六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司 國(guó)偉輝 荊林遠(yuǎn) 張 奧

在電力工程的生產(chǎn)制造活動(dòng)中，因?yàn)榱虮旧砭哂袩o(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、穩(wěn)定等的特點(diǎn)，因此它可以作為一種常見(jiàn)的滅弧絕緣層材料，可以被廣泛用作高壓電氣設(shè)備中，特別是在110kV 及以上的六氟化硫隔離斷路器和組合式的電器（GIS）中。但是由于目前的生產(chǎn)加工工藝上的限制的原因，運(yùn)行中的六氟化硫斷路器和組合電器經(jīng)常出現(xiàn)六氟化硫蒸氣泄漏這樣的情況，導(dǎo)致電力運(yùn)維人員經(jīng)常需要為相關(guān)的電氣設(shè)備進(jìn)行六氟化硫氣體的補(bǔ)充，但是因?yàn)檠a(bǔ)充氣體的過(guò)程本身非常繁瑣，所以需要大量的人力。因此本次研究開(kāi)發(fā)的新型智能六氟化硫自動(dòng)充氣設(shè)備，不僅可以提高六氟化硫泵送的效果和精度，而且在充氣工作中節(jié)省了成本，提高了維修和生產(chǎn)工藝的質(zhì)量，同時(shí)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，多維度全方位的系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控模塊也對(duì)安全生產(chǎn)起到了關(guān)鍵作用。

1 傳統(tǒng)的六氟化硫充氣技術(shù)

在電氣設(shè)備中，必須使得不同電氣機(jī)械設(shè)備中使用的不同器材之間完成絕緣隔離，防止出現(xiàn)安全問(wèn)題和設(shè)備故障。而六氟化硫氣體具有良好的氣體化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，在相對(duì)高溫下穩(wěn)定性良好，因此具有優(yōu)良的電氣設(shè)備絕緣性能和優(yōu)良的滅弧特性，常常被用于斷路器、空氣封閉式組成電容器、高壓傳輸電纜、電壓互感器等電氣設(shè)備[1]。為了更好地完成使用六氟化硫氣體制造電氣設(shè)備的絕緣層，需要對(duì)使用六氟化硫氣體的設(shè)備進(jìn)行充氣。目前六氟化硫充氣技術(shù)主要以人工操作為主，充氣的速度由壓力閥控制，操作人員通過(guò)仔細(xì)傾聽(tīng)氣體輸送管道中的流動(dòng)充氣的聲音來(lái)控制充氣速度。同時(shí)，充氣時(shí)工作人員還需要注意兩個(gè)氣壓表的讀數(shù)。而且在整個(gè)加氣過(guò)程中，需要輕擊充氣設(shè)備和設(shè)備的氣壓計(jì)，因?yàn)闅鈮河?jì)可能會(huì)被卡住而導(dǎo)致氣壓讀數(shù)不準(zhǔn)確。當(dāng)充氣完成的時(shí)候，充氣設(shè)備完全由人工進(jìn)行操作停止，這樣的氣體壓力控制的精度并不高，可能會(huì)出現(xiàn)充氣不足或過(guò)多的情況。同時(shí)，現(xiàn)有的主要智能充氣設(shè)備都是基于一整套完整的充氣氣壓自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成充氣回路的控制的，這樣的設(shè)備通常非常龐大而線路復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，不僅會(huì)影響充氣過(guò)程的進(jìn)度，而且修繕也十分麻煩[2]。

2 當(dāng)前六氟化硫充氣系統(tǒng)存在的問(wèn)題

現(xiàn)階段的六氟化硫充氣系統(tǒng)設(shè)備主要存在以下問(wèn)題：首先，現(xiàn)階段的六氟化硫充氣系統(tǒng)設(shè)備一般需要手動(dòng)操作設(shè)備電源開(kāi)關(guān)，使用控制系統(tǒng)的智能充氣設(shè)備必須按照線路進(jìn)行操作，因此在這樣復(fù)雜的工作環(huán)境中，連接充氣控制系統(tǒng)的一整條線路會(huì)使得充氣設(shè)備和需要充氣的設(shè)備的擺放位置受到限制，可能會(huì)影響到設(shè)備的運(yùn)行，而且如果現(xiàn)場(chǎng)的線路太多，而操作人員的活動(dòng)空間太小的話(huà)，人員很容易在是在在行走時(shí)出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

第二，六氟化硫氣體充氣設(shè)備必須使用充氣的管道進(jìn)行充氣，而充氣管道的回收都是靠人力來(lái)進(jìn)行的，這樣比較不方便，而且效率非常低，浪費(fèi)了不必要的人力。

第三，在充氣的過(guò)程中，有一個(gè)非常重要的點(diǎn)需要控制，也就是六氟化硫氣體的含水量。充氣過(guò)程中六氟化硫氣體的含水量會(huì)影響到管路的干燥程度，當(dāng)管路中達(dá)到一定的濕度，會(huì)使得電氣設(shè)備中的六氟化硫氣體失去一定的絕緣能力，從而造成設(shè)備的損壞，嚴(yán)重的可能會(huì)影響到操作人員的人身安全。

第四，在對(duì)整個(gè)充氣設(shè)備進(jìn)行操作管理的時(shí)候，在傳統(tǒng)的充氣操作過(guò)程中，操作人員需要不斷注意兩個(gè)氣壓表的讀數(shù)，在整個(gè)加氣過(guò)程中，需要輕擊充氣設(shè)備和設(shè)備的氣壓計(jì)，防止各種原因?qū)е碌臍鈮鹤x數(shù)不準(zhǔn)確。而且六氟化硫的設(shè)備氣壓的需要可能會(huì)隨著對(duì)電氣設(shè)備的性能要求的變化而變化，如果沒(méi)有進(jìn)行多方位的充氣運(yùn)營(yíng)管理，及時(shí)滿(mǎn)足到六氟化硫充氣調(diào)節(jié)的需求，很可能會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3 六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)原理

設(shè)計(jì)技術(shù)原理如下：

①通過(guò)聯(lián)合六氟化硫溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境濕度傳感器以及事先設(shè)定好的六氟化硫氣體密度進(jìn)行目標(biāo)的六氟化硫充氣壓力的運(yùn)算，和壓力傳感器聯(lián)合進(jìn)行氣壓設(shè)備的識(shí)別的調(diào)節(jié)控制。

②六氟化硫的含水量作為一個(gè)控制重點(diǎn)，需要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)模塊進(jìn)行六氟化硫含水率的運(yùn)算，通過(guò)露點(diǎn)傳感器進(jìn)行探測(cè)和運(yùn)算，反饋到環(huán)境濕度傳感器中。

③不同的傳感器（壓力傳感器、真空度傳感器、真空泵傳感器）不斷運(yùn)算反饋充氣管道的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并顯示在專(zhuān)門(mén)的模塊中。

④通過(guò)不同傳感器的反饋結(jié)果進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的壓力、流量和閥門(mén)開(kāi)閉的調(diào)節(jié)，最終將結(jié)果運(yùn)用在目標(biāo)充氣設(shè)備上。

⑤通過(guò)運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，聯(lián)合多方如數(shù)據(jù)服務(wù)器和運(yùn)檢管理中心等反饋給充氣操作員以當(dāng)下充氣設(shè)備操作的調(diào)節(jié)建議，操作員再結(jié)合顯示模塊的充氣運(yùn)行情況等進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)。運(yùn)檢管理中心等由專(zhuān)門(mén)的主管領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家和調(diào)度員組成。

⑥全自動(dòng)繞線是以旋轉(zhuǎn)線圈和發(fā)條自動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的形式進(jìn)行。充氣過(guò)程所使用的管線在不使用時(shí)，可以纏繞在專(zhuān)門(mén)的線圈轉(zhuǎn)盤(pán)上，在需要使用的時(shí)候再拉出來(lái)。同時(shí)，發(fā)條受到拉動(dòng)的時(shí)候可以?xún)?chǔ)存一定的能量，方便下次的收拉操作。

⑦利用專(zhuān)門(mén)的收納外殼來(lái)制作充氣管線收納的箱包，這樣的外殼通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，可以很好地存放電氣設(shè)備所要使用的充氣管線，防止出現(xiàn)潮濕漏水等的情況發(fā)生。

⑧自動(dòng)繞線裝置可以封裝在一個(gè)可以靈活開(kāi)合的儲(chǔ)存袋中，將平時(shí)不用于實(shí)際充氣操作的部分管線隱藏在儲(chǔ)存袋的內(nèi)部，簡(jiǎn)化了外界實(shí)際充氣操作的收放管線的過(guò)程。

4 六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的具體設(shè)計(jì)

圖1 六氟化硫智能充氣裝置

4.1 裝置運(yùn)行的流程編號(hào)說(shuō)明

10-進(jìn)氣接口、11-電磁閥、12-壓力檢測(cè)器、13-壓力調(diào)節(jié)閥、14-電磁閥、15-真空泵、16-回收袋、17-電磁閥、18-露點(diǎn)檢測(cè)器、19-電磁閥、20-流量調(diào)節(jié)閥、21-壓力檢測(cè)器、22-電磁閥、30-充氣接口、（201A—201G）-管道。

4.2 六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的運(yùn)行原理及順序

六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的模塊設(shè)置更加簡(jiǎn)潔明了，整個(gè)充氣操作過(guò)程更加完善合理，避免了很多不必要的隱患的同時(shí)，使得充氣的操作和調(diào)整更加高效。

4.2.1 程序一：管道環(huán)境初始化

打開(kāi)13、20使201A201B201C201D201F 這些管道連通，通過(guò)12和21判斷管路內(nèi)壓力，如果大于0.1MPa，打開(kāi)17通過(guò)201G 管道將氣體釋放至16中。

4.2.2 程序二：管道干燥預(yù)處理

接程序一，直至12或21檢測(cè)壓力數(shù)據(jù)≤0.1 MPa，關(guān)閉17切斷201G 和16，再打開(kāi)14使201E 與201A201B201C201D201F 管道連通，啟動(dòng)15對(duì)這些管道進(jìn)行抽真空，目的是抽除管道內(nèi)空氣，并加速微量水分蒸發(fā)，促使管道內(nèi)無(wú)氣體及達(dá)到干燥環(huán)境，達(dá)到目標(biāo)干燥度后，關(guān)閉14、13、20。

4.2.3 程序三：源氣體準(zhǔn)備

接程序二，10與源氣體連接，30與六氟化硫電器設(shè)備連接。打開(kāi)11，通過(guò)12檢測(cè)源氣體壓力與目標(biāo)設(shè)定充氣壓力比對(duì)，如果12檢測(cè)數(shù)據(jù)小于等于目標(biāo)設(shè)定充氣壓力，則關(guān)閉11并通知操作員更換氣源。如果12檢測(cè)數(shù)據(jù)大于目標(biāo)設(shè)定充氣壓力，則打開(kāi)并調(diào)節(jié)13至目標(biāo)設(shè)定充氣壓力，再打開(kāi)19使氣體經(jīng)18檢測(cè)其露點(diǎn)（氣體含水量），此時(shí)排放的氣體經(jīng)201G 進(jìn)入16。

4.2.4 程序四：正式充氣

接程序三，當(dāng)18檢測(cè)數(shù)據(jù)小于等于目標(biāo)設(shè)定露點(diǎn)值時(shí)關(guān)閉19，再打開(kāi)20和22將氣體輸送至六氟化硫電器設(shè)備中。當(dāng)21檢測(cè)壓力到達(dá)目標(biāo)設(shè)定壓力值90%時(shí)，調(diào)節(jié)20逐步減小流量，直至21等于目標(biāo)設(shè)定壓力值后關(guān)閉22、11。

4.2.5 程序五：停機(jī)

接程序四，打開(kāi)17使氣體經(jīng)201G 進(jìn)入16直至12和21小于等于0.1MPa 后，關(guān)閉13和20，并通知操作員整個(gè)充氣工作結(jié)束。

5 六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的控制原理

5.1 控制原理大致過(guò)程

圖2 控制原理圖

5.2 六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

5.2.1 模塊設(shè)置合理全面

新型的六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置在充氣方面設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的充氣壓力運(yùn)算模塊從而控制六氟化硫的充氣過(guò)程，考慮到了事先設(shè)定的六氟化硫密度，通過(guò)多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了對(duì)充氣壓力的全面控制。通過(guò)聯(lián)合六氟化硫溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器和環(huán)境濕度傳感器以及事先設(shè)定好的六氟化硫氣體密度進(jìn)行目標(biāo)的六氟化硫充氣壓力的運(yùn)算，和壓力傳感器聯(lián)合進(jìn)行氣壓設(shè)備的識(shí)別的調(diào)節(jié)控制。六氟化硫的含水量單獨(dú)設(shè)置一個(gè)模塊進(jìn)行六氟化硫含水率的運(yùn)算，通過(guò)露點(diǎn)傳感器進(jìn)行探測(cè)和運(yùn)算，反饋到環(huán)境濕度傳感器中。不同的傳感器不斷運(yùn)算反饋充氣管道的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并顯示在專(zhuān)門(mén)的模塊中。最后，通過(guò)不同傳感器的反饋結(jié)果，聯(lián)合邏輯運(yùn)算和不同的調(diào)節(jié)控制器進(jìn)行最終充氣設(shè)備的調(diào)節(jié)，這樣的調(diào)節(jié)更加合理和有效[4]。在傳統(tǒng)的充氣設(shè)備中，操作員只是根據(jù)傾聽(tīng)充氣管道的氣體流動(dòng)的聲音顯然是不足的。

5.2.2 綜合考慮氣體濕度的重要影響

同時(shí)，本充氣設(shè)備還考慮到了氣體濕度的影響這一重點(diǎn)，分環(huán)境濕度傳感和管路干燥檢測(cè)兩方面進(jìn)行控制，更加全面。

5.2.3 設(shè)置了互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊

六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置還設(shè)置了一個(gè)非常重要的模塊，也就是互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊，該模塊是用來(lái)反饋給充氣設(shè)備操作員。在過(guò)去，操作員只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和經(jīng)驗(yàn)分析來(lái)完成對(duì)充氣設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，這樣控制的精度很差。而在六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置中，操作員可以聯(lián)合顯示模塊的內(nèi)容，GPS 的精準(zhǔn)定位信息和互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊內(nèi)容進(jìn)行設(shè)備的調(diào)節(jié)控制管理?；ヂ?lián)網(wǎng)聯(lián)合了數(shù)據(jù)服務(wù)器和運(yùn)檢管理中心等幾方的信息反饋，最終可以監(jiān)測(cè)充氣設(shè)備的具體運(yùn)營(yíng)情況，并且可以在及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題之后，馬上反饋到互聯(lián)網(wǎng)模塊中呈現(xiàn)給操作員，以便操作員及時(shí)迅速地進(jìn)行調(diào)節(jié)操作[5]。

5.2.4 充氣過(guò)程更加智能自動(dòng)化

在過(guò)去在充氣過(guò)程中通常會(huì)使用大量的人力，因?yàn)槌錃馑紤]的事情非常繁瑣。因此在本設(shè)備中使用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通訊模塊傳輸?shù)谋O(jiān)控信息，操作員再進(jìn)行相應(yīng)的操作。而且本設(shè)備還可以自動(dòng)進(jìn)行初始化管道環(huán)境調(diào)節(jié)，干燥預(yù)處理，在充氣過(guò)程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)露點(diǎn)和壓力值，最后還可以自動(dòng)關(guān)機(jī)。這樣的智能自動(dòng)化設(shè)備減少了操作人員的工作量，也使得整個(gè)充氣調(diào)節(jié)過(guò)程的精度更高。

5.2.5 自動(dòng)回收充氣管線部分

可以使充氣所使用的管線在不使用時(shí)折疊成線盤(pán)，相應(yīng)的充氣管道線會(huì)因作用力而被收緊而不是散落，在使用的時(shí)候，相應(yīng)的管線可以輕松拉出來(lái)。

綜上，六氟化硫智能自動(dòng)充氣裝置本身比起傳統(tǒng)的充氣操作和設(shè)備更加方便快捷，而且對(duì)于整個(gè)充氣過(guò)程的質(zhì)量把控程度更高，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加完善，同時(shí)隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，在充氣領(lǐng)域應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是大的趨勢(shì)，而本裝置就很好地利用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了充氣過(guò)程的監(jiān)控。因此本裝置可以應(yīng)用在更多的電氣設(shè)備充氣領(lǐng)域，方便電氣設(shè)備的充電過(guò)程。