yīng)用，變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修，已成為加強(qiáng)變電站安全運(yùn)行和設(shè)備管理的首要技術(shù)難題。

SF6氣體狀態(tài)在線全面診斷并自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)的研制成功還具有以下重要意義：

?解決了目前SF6高壓電器設(shè)備中SF6氣體狀態(tài)在線監(jiān)測的問題，解決了該領(lǐng)域水分測量不準(zhǔn)，分解物無法在線測量的技術(shù)難題，有利于及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備的運(yùn)行和管理水平，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

?提供了自動(dòng)向SF6高壓電器設(shè)備補(bǔ)充新氣的功能，智能識別SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力狀態(tài)，適時(shí)的向SF6內(nèi)部補(bǔ)充氣體，擴(kuò)大維修周期，減小運(yùn)維成本。

?開發(fā)的高精度濕度傳感器，經(jīng)溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算修正，專門針對低量程濕度測量較準(zhǔn)確、長期穩(wěn)定性好，適合于變電站在線測量使用。

?選用全進(jìn)口高性能傳感器和優(yōu)化氣路流程，確保高精度和高穩(wěn)定性，分解物濃度過高保護(hù)技術(shù)提高了電化學(xué)傳感器的使用壽命，對主要故障特征氣體具有低量程和高量程傳感器，并自動(dòng)切換。內(nèi)置電子流量計(jì)，全程顯示氣體流量，內(nèi)置高精度測溫芯片，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具有電化學(xué)傳感器零位自動(dòng)校正功能，具有自標(biāo)定功能，可用SF6 或N2做底氣的標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定。

?專家診斷系統(tǒng)能根據(jù)檢測組分種類及其含量，分別對斷路器和其他設(shè)備按交接或預(yù)試進(jìn)行分析判斷，并提出處理意見。

?SF6氣體作為一種氟化物，是破壞地球臭氧層和產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體之一。根據(jù)《京都協(xié)議》的規(guī)定，與HFC（氟氯烴）系列物質(zhì)類似的SF6和PFC等溫室氣體不得隨意排放到電氣中去。本項(xiàng)目所開發(fā)的系統(tǒng)對大氣為零排放，減少該氣體的排放，對防止大氣污染有著深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

?SF6斷路器在經(jīng)分合閘拉弧后，會(huì)分解出多種有毒物質(zhì)，直接影響現(xiàn)場運(yùn)行和檢修人員的身體健康。該項(xiàng)目改變了傳統(tǒng)的SF6的檢測方法，對大氣為零排放，最大程度的保護(hù)了現(xiàn)場運(yùn)維人員及試驗(yàn)人員的健康。

實(shí)施SF6氣體狀態(tài)在線全面診斷并自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)在線監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析設(shè)備中SF6氣體漏氣狀況，并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)氣處理，為斷路器的狀態(tài)檢修及運(yùn)行維護(hù)提供了技術(shù)手段及幫助，可以大大減少系統(tǒng)的停電時(shí)間和檢修人力、物力等費(fèi)用。開展微水動(dòng)態(tài)含量的在線監(jiān)測，保障了通過微水含量的變化來精準(zhǔn)地反映被檢測設(shè)備腔體內(nèi)部氣體質(zhì)量，通過檢測分解物的含量變化可以準(zhǔn)確的判斷SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)部的故障類型及程度，且能夠?qū)收线M(jìn)行有效的預(yù)防。綜合分析并處理以上所采集到的數(shù)據(jù)，專家診斷模塊可為用戶科學(xué)地做出檢修決策提供數(shù)值依據(jù)甚至檢修解決方案。

3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念如圖1所示。改進(jìn)了現(xiàn)有的SF6高壓電器在線微水測量方法，整合了SF6分解物的檢測技術(shù)，根據(jù)采集大量的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用專家診斷模塊綜合分析處理各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)，最終得出SF6高壓電器設(shè)備的絕緣性能狀態(tài)、趨勢及故障情況。并且在高壓電器發(fā)生內(nèi)部氣體壓力不足的情況下可自動(dòng)控制裝置對SF6高壓電器設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充新氣。其主要內(nèi)容包括：

?密度在線監(jiān)測功能。即通過機(jī)電一體式密度繼電器對SF6高壓電氣設(shè)備內(nèi)的SF6氣體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，克服了機(jī)械表無法遠(yuǎn)傳且精度不足、電子式無法就地顯示的問題，互相冗余作為后備保護(hù)，可靠性大大增強(qiáng)。

?微水動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能。使SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)的氣體在監(jiān)測時(shí)流動(dòng)起來，傳感器采集氣體的溫度、壓力及濕度參數(shù)，通過模型計(jì)算得出SF6氣體的微水值，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)靜態(tài)下測量微水方法的不足，減少了傳感器因靜態(tài)下水分子吸附問題所帶來的測試誤差。

?自動(dòng)補(bǔ)充新氣功能。根據(jù)密度在線監(jiān)測模塊監(jiān)測的情況，經(jīng)專家診斷系統(tǒng)分析后受總控模塊控制，適時(shí)的向SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)補(bǔ)充SF6新氣，以免因設(shè)備漏氣導(dǎo)致設(shè)備停電，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失，延長SF6高壓電器設(shè)備的使用壽命。

?廢氣回收功能。微水動(dòng)態(tài)監(jiān)測及分解物分析所產(chǎn)生的廢氣由廢氣回收模塊全部儲存，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量功能的同時(shí)達(dá)到零排放的指標(biāo)。

?SF6氣體分解物檢測功能。在微水動(dòng)態(tài)監(jiān)測的同時(shí)進(jìn)行SF6氣體分解物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以判斷SF6高壓電器絕緣缺陷類型、性質(zhì)、程度及發(fā)展趨勢。

?智能總控功能。以上各項(xiàng)參數(shù)的儲存、分析處理，以及專家診斷并控制各項(xiàng)功能均通過智能總控模塊實(shí)現(xiàn)，快速的計(jì)算分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，綜合判斷所監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)機(jī)絕緣情況，實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警狀態(tài)。以滿足智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，智能診斷，統(tǒng)一化管理的需求。

圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

4關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

從國內(nèi)外資料得知，SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)分解產(chǎn)物主要是硫化物和氟化物。

硫化物主要有SO2、H2S、SOF2、SF4、SO2F2、S2F10和S2OF10等；氟化物主要有HF、CF4、AlF3、CuF2和WF6等。若進(jìn)行所有產(chǎn)物的檢測，雖能更準(zhǔn)確的判斷內(nèi)部故障的部位，但是由于上述的物質(zhì)中除SO2、H2S和CF4毒性少外，其它都是劇毒物, 在設(shè)備內(nèi)部的含量極少，又不穩(wěn)定。含量稍多的SF4、SOF2等又很快會(huì)與SF6氣體中的水份進(jìn)行水解反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的SO2和HF。

因此，氣室中SO2含量除了由SF6和固體絕緣材料分解直接生成外，還會(huì)由SO2F2等的水解產(chǎn)生。SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)，如圖2所示，反應(yīng)式主要有：

SF6 → SF4+ F2

SF4+ H2O → SF2 + 2HF

SOF2 + H2O → SO2 + 2HF

S2F10 → SF4 + SF6

3SF6 + W → 3SF4 + WF6

SF6+Cu → SF4+ CuF2

3SF6 + 2Al → 3SF4 + 2AlF3

固體絕緣材料的成分主要有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺樹脂，其主要元素是C、H、O和F，當(dāng)故障點(diǎn)溫度達(dá)500℃開始分解，分解產(chǎn)物主要有CF4、SF4、SO2、H2S、CO、CO2和低分子烴。

圖2 SF6分解物分解示意圖

?SO2、H2S的正常含量

我公司技術(shù)人員統(tǒng)計(jì)了幾百臺SF6電氣設(shè)備氣室中SO2、H2S的含量范圍和分析絕緣材料裂解反應(yīng)機(jī)理后，提出各種SF6設(shè)備中SO2、H2S含量的正常含量為：SO2≤1.0μl/L, H2S≤0.5μl/L。即當(dāng)所檢測氣室的SO2、H2S含量小于上述濃度時(shí)，設(shè)備屬正常；而超過上述指標(biāo)時(shí)，便應(yīng)視為不正常，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督。

?內(nèi)部故障的判斷方法

通過對大量故障設(shè)備中SO2、H2S含量分布情況的分析，按SO2、H2S濃度的大小擬定出多個(gè)區(qū)間，編制出專家診斷軟件，進(jìn)行具體分析判斷，并提出相應(yīng)的處理意。SF6電力設(shè)備的內(nèi)部故障是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在判斷內(nèi)部故障時(shí)必須結(jié)合設(shè)備運(yùn)行、結(jié)構(gòu)、檢修、電氣試驗(yàn)、繼電保護(hù)動(dòng)作和故障錄波情況等作綜合分析，不斷提高對故障的分析判斷水平。

?根據(jù)現(xiàn)場檢測SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)的氣體壓力值，適時(shí)的控制裝置向高壓電器設(shè)備內(nèi)補(bǔ)充SF6新氣。

?微水動(dòng)態(tài)監(jiān)測及SF6分解物檢測過程中所產(chǎn)生的氣體被廢氣鋼瓶回收并儲存，對大氣實(shí)現(xiàn)零排放。

?后臺軟件讀取實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并保存，專家診斷系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)及歷史保存的數(shù)據(jù)科學(xué)的分析SF6開關(guān)體內(nèi)氣體的狀態(tài)、開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)及故障情況。通過智能電網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)約IEC61850（DL/T860）與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與其他設(shè)備共享監(jiān)測信息。

?5 結(jié)束語

目前通過測量壓力大小實(shí)現(xiàn)SF6氣體密度的監(jiān)測，對斷路器絕緣性能和開斷能力實(shí)現(xiàn)判斷外，還能通過壓力值大小反映出大量氣體泄漏故障。這也是該方法的缺陷，智能監(jiān)測出大量氣體泄漏情況因此當(dāng)前已興起了很多研究氣體泄漏的方法，如：基于超聲波原理、紫外線電離法、高壓負(fù)電暈放電原理、激光成像原理、和基于紅外光譜吸收原理。這些方法也存在一些不足，有的還不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。因此對根據(jù)氣體狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)SF6斷路器氣體泄漏在線監(jiān)測與故障診斷還需進(jìn)一步的深入研究。

水分對SF6氣體的影響較大，當(dāng)達(dá)到一定溫度下，將產(chǎn)生有毒氣體，如何控制SF6氣體中水分的含量也是目前研究的熱點(diǎn)問題。

SF6氣體在電弧作用下，與水、電極材料、絕緣材料、氧氣等發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，對該過程進(jìn)行深入研究，更精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測出各內(nèi)部故障分解物含量，對分析出SF6斷路器內(nèi)部發(fā)生故障類型和故障的嚴(yán)重性將有很重要的意義，可以更深入的了解SF6斷路器運(yùn)行過程中的運(yùn)行工況，更準(zhǔn)確的對斷路器進(jìn)行故障診斷。

斷路器在氣體泄漏的初期很難引起運(yùn)維人員的注意，也是事故無法及時(shí)避免的客觀原因所在，如果能夠延緩報(bào)警，或者出現(xiàn)泄漏情況后，能夠及時(shí)的將隱患自動(dòng)排出，是本文的初衷所在，如果能將現(xiàn)有的人工現(xiàn)場干預(yù)SF6斷路器補(bǔ)氣更換為現(xiàn)場檢測到斷路器內(nèi)氣體壓力不足，自動(dòng)補(bǔ)氣，即可給運(yùn)維人員提供充足的時(shí)間來對故障進(jìn)行檢修前的準(zhǔn)備。

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