電氣設(shè)備SF6氣體檢漏故障模擬裝置

沈夢甜，李哲文，朱娟，余后霞

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

隨著電力工業(yè)的大力發(fā)展，SF6氣體因?yàn)槠淞己玫碾姎庑阅鼙粡V泛的用于高壓電氣設(shè)備，變電站內(nèi)設(shè)備中純SF6氣體電氣設(shè)備的數(shù)量占有相當(dāng)比例。同時(shí)鑒于SF6氣體在強(qiáng)電場作用下容易產(chǎn)生有毒有害氣體，將會(huì)污染大氣和危及人身安全，此外SF6還是一種強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，目前國內(nèi)外在廣泛研究SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體，且已在部分地區(qū)的電氣設(shè)備中實(shí)際應(yīng)用。由于設(shè)備在制造工藝和安裝方面的原因，使用純SF6氣體和SF6/N2混合氣體的電氣設(shè)備泄漏問題非常普遍，一旦發(fā)生SF6氣體泄漏，影響電氣設(shè)備絕緣性能，將對環(huán)境和人員造成危害，因而及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏對于電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有極重要的意義[1]。

SF6氣體電氣設(shè)備帶電成像檢漏技術(shù)與傳統(tǒng)的停電檢漏相比，具有無需停電、非接觸式、測試靈活、方便、檢測范圍大等優(yōu)點(diǎn)，檢測時(shí)可根據(jù)要求進(jìn)行，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的泄漏點(diǎn)[2]。目前驗(yàn)證SF6氣體紅外成像檢漏儀器和開展生產(chǎn)作業(yè)檢漏技術(shù)培訓(xùn)，主要使用SF6氣體鋼瓶作為試驗(yàn)裝置，通過開、關(guān)鋼瓶模擬電氣設(shè)備漏氣，存在問題有:①無法準(zhǔn)確模擬GIS電氣設(shè)備常規(guī)漏氣部位；②無法準(zhǔn)確模擬常規(guī)GIS設(shè)備漏氣速率 (漏氣速率較慢)；③SF6氣體密度大于空氣，容易在低洼處聚集，造成環(huán)境污染，人員安全受到威脅。

本文設(shè)計(jì)研發(fā)一套用于電氣設(shè)備SF6氣體檢漏的故障模擬裝置，集教學(xué)培訓(xùn)、儀器性能比對及實(shí)驗(yàn)研究為目的，通過模擬現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)下的SF6氣體泄漏，為高壓電氣設(shè)備帶電檢漏提供教學(xué)模型，為氣體泄漏預(yù)控研究提供試驗(yàn)平臺和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全面考核氣體檢漏儀器優(yōu)劣性能。

1 裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

故障模擬裝置主要由裝置底座、GIS罐體、混合氣體罐、電氣控制系統(tǒng)、氣體泄漏單元組成，如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝置罐體采用與GIS電氣設(shè)備一致的結(jié)構(gòu)，安裝在罐體內(nèi)外的故障泄漏單元可有效模擬瓷套管法蘭澆注處、瓷套管裂紋、金屬罐體焊縫、螺紋連接等多處漏氣部位?；旌蠚怏w罐中使用純SF6氣體或不同體積分?jǐn)?shù)混合比例的SF6/N2混合氣體兩種模式。漏氣部位設(shè)置了電磁閥門，混合氣罐上安裝了壓力傳感器，通過程序控制漏氣部位、調(diào)節(jié)漏氣速率，監(jiān)測混合氣罐的氣壓。彩色觸摸屏進(jìn)行操作和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示。裝置底座下部安裝輪子，可以靈活移動(dòng)。

1.2 裝置外觀設(shè)計(jì)

裝置罐體結(jié)構(gòu)與GIS電氣設(shè)備實(shí)際罐體一致，采用直徑50 cm金屬管制作，在管道左上部焊接3個(gè)瓷套固定座，左端用蓋板加螺栓扭緊蓋死。混合氣體罐固定于管體內(nèi)部中間。管體右端蓋板上開一小門，小門后面用于固定控制線路板，門前面安裝液晶觸摸顯示屏。裝置底座下部安裝輪子，可以靈活移動(dòng)，氣瓶可方便的固定在底座上。裝置外觀設(shè)計(jì)原則上與實(shí)際設(shè)備類似，同時(shí)滿足靈活移動(dòng)、操作直觀的特點(diǎn)。

1.3 混合氣體罐設(shè)計(jì)

為更加全面模擬純SF6和SF6/N2混合氣體，特設(shè)計(jì)混合氣體罐?；旌蠚怏w罐設(shè)置在GIS罐體內(nèi)部，用于存儲SF6和N2氣體的混合氣體，采用8 L標(biāo)準(zhǔn)容器，N2氣瓶和SF6氣瓶通過流量計(jì)與混合氣罐相連，流量計(jì)可精確控制SF6和N2氣體的流量，用來配制出純SF6氣體和SF6/N2混合氣體?；旌蠚夤迌?nèi)可安裝氣泵，對密度不同的兩種氣體進(jìn)行均勻混合?；旌蠚夤藿佑?個(gè)電磁閥，6個(gè)出氣閥用來控制6個(gè)泄漏點(diǎn)的出氣，2個(gè)用來控制SF6和N2氣體的進(jìn)氣?；旌蠚夤藿佑幸恢粔毫鞲衅?，可用來監(jiān)測混合氣罐的氣壓。

1.4 氣體泄漏單元的設(shè)計(jì)

氣體泄漏單元由漏氣孔、漏氣管道及電磁閥組成，有效模擬瓷套管法蘭澆注處、瓷套管裂紋、金屬罐體焊縫、螺紋連接等氣體泄漏故障，漏氣孔通過漏氣管道連接到混合氣罐，安裝在混合氣罐上的電磁閥可控制漏氣部位。

在漏氣小孔的設(shè)置方面，瓷套管在泥胚成型后，在泥胚上開孔，開孔尺寸直徑15 mm，然后進(jìn)行燒制。待瓷套管燒制完成后，依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)場SF6設(shè)備的漏氣部位，在開孔處制作形成3～7 mm縫隙形漏氣點(diǎn)。如圖2所示，裝置在絕緣瓷套上、下法蘭處和絕緣瓷套中部設(shè)置了3個(gè)漏氣點(diǎn)，可以用于模擬絕緣瓷套管上部法蘭由于澆注不嚴(yán)導(dǎo)致漏氣、絕緣瓷套管下部法蘭由于澆注不嚴(yán)或者由于長時(shí)間力矩作用導(dǎo)致的瓷套根部裂紋漏氣、絕緣瓷套管中部由于運(yùn)輸或安裝的機(jī)械外力作用出現(xiàn)的裂紋漏氣等3種泄漏故障類型。

圖2 絕緣瓷套上、中、下法蘭裂紋漏氣點(diǎn)

金屬罐體制作加工過程中，在罐體與盆式絕緣子連接處、密封墊圈及罐體部件焊接處分別設(shè)置3個(gè)漏氣孔，制作形成2～3 mm針形漏氣點(diǎn)。用于模擬金屬罐體部件連接處虛焊導(dǎo)致的焊縫漏氣、兩個(gè)金屬罐體連接處的盆式絕緣子與罐體法蘭螺栓連接不嚴(yán)導(dǎo)致的縫隙漏氣、金屬罐體氣體管道螺紋連接處螺紋密封不嚴(yán)導(dǎo)致的縫隙漏氣等3種泄漏故障類型。

漏氣孔通過管道與混合氣體罐連接，管道裝有電磁閥門，可精準(zhǔn)控制漏氣速率，有效減少漏氣量。

1.5 混合氣體比例控制設(shè)計(jì)

采用純SF6氣體和SF6/N2的混合氣體兩種模式。通過國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，SF6/N2混合氣體最優(yōu)比例為SF6氣體體積占比20%～30%[3-11]。本文將針對純SF6氣體和SF6氣體體積分?jǐn)?shù)占20%的SF6/N2混合氣體的泄漏故障檢測進(jìn)行研究。

2 裝置控制及集成

2.1 控制系統(tǒng)原理

系統(tǒng)控制原理如圖3所示，采用彩色觸摸屏進(jìn)行操作，以控制2只儲氣瓶及1個(gè)8 L的混合氣罐的氣體閥門，并且以動(dòng)畫形式顯示漏氣圖形。同時(shí)可以采集混合氣罐的氣壓，壓力控制范圍為0～0.6 MPa。當(dāng)混合氣罐的氣壓下降到設(shè)定值 (0.08 MPa)時(shí)，自動(dòng)開啟2個(gè)儲氣瓶的閥門，將混合氣罐的壓力補(bǔ)充到設(shè)定值 (0.5 MPa)，以滿足混合氣罐工作的需要。2個(gè)儲氣瓶的閥門開啟量，按照2種氣體體積的混合比例進(jìn)行設(shè)定，以滿足混合氣體的混合比要求。軟件提示可以計(jì)算出氣壓表連續(xù)2次指示的氣壓數(shù)據(jù)變化所泄放出的氣量。

2.2 裝置集成

電氣設(shè)備SF6氣體檢漏的故障模擬裝置樣機(jī)包含罐體、底座、瓷套、儲氣罐、流量表和觸摸屏等部分，裝置外觀如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)控制示意圖

圖4 裝置外觀

圖5 為裝置觸摸屏的人機(jī)界面，人機(jī)界面可以呈現(xiàn)裝置外形、進(jìn)氣、漏氣以及混合罐氣壓狀況，在LED顯示器上設(shè)置人機(jī)界面，在觸摸屏上可進(jìn)行電磁閥的操作，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)氣及氣體循環(huán)混合的控制、泄漏點(diǎn)演示控制及狀態(tài)顯示功能。

圖5 裝置觸摸屏人機(jī)界面

3 現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證

3.1 實(shí)測操作

1)氣體混合。打開SF6氣瓶和N2氣瓶進(jìn)氣閥門，觀察氣體流量計(jì)流量，控制兩種氣體進(jìn)氣量比例為1∶4。觀察LED顯示器氣體的壓力，當(dāng)氣罐內(nèi)的氣壓達(dá)到0.1 MPa以上時(shí)，就可以進(jìn)行氣體泄漏演示了。當(dāng)氣體壓力數(shù)據(jù)小于0.08 MPa時(shí)，出氣演示功能將自動(dòng)停止。

2)故障泄漏演示。在LED顯示器上選擇泄漏點(diǎn)，比如要讓泄漏點(diǎn)1進(jìn)行泄漏演示，就點(diǎn)擊電磁閥控制按鈕，控制系統(tǒng)響應(yīng)后會(huì)打開 “泄漏點(diǎn)1”電磁閥，同時(shí)開始顯示相應(yīng)泄漏點(diǎn)氣體泄漏動(dòng)畫。依次類推。

3)泄漏點(diǎn)測試。使用紅外檢漏儀檢測漏氣點(diǎn)，觀察裝置是否準(zhǔn)確檢測到泄漏位置。

3.2 測試功能驗(yàn)證

1)紅外檢漏儀檢漏測試。在混合氣體 (SF620%，N280%的比例)條件下，利用FLIR紅外檢漏儀進(jìn)行氣體泄漏測試，可以看出當(dāng)氣體閥門未打開時(shí)，拍攝到的紅外圖中看不到氣體泄漏情況；當(dāng)打開閥門時(shí)，紅外圖像中可以明顯看到氣體泄漏情況。現(xiàn)場采集了5個(gè)不同部位的泄漏點(diǎn)圖像，如圖6所示。

圖6 氣體泄漏前后對比

2)不同類型檢漏儀檢漏驗(yàn)證。利用FLIR紅外檢漏儀、普通SF6定性檢漏儀兩種不同的儀器進(jìn)行檢漏測試，在同一條件下 (SF620%，N2，80%的比例)模擬混合氣體泄漏情況。經(jīng)過驗(yàn)證FLIR紅外檢漏儀檢測時(shí)可以很明顯地看到氣體泄漏的痕跡 (泄漏點(diǎn)圖像如圖6所示)。當(dāng)用SF6檢漏儀檢測時(shí)，裝置沒有發(fā)出滴滴的警告聲，檢測不到氣體泄漏。

3.3 測試結(jié)果

1)本裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)功能，能夠通過控制面板隨時(shí)隨地的控制氣體泄漏情況，且能夠調(diào)節(jié)混合氣體的比例。

2)在對混合氣體 (SF620%，N280%的比例)故障模擬時(shí)，F(xiàn)LIR紅外檢漏儀能夠很靈敏地檢測到氣體泄漏的情況；SF6檢漏儀檢測不到氣體泄漏。該裝置可以實(shí)現(xiàn)對檢測設(shè)備的性能進(jìn)行比對，判斷設(shè)備的檢測靈敏度。

3)測試結(jié)果滿足裝置設(shè)計(jì)要求，具備現(xiàn)場教學(xué)、儀器性能檢驗(yàn)和研究試驗(yàn)一體化平臺功能。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)用于電氣設(shè)備氣體檢漏的故障模擬裝置，設(shè)計(jì)的泄漏點(diǎn)分布合理，與現(xiàn)場實(shí)際泄漏點(diǎn)基本相符，能夠模擬現(xiàn)場各類常見漏氣故障。采用純SF6氣體和SF6/N2混合氣體兩種模式，全面模擬目前國內(nèi)外常見的SF6氣體電氣設(shè)備泄漏故障。具備自動(dòng)調(diào)節(jié)罐體混合氣體濃度和流速來控制泄漏流量的功能，通過調(diào)節(jié)泄漏量的大小可以鑒別不同型號、不同設(shè)備廠家的檢測儀器的性能和檢測靈敏度。采用LED觸摸屏，人機(jī)界面友好，操作簡便美觀。

該裝置集教學(xué)培訓(xùn)、儀器考核及實(shí)驗(yàn)研究用途為一體，可準(zhǔn)確模擬GIS電氣設(shè)備SF6泄漏故障，為現(xiàn)場人員提供安全、準(zhǔn)確、高效、符合現(xiàn)場生產(chǎn)的專業(yè)培訓(xùn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。