變電站便攜式SF6氣瓶加熱裝置研究

董海波 ，張嘉倍 ，行明濤 ，李志剛 ，路成鋼 ，梁 凱

（1.鄭州華力信息技術有限公司河南鄭州450006；2.東北大學遼寧沈陽110167）

六氟化硫（SF6）氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能，被大量應用于電力設備中，如：斷路器、高壓變壓器、氣封閉組合電容器、高壓傳輸線、互感器等。

SF6氣體絕緣設備得到了廣泛使用，使得電力部門在運維檢修過程中需要進行大量的SF6充氣、補氣工作。當氣瓶中的液態SF6充入設備時，SF6由液態變為氣態，需要吸收大量熱量，如果外部無法提供熱源，則氣瓶表面溫度驟降有結冰現象，溫度進一步降低時，SF6氣化過程放緩，當環境溫度較低時甚至無法充氣。傳統的解決方法是用大量熱水或汽油噴燈加熱氣瓶來補充熱量，缺點是受熱面積不均勻，溫度不能保持恒定，工作效率低、氣體殘留率高，同時汽油噴燈屬動火作業存在安全隱患。

目前市場上最常見的有兩種解決方案，第一種是采用電磁加熱，在氣瓶表面纏繞電磁線圈。通過加熱控制器，實現電磁對鋼瓶體加熱（原理類似家用電磁爐）。這種方案優點是加熱速度快，加熱效率高。缺點是安全性不高，危險性及大。第二種是電加熱毯方案，電加熱毯是一種柔性加熱毯，它的保溫材料和面料均為化纖類產品，可折疊，卷曲。產品由里到外分別為電熱面布、電熱絲、電熱基布、保溫材料、面布（類似家用電熱毯）等部分組成。它的優點是加熱穩定，效率高。缺點：加熱時瓶體吸熱會產生水。有造成電熱絲短路的可能，安全性不高。

基于以上原因，我們采用了一種新的思路，開發設計一套加熱裝置，熱風加熱鋼瓶裝置。它用便攜式工業熱風機作為熱量來源，可以設定恒定溫度參數，高效率出熱，具備大風量，長時間工作等特點。通過耐熱管道把高達150°C的熱風輸入到帶隔熱套的鋼瓶周圍。外部又增加了一套溫度監控系統，實時檢測隔熱套內的溫度參數，當溫度超過限值時，可以通過控制回路直接切斷熱風機的工作電源，使其斷電并及時停止工作。本裝置通過兩個完全獨立的檢測控制回路，徹底解決加熱前端的安全問題。

1 方案設計

本方案采用5 kW工業熱風機提供熱源，通過耐高溫管把熱風送入帶有隔熱套的SF6氣瓶周圍，實現對SF6氣瓶充氣過程的實時加熱，防止氣瓶在充氣過程中結冰，提高充補氣效率。方案結構圖如圖1所示。

圖1 結構圖

SF6氣瓶加熱裝置，主要從易維護性、便攜性、安全性等方面開展研究。

1.1 易維護性

本裝置采用模塊化設計，各功能模塊簡單組裝即可運行。在運行過程中的維護應盡量做到簡單易行，系統安裝和使用方法簡單、可靠。而且維護過程中無需使用過多專用的維護工具。另外配件非常容易采購。它主要分為3個模塊，分別是熱量產生模塊（即工業熱風機）、溫度檢測控制模塊、瓶體隔熱保溫模塊。

熱量產生模塊及攜式工業熱風機，它采用非磁性鎳鉻絲通電加熱空氣作熱風源。采用干凈衛生，符合環保的設計理念。并具有巧妙風洞設計，空氣從螺旋電熱絲內/外側均勻通過，熱交換近100%，風壓損失少等特點。熱風機外型圖如圖2所示。

圖2 工業熱風機外形圖

溫度檢測控制模塊，采用兩套隔離檢測回路，分別是熱風機內部出口溫度檢測回路采用鉑電阻工業溫度傳感器做為熱風出口溫度檢測的敏感器件。獨立的外部隔熱套內溫度檢測回路采用完全數字化的溫度傳感器，特點是精度高，方便耐用。

瓶體隔熱保溫模塊，采用特氟龍耐高溫布。布料除具有優異的釋放性，抗磨損性，低摩擦系數和耐腐蝕性之外，還能在-170～+260℃溫度使用過程中保持原有物理形態，不會變形。并且其具備無毒、無臭、無味的諸多優良特性。另外隔熱套具有非常良好的柔軟性，可以方便折疊存放。隔熱套示意圖如下：

圖3 隔熱套示意圖

1.2 便攜性

加熱模塊采用工業便攜熱風機，它的重量只有9 kg，長×寬×高 ：449 mm×181 mm×272 mm 非常輕巧方便攜帶。特氟龍耐高溫布隔熱套柔軟可折疊收藏，也非常方便攜帶。

1.3 安全性

溫度檢測控制模塊，采用雙重隔離檢測回路，熱風機內部出口溫度檢測回路，使用PID/SSR控制，精度高，反饋快，持久耐用。設有過熱過載保護裝置，充分保證設備安全可靠，并具有長時間不間斷工作的特點。另外獨立的隔熱套內溫度實時檢測控制器，采用數字式溫度傳感器實時采集溫度信息，并由外部溫度測量控制器實時判斷是否溫度超限，并及時采用動作，保證溫度在可控范圍之內。

2 硬件設計

便攜式SF6氣瓶加熱裝置。主要由便攜式熱風機與外部獨立檢測控制器兩部分組成。

2.1 便攜式熱風機

便攜式熱風機內部結構主要由鼓風機、發熱器、溫度控制電路三大部分組成。

鼓風機屬容積運轉式鼓風機。本裝置鼓風機所使用材料，機殼葉輪為鋁合金材質，軸則是鈦合金材質。它采用單級葉輪模式，風冷冷卻方式，驅動使用永磁高速電機變頻驅動?？刂撇捎米冾l調速控制，可以提供多種控制模式，包括：轉速控制模式、DO控制模式、以及手動控制模式。平均工作環境溫度20℃，濕度為80%，極端工作溫度85℃，濕度100%。葉輪端旋轉方向是逆時針旋轉，通過20 000次的啟動軸承測試，設計使用壽命10年以上，從而保證它的可靠性，它的主要特色是運行安全，使用壽命長。

發熱器采用電阻加熱法，利用電流的焦耳效應將電能轉變成熱能通過空氣流動間接加熱物體表面。電阻加熱的發熱元件采用鎳鉻合金和二硅化鉬組成。它的電阻率大、電阻溫度系數小，在高溫下變形小且不易脆化。最高工作溫度，可達100～500℃。

溫度控制電路的溫度探頭采用PT100薄膜鉑電阻，溫度范圍可達-70～500℃，并可長期穩定性工作。溫度控制器實時采集PT100的溫度，并通過控制發熱器產生間接性的熱量，對溫度實時加熱預估，實時保證加熱溫度在設定范圍之內。當溫度超越最大和最小限值時，控制器就會驅動發熱器加熱和停止作動態控制操作。

2.2 獨立檢測控制器

獨立檢測控制器回路主要由系統電源、主控CPU，系統時鐘、顯示模塊存儲單元、溫度傳感器等多個模塊組成。

電源采用12 V/1 A開關電源模塊。輸入電壓范圍85～264 VAC，額定輸出電壓12 V輸出電流為1 A，工作效率＞80%，安全方面具有，過壓保護、過流保護、短路保護，并且具有保護后自恢復功能。完全支撐起整個系統的供電任務。

主控采用ST ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。主控CPU集成了復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等，供電2～3.6 V，容忍5 V的I/O管腳，優異的安全時鐘模式，帶喚醒功能的低功耗模式，內部RC振蕩器，內嵌復位電路，工作溫度范圍：-40～105°C。主要完成復雜信息處理工作。

系統時鐘采用RX8025，它是一種具有高精度的，包括32.768 kHz晶振時鐘I2C總線接口的實時時鐘芯片。該芯片提供的功能包括產生6種典型中斷、2個系統鬧鐘功能、振動停止、電源電壓監控等，同時還包括數字時鐘精度調節功能以滿足各種精度要求。它主要為系統提供時間標簽。

顯示模塊存儲單元采用LED數碼管和FLASH存儲器，顯示部分用1.5英寸共陽LED數碼管，可以通過驅動電路實時顯示隔熱套內的溫度信息，另外通過設置按鍵可以設置上限與下限溫度限值。FLASH存儲器[18-19]采用AT45DB16它的存儲容量2 MB，可以記錄所有溫度越限數據和報警數據，還可以記錄預設的溫度限值信息，記錄數據條數可以達萬條以上，并且可以保存數十年之久。

圖4 LED顯示簡圖

溫度傳感器采用DS18B20，它最高提供12位精度的攝氏溫度測量，而且有一個由高低電平觸發的可編程的不因電源消失而改變的報警功能。它通過一個單線接口發送或接受信息，因此在CPU和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。它的測溫范圍為-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度為±1℃。DS18B20產生的溫度信息直接顯示在LED顯示模塊上。并且實時給CPU提供參考溫度數據，為輸出控制提供數據依據。

獨立檢測控制器結構圖如圖5。

3 程序設計

SF6氣瓶加熱裝置程序檢測流程為模塊化方案，分為溫度采集模塊，越限檢測模塊，輸出控制模塊。

圖5 獨立控制器結構圖

當系統上電后，首先初始化各功能模塊。主要包含初始化溫度傳感器，讀取存儲器內的溫度預設越限數據。

系統正常工作后，程序每個運行周期內讀取溫度傳感器的實時溫度數據，同時與預設限值溫度進行比較，如果實時溫度小于預設限值溫度下限時，程序輸出控制加熱裝置開機產生熱量輸出，當實時溫度大于預設溫度上限時，程序輸出控制加熱裝置停止加熱。當實時溫度數據超過警戒溫度限值時。程序開始產生聲光報警信號并及時斷開熱風機電源強制關閉熱量產生。從而保證加熱裝置始終工作在可控溫度范圍之內。

程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 測試結果

本裝置通過5個變電站的實際測試，測試范圍，采取各種極限條件全面測試，并請電力行業技術專責現場指導檢測，測試環境完全與實際應用保持一致。加熱裝置熱風量最高可達到5.3 m3/min，便攜工業熱風機的輸出溫度最高可達150℃，輸出最高風壓可達350 Pa（全壓），最高使用功率達5 kW。

為了測試實際使用效果，我們適當降低了熱風機的輸出風量，降低熱風機的輸出溫度。通過測試SF6氣瓶加熱裝置可以控制隔熱套內的溫度在40℃以內，氣瓶內的氣壓在充補氣時壓力增加，充補氣速度也明顯加快，氣瓶底部沒有再出現結冰現象，SF6氣瓶底部雖然有少量水產生，但毫不影響本裝置的正常工作，另外工業熱風機的熱風量也能充分滿足現場的實際需求。

5 結論

本裝置研究通過測試結果說明，SF6氣瓶加熱裝置，它不但在加熱速度方面可以與電磁與電熱毯媲美，另外在穩定性和安全性上明顯優于電磁和電熱毯等加熱方式。所以本裝置已經在電力行業逐漸推廣應該開來。

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