組合電器SF6 氣體壓力實時監測系統的研究

牛田野 張 利 劉亞林 石生智 張 華 朱紅艷 焦 澎

（國網河南省電力公司 檢修公司，河南 鄭州450000）

SF6 氣體是一種人造惰性氣體，具有強電負性，在均勻電場中，其絕緣強度可達到空氣的2.5 倍，其滅弧能力約為空氣的100 倍[1-2]。正因為具備優良的絕緣性能和滅弧性能，SF6 氣體通常作為一種絕緣介質被廣泛地應用于高壓電氣設備[3]。氣體泄漏將會導致斷路器發生故障，引起電力設備事故，從而導致重大經濟損失[4]。因此，保證組合電器中SF6 氣體壓力、密度和溫度等在標準規定內是確保設備安全運行的重要指標[5]。而實時監測系統無疑將會提高電氣設備工作的可靠性。

1 現狀分析

變電站組合電器監測的智能化程度尚未達到智能電網的要求，其中對于SF6 氣體的監測手段還在使用較為傳統的手工記錄數據的方法。而監測氣體的設備也是采用指針式壓力表，并不具備數據的遠程傳輸功能如圖1。

圖1 六氟化硫氣體壓力表

這種工作方式存在著以下幾點需要改進：

1.1 工作人員手工抄錄效率低，導致時間消耗大，多點作業相對所需員工也增加，同時人工作業容易產生遺漏、偏差，耗費人力物力。

1.2 手工抄錄數據不利于數據的共享和保存，導致瀏覽數據、分析檢測設備狀態效率降低，且在設施編程、數據的格式上沒有統一要求，形成了數據孤島，對數據的共享形成了制約。

1.3 可能導致對突發情況處理不及時。無法實時監測，不能實時掌握設備運行狀態，一旦出現故障，從發現到分析再到處理，浪費了很多寶貴時間，在故障和事故處理方面尤為被動。

2 項目主要研究內容

項目的系統框架包括四個部分：數據采集、數據傳輸、數據處理以及信息反饋。其中數據采集和數據傳輸屬于硬件設備部分，數據處理和信息反饋屬于技術人員部分（如圖2）。

圖2 系統框架

2.1 數據采集，包括溫度、濕度、壓力等。具體實施方案為：將組合電器的傳統SF6 壓力表更換為高精度的無線密度繼電器，連接到開發板且配置狀態采集傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等，目的是為了實現基于物聯網的SF6 氣體氣密狀態的遠程感知。

2.2 數據傳輸，可通過無線傳輸、GPRS 網絡傳輸、5G 傳輸等達到在線監測，部署網絡通訊網，從而實現變電站組合電器氣室的SF6 氣體壓力實時在線監測。該模式具有延遲低、效率高等優點，能保證檢測及傳輸系統的精度及可靠性，避免了人工抄錄數據所帶來的精確性差、不易長期保存等弊端。

2.3 數據處理，包括了數據的預處理、記錄變化量以及統計累積量。針對監測結果得到的數據搭建并不斷完善數據庫，并以此為基礎制作可視化的圖形、列表界面或者梯形模式，可以方便快捷地對數據進行存儲和管理。

2.4 信息反饋，則是由技術人員在獲得監測數據后，對設備的運行狀態進行評估，通過數據的積累和處理制作出一個數據變化量的監測報表，在對比分析后還應撰寫評估，再根據評估結果來決定是否需要維護以及確定維護方案。

通過數據積累以及數據處理，并搭建出可靠的用戶平臺，具備觀看實時數據、查看歷史數據、進行數據分析等功能，在發現故障并制定維護、處理決策的同時，也提高了對故障發生預知的能力。

3 工作原理和設計

SF6 氣體監測的標準參考數值為：在額定溫度為20℃時，電氣設備中SF6 氣體的密度值。在電氣設備工作時，SF6 氣體壓力不是一成不變的，會根據外界溫度的變化而做出相應的改變，但如果采用密封性能良好的SF6 斷路器，電氣設備中SF6 氣體的密度值應維持不變。所以，為了準確地判斷SF6 氣體密度值變化的原因，電氣設備中SF6 氣體應該經過溫度補償后，在溫度為20℃的條件下，通過壓力檢測，并以壓力值表示出來。

為使無線密度繼電器正常運行，必須確保工作在額定壓力下進行。當作業環境的溫度發生改變時，電氣設備中SF6 氣體的壓力隨之改變，這時繼電器內部所包含的溫度補償單元將會對變化的壓力不斷修正，使其額定壓力示值不變，遠傳部分把壓力信號轉變RS485 差模信號，進行遠距離傳送。在控制室內即可監測到SF6 的壓力狀態。繼電器還有保護和控制功能，當SF6 氣體發生意外泄漏事故，壓力下降，到達報警閾值時，繼電器將會發出報警信息，提醒監督人員及時維護；而當事故加劇，到達閉鎖閾值時，繼電器將直接閉鎖整套系統，停止電氣設備運行，為設備的安全運行做出保障。

SF6 密度繼電器無線監測的通訊原理圖如圖3 所示。

圖3 SF6 密度繼電器無線監測原理圖

無線型SF6 密度繼電器是具有無線通訊功能的密度繼電器，該產品采用433MHZ 頻段通訊，穿透性強、傳輸距離長，適用于變電站內的無線數據采集。無線信號由無線集中器（Wireless Hub）集中，并轉換成基于RS485 總線的ModBus RTU 協議。可直接接入WELCAP 在線監測系統，也可接入到智能IED 中。為后續的SF6 氣體密度在線監測系統提供實時數據。無線集中器采集數據之后，將數據直接接入站內的狀態檢測IED 中，由狀態檢測系統作為人機界面，完成各個SF6 密度繼電器的數據采集、顯示、統計等功能。

無線網關數量根據系統內的無線型密度繼電器的數量和分布情況而定，建議每個無線網關采集50 至100 只密度繼電器。

這是國網標準的智能化變電站的改造。要求符合IEC61850協議的規定，變電站設備狀態在線監測系統包括SF6 氣體在線監測、變壓器油色譜在線監測、局放在線監測、避雷器在線監測、機械特性在線監測等。

4 技術難點及創新點

4.1 技術難點。第一，實現組合電器SF6 氣體壓力值的實時無線遠傳監測。使SF6 氣體壓力值具備無線遠傳功能，首先要做到傳感器與監控模塊之間的無線通信，這樣才能保證數據的實時性及有效性。第二，針對監測結果搭建完善的數據庫。數據庫在整個系統架構中起到數據匯總和轉發的作用，負責接收監控模塊上傳的數據，也可以由客戶端直接調取數據，從而使技術人員可以方便快捷的對數據進行存儲和管理。第三，客戶端的搭建。建立可視化圖形、列表界面或梯形模式，還應對數據進行處理，例如將組合電器SF6 氣體壓力值換算為年泄漏率等關鍵指標，設置預警閾值和區間等。

4.2 創新點。第一，實現壓力值監測結果的無線遠傳。目前在運的組合電器，均通過傳統SF6 壓力表顯示壓力值，僅能通過人工進行抄錄，不具有SF6 氣體壓力值實時信號輸出功能。第二，基于數據庫的用戶平臺開發。以往人工抄錄的組合電器SF6氣體壓力值是由后臺分析人員進行查看并分析的，這種方式效率低，勞動強度大，且分析過程和結果容易出現紕漏，依賴工作經驗程度，不具有客觀性和科學性。用戶平臺則可以全面地、真實地得到監測壓力值，不僅有助于減少手工抄錄信息的二次處理工作量，還可以減少人為錯誤的發生，從而進行科學地分析，最終得出科學結果。數據的透明化和可靠性還利于電器設備的規范化檢查管理，避免錯檢、漏檢，及時有效的做出設備維護檢修方案。

5 效益分析

從經濟效益看，該項目實施后，數據抄錄、分析、運維等多個環節相應的工作人員減少，降低工人勞動強度，提高工作效益，增加間接經濟效益。數據庫的建立，方便對電氣設備健康狀況的診斷，能極大地提升在線監測及分析的自動化、智能化程度，提升工作效率，節省人力資源，創建長久的組合電器在線監測及預知維護體系。

從社會效益看，該項目可以有效地提高對在運組合電器SF6氣體泄漏等缺陷、隱患的發現能力，從而可以減少事故的發生，增加安全效益。數據的對比分析還可以優化組合電器設備的布局設置，延長電器的使用壽命，提高安全性，節省社會資源。在萌芽期及時發現故障隱患，快速做出處理方案，為施工搶修提供時間保障，降低搶修成本，減小故障造成的損失，保證供電任務。

6 結論

實現SF6 氣體壓力值的實時監測及無線傳輸，可以遠程動態掌握組合電器SF6 氣體壓力值的狀態，通過實驗檢測評估各類感知設備的可行度及傳輸數據的精確度，并完成數據采集、處理、評估及維護，從而加速推進無人值守，加快變電站智能化布局。