淺析GIS綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能完善與升級(jí)改造

楊 東，劉 敏

(國(guó)家能源集團(tuán)大渡河大崗山水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 雅安 625000)

0 前 言

SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)是目前電氣設(shè)備集成度最高的布置形式。GIS將斷路器、電壓互感器、電流互感器、隔離刀閘、接地刀閘、避雷器和母線等元件封裝在接地良好的金屬殼體內(nèi)，殼體內(nèi)充以0.4～0.6 MPa壓力的SF6氣體作為相間和相對(duì)地絕緣。采用GIS可以大大縮小配電裝置的占地面積和空間體積，且運(yùn)行安全可靠、維護(hù)方便，在國(guó)內(nèi)外高壓和超高壓配電裝置中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

純凈的SF6氣體是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不助燃、不溶于水的非金屬化合物，在室溫下其化學(xué)性質(zhì)是惰性和穩(wěn)定的。SF6氣體中不含有自由電子，故其絕緣性能良好，SF6的滅弧能力要比空氣大100倍。

隨著GIS設(shè)備的廣泛應(yīng)用，也漸漸暴露出了一些問(wèn)題。例如，內(nèi)部存在嚴(yán)重缺陷的GIS在運(yùn)行中會(huì)引起絕緣閃絡(luò)或擊穿；GIS內(nèi)部SF6氣體微水含量超標(biāo)會(huì)引起GIS絕緣及滅弧能力的降低；SF6氣體泄漏，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡視、檢修人員的安全帶來(lái)極大的危害。國(guó)內(nèi)外曾多次發(fā)生過(guò)由GIS內(nèi)部缺陷引起的閃絡(luò)和擊穿重大事故，造成巨大的直接和間接損失[1]。

1 GIS設(shè)備SF6氣體常見(jiàn)故障及危害

1.1 SF6氣體微水含量超標(biāo)原因及危害

SF6氣體微水含量超標(biāo)主要有以下幾種原因。

(1)SF6氣體新氣的水分不合格。首先是對(duì)新氣檢測(cè)不嚴(yán)格；其次是運(yùn)輸過(guò)程中和存放環(huán)境不符合要求，也可能是存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

(2)吸附劑可能帶入水分。吸附劑活化處理時(shí)間短，安裝時(shí)暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮，在放入吸附劑時(shí)就會(huì)將水分帶入。

(3)透過(guò)密封件可能滲入水分。在內(nèi)外巨大壓差作用下，大氣中的水分會(huì)逐漸通過(guò)密封件滲入到GIS設(shè)備的SF6氣體中。

(4)工作人員不按有關(guān)規(guī)程和檢修工藝操作要求進(jìn)行充氣操作。例如，充氣時(shí)氣瓶未倒立放置，管路、接口不干燥或裝配時(shí)暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等，導(dǎo)致GIS設(shè)備充入SF6氣體時(shí)帶進(jìn)水分。

(5)絕緣件可能帶入水分。在裝配前對(duì)絕緣件未作干燥處理或干燥處理不合格，絕緣件因長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中而受潮。

(6)可能存在GIS設(shè)備的泄漏點(diǎn)滲入水分。充氣口、管路接頭、法蘭處滲漏、鋁鑄件砂孔等泄漏點(diǎn)，是水分滲入GIS設(shè)備內(nèi)部的通道，這是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，時(shí)間越長(zhǎng)，滲入的水分就越多。

GIS設(shè)備SF6氣體微水超標(biāo)的危害性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)SF6的分解物與水發(fā)生反應(yīng)，生成氨基酸(HF)及亞硫酸(H2SO3)，它們對(duì)SF6氣體高壓電氣設(shè)備中的金屬部件和絕緣部件產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕作用導(dǎo)致絕緣劣化，降低設(shè)備使用的性能和使用壽命。

(2)當(dāng)SF6氣體中水分含量低于0.03%時(shí)，絕緣表面的閃絡(luò)電壓沒(méi)有明顯的變化，水分超過(guò)這個(gè)濃度時(shí)閃絡(luò)電壓會(huì)明顯降低。隨著外部溫度的降低，這些水分會(huì)在設(shè)備內(nèi)部的絕緣層和金屬部件表面產(chǎn)生凝結(jié)，改變絕緣件表面的電阻率及電場(chǎng)分布，造成設(shè)備絕緣性能下降。

(3)水分對(duì)SF6開(kāi)關(guān)開(kāi)斷性能存在一定的影響，實(shí)驗(yàn)中曾多次發(fā)現(xiàn)SF6開(kāi)關(guān)因水分含量較多導(dǎo)致滿容量開(kāi)斷試驗(yàn)失敗，斷口間因絕緣能力不足在恢復(fù)電壓峰值附近被擊穿[2]。

1.2 SF6氣體泄漏原因及危害

GIS設(shè)備SF6氣體漏點(diǎn)位置及部件較分散，包括了因焊接件質(zhì)量問(wèn)題造成的焊縫漏氣、氣體管路連接處漏氣、鑄件表面有針孔或砂眼漏氣、壓力表或密度繼電器漏氣等，其中漏氣最多的是GIS設(shè)備罐體連接部位的密封圈與緊固固定螺栓處。密封面發(fā)生漏氣的主要原因有：由于密封皮條緊固不當(dāng)，端面受力不均；安裝時(shí)工藝控制不嚴(yán)，安裝帶有缺陷的密封圈；密封圈未能完全就位，或是緊固法蘭時(shí)擠壓損傷密封膠圈；密封圈老化、彈性減弱而引起密封性降低等[3]。

GIS設(shè)備SF6氣體泄漏會(huì)造成設(shè)備耐電壓強(qiáng)度降低、斷路器開(kāi)斷容量下降。另外，SF6為有毒氣體，泄漏后會(huì)危害人體健康，影響環(huán)境。

2 GIS設(shè)備SF6氣體監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

2.1 GIS設(shè)備管理現(xiàn)狀

某水電站GIS共324個(gè)氣室，每個(gè)隔室配置具有發(fā)信和報(bào)警功能的氣體密度繼電器，每個(gè)斷路器氣室配置有SF6微水監(jiān)測(cè)傳感器，GIS室內(nèi)配置了一套SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該水電站GIS整體外形見(jiàn)圖1。

圖1 GIS整體外形

2.2 氣體密度繼電器現(xiàn)狀

某水電站GIS每個(gè)隔室配置氣體密度繼電器，當(dāng)氣體密度下降到規(guī)定的報(bào)警壓力值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣；當(dāng)SF6氣體密度繼續(xù)下降到閉鎖壓力值時(shí)，發(fā)出閉鎖信號(hào)，相應(yīng)的斷路器等設(shè)備就不允許進(jìn)行操作，以保證設(shè)備和系統(tǒng)安全。

由于多種原因，SF6氣體密度繼電器在長(zhǎng)期運(yùn)行中，性能可能發(fā)生變化，甚至失去保護(hù)作用。例如，長(zhǎng)期不動(dòng)作后，SF6氣體密度繼電器可能出現(xiàn)動(dòng)作卡澀或不靈活、觸點(diǎn)接觸不良等現(xiàn)象；有的還會(huì)出現(xiàn)溫度補(bǔ)償性能變差，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，可能導(dǎo)致SF6氣體密度繼電器誤動(dòng)作[4]。

2.3 微水綜合監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)狀

斷路器氣室使用微水綜合監(jiān)測(cè)器，同時(shí)監(jiān)測(cè)SF6氣體的溫度、密度(壓力)和微水含量3個(gè)重要指標(biāo)，并通過(guò)RS485通信協(xié)議將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳給綜合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置。系統(tǒng)由30個(gè)日立信NA1100DP微水傳感器、1個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主IED裝置、1個(gè)監(jiān)測(cè)主機(jī)工控機(jī)及相關(guān)電源和通訊設(shè)備構(gòu)成，其中微水傳感器在SF6斷路器的每相布置1個(gè)。綜合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置能對(duì)SF6氣體溫度、密度和微水含量進(jìn)行連續(xù)、在線、實(shí)時(shí)、自動(dòng)地監(jiān)測(cè)和顯示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)器可預(yù)先設(shè)定報(bào)警和閉鎖整定值，當(dāng)有關(guān)指標(biāo)達(dá)到整定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置[5]。GIS微水綜合監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 GIS微水綜合監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)

2.4 SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

GIS室內(nèi)配置有一套NA-1000型SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)，由1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、4個(gè)溫濕度傳感器、18個(gè)SF6濃度和含氧量傳感器、2個(gè)人體紅外傳感器構(gòu)成。SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的觸摸屏安裝在GIS室進(jìn)門(mén)處，SF6濃度和含氧量傳感器對(duì)稱安裝在500kV GIS設(shè)備室。當(dāng)氣體傳感器檢測(cè)到SF6氣體濃度不小于0.1%或氧含量不大于18%時(shí)，監(jiān)控主機(jī)發(fā)出報(bào)警信息并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為15 min，系統(tǒng)每日會(huì)進(jìn)行自動(dòng)排風(fēng)。

圖3 SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

3 GIS 綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造

為滿足未安裝SF6氣體微水在線監(jiān)測(cè)裝置的GIS設(shè)備安全運(yùn)行，電站投運(yùn)后執(zhí)行了SF6氣體定期檢漏和抄表制度，維護(hù)人員定期使用手持式SF6氣體檢測(cè)儀對(duì)設(shè)備檢漏，由于GIS設(shè)備普遍較高且布置復(fù)雜、SF6氣體壓力表計(jì)不宜觀察等原因，在進(jìn)行定期工作時(shí)不僅耗時(shí)、耗力，而且準(zhǔn)確度和及時(shí)性也不高，給GIS的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)諸多不便。

GIS設(shè)備除斷路器外的隔室壓力額定值為0.45 MPa，運(yùn)行中的隔刀和地刀氣室含水量要求小于300 uL/L，運(yùn)行中的母線及分支母線氣室含水量要求小于500 μL/L，各氣室的年漏氣率要求小于0.3%。除斷路器外的氣室未安裝微水監(jiān)測(cè)傳感器，無(wú)法提供連續(xù)微水含量數(shù)據(jù)。按照運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，在設(shè)備運(yùn)行中必須對(duì)SF6氣體的密度和含水量進(jìn)行定期檢測(cè)，檢測(cè)SF6氣體微水含量時(shí)須排放大量的SF6氣體，測(cè)量后還需要補(bǔ)氣，補(bǔ)氣后氣室中的微水含量是否合格也無(wú)法判斷[6]。

升級(jí)改造的SF6氣體綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)控隔刀和地刀微水、密度和穩(wěn)定變化情況，由于在系統(tǒng)軟件中引入了工程圖的管理理念，因此在系統(tǒng)軟件中的設(shè)備位置與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)位置一致時(shí)，能快速定位設(shè)備位置，具備歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警數(shù)據(jù)查詢、聲光報(bào)警、繪制趨勢(shì)圖、數(shù)據(jù)備份等功能。新增的129臺(tái)SF6氣體微水傳感器實(shí)現(xiàn)了GIS所有斷路器、隔刀和地刀設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可將其直接安裝在密度繼電器校表閥座上，傳感器二次線敷設(shè)在GIS布置的橋架中，不影響現(xiàn)場(chǎng)美觀。

圖4 新增GIS綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

SF6氣體綜合在線監(jiān)測(cè)傳感器配合服務(wù)器及智能分析軟件能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線集中監(jiān)測(cè)，同時(shí)也具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)不同電站的需求預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)(RS485或RS232通信接口)，通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)，增加更多監(jiān)測(cè)點(diǎn)及檢測(cè)信號(hào)，對(duì)提供模擬量或開(kāi)關(guān)量的信息進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和處理。此套系統(tǒng)可增加GIS設(shè)備局部放電在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)GIS局部異常放電。系統(tǒng)對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS485通信接口和TCP/IP協(xié)議接口，方便地將綜合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置接入本地局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了電站的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，為打造智慧電廠提供便捷。

GIS綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造工作需要注意：整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接地要完善，設(shè)備處在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下，GIS設(shè)備發(fā)生短路接地等故障時(shí)要確保人員和設(shè)備安全；傳感器出廠前要先做好氣密性等檢驗(yàn)工作，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)要防止氣體泄漏，傳感器安裝的位置要避免陽(yáng)光直射而導(dǎo)致溫度升高，影響檢測(cè)結(jié)果；選擇的傳感器要適應(yīng)高頻電場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)量，且電路測(cè)量穩(wěn)定性良好；要定期對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，依據(jù)離線檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性進(jìn)行比對(duì)分析[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GIS綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造，GIS室新增了一套SF6氣體微水綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善了隔刀、地刀等重要設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)SF6氣體的微水變化趨勢(shì)，系統(tǒng)通過(guò)通信裝置，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至電站監(jiān)控系統(tǒng)。目前，GIS設(shè)備配置有微水綜合監(jiān)測(cè)裝置、SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、氣體密度繼電器等設(shè)備，各系統(tǒng)或設(shè)備數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，只能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，由于各系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)整合，不能發(fā)揮大數(shù)據(jù)的聚合效應(yīng)。未來(lái)，將通過(guò)電站一體化智能管控平臺(tái)，整合GIS設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)知預(yù)警及專家分析功能。