基于循環氣體的GIS設備帶電干燥裝置研制與應用

韓四滿，李秀廣，郭 林

（1.寧夏工商職業技術學院，銀川 750021；2.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，銀川 750011；3.國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏大武口 753000）

引言

隨著我國電力設備不斷更新換代，氣體絕緣組合電器（GIS）具有占地面積小、維護檢修工作量小以及運行可靠性高等特點，廣泛應用到電力系統及大用戶自備變電站。GIS設備內部一般都充有一定壓力的六氟化硫氣體，這種氣體是一種無毒、無色、無味的物質，且化學性能相當穩定，具有優異的滅弧和絕緣性能，為此，廣泛應用到電氣設備中。但是如果GIS設備內部的SF6中微水值超出規程規定值，將會不同程度影響設備的絕緣性能，為GIS設備安全可靠運行造成一定的隱患[1,2]。

GIS設備內部SF6微水含量超過標準值，不僅影響設備的絕緣性能，還會產生有毒物質，主要原因有以下兩個個方面：一是SF6微水值超標時，會在絕緣材料表面結露，降低設備的絕緣水平，如果超標達到一定水平就會發生閃絡故障，如SF6微水含量較高則會在電弧作用下被分解，與GIS設備內部水分產生化學反應，生成WO3、CuF2等粉末狀物質，其中，CuF2有強烈的吸濕性，附在絕緣表面，會進一步降低GIS設備內部的閃絡電壓；生成的H2SO3等都有很強的腐蝕作用，影響設備內部固體有機材料和金屬材質部件的壽命。二是SF6在電弧作用下分解成SO2、SOF2、SOF4、SO2F2等化合物均為有毒、有害物質，不僅會對人體造成傷害，同時還對生態環保造成威脅，必須嚴格控制GIS設備內部的微水值，確保設備和人員的安全[3,4]。

據統計，SF6組合電器因微水含量超標導致設備停電檢修的故障占26.35%，而運行中的設備一旦微水超標[5]，目前除了停電處理無其他有效的方法。為此，設計開發了一套SF6組合電器在線除濕裝置，該裝置可為運行組合電器中的SF6除濕，在不停電的情況下，使其微水含量降至正常范圍內，這不僅降低了因停電而造成的直接經濟損失，而且確保了GIS設備的供電可靠性。

1 GIS設備水分超標原因分析

（1）SF6受潮導致微水超標。SF6出廠時均按照相關標準進行檢測，其微水含量都符合要求，但在氣體運輸或存儲過程中都可能因處理不當導致微水含量超標，如充入GIS設備未進行檢測，將使GIS設備內部的絕緣器件受潮，同時降低其絕緣水平[6]。

（2）GIS設備內部絕緣件受潮導致微水超標。GIS設備在出廠前都進行了檢測，此時僅將在廠內組裝后立即進行試驗，但如絕緣件受潮不會立即引起SF6微水超標，在試驗檢測過程中不一定能檢測出來；另外，GIS設備在運輸過程中因密封問題也有可能導致絕緣件受潮，運輸到現場無法再對絕緣件進行檢測就安裝到設備內部，但由于絕緣件內部的水分揮發比較慢，在交接試驗過程中也不一定能檢測出氣體微水含量超標。

（3）GIS設備在現場安裝過程中由于密封不當導致內部受潮。GIS設備在安裝過程中也需要采取一定的防潮措施，否則會將空氣中的水分帶入到GIS設備內部，由于GIS設備現場施工工期、天氣以及環境等因素，在現場很難達到室內干燥效果，特別是夏季雨季空氣濕度遠大于SF6要求的微水值，這將使GIS設備內部絕緣部件受潮，運行后導致微水含量超標。

（4）運行中的GIS設備因存在漏氣引起SF6微水超標。空氣中的水分含量遠大于GIS設備內部的微水值，當GIS設備密封不良時,空氣中的水分會隨著漏氣點進入GIS內部。如GIS設備充氣口、氣體管路接頭、法蘭處、鋁鑄件砂孔等泄漏點，這都是水分滲入設備內部的通道。空氣中的水分滲透到GIS設備的內部是一個持續漫長的過程，泄露時間越長，滲入到GIS內部的水分會越多,經過一段時間后GIS設備內部氣體微水含量就會超標。

（5）GIS設備水分進入的原因分析。一是GIS設備現場充裝工藝不佳，如在抽真空過程中達不到工藝要求、氣體管路接頭等元件處理不徹底、現場安裝人員未按有關規程和檢修工藝操作要求進行操作，會使附在設備內部氣體中的水分未清除干凈，最終這些都會導致GIS設備內部氣體微水超標。

2 氣體在線干燥裝置原理介紹

目前，GIS設備每個氣室僅有一個充氣檢測口，一旦GIS設備內部氣體微水含量超標，無有效方法將內部水分除掉，為此研制一種GIS設備循環SF6帶電除濕裝置。

2.1 帶電干燥原理

由于GIS設備氣室是一個整體密封的系統，其內部SF6中微水含量進行擴散本身就是一個緩慢的過程，為此對氣室內部氣體進行干燥難度較大，需要研制新型裝置，使GIS內部的氣體循環起來，才能將微水超標的氣體進行干燥，在干燥的同時可測量微水含量，測得氣室內部真實的微水含量。

2.2 SF6循環方法

新研制的SF6循環方法主要是采用活塞技術，活塞法SF6循環的工作原理如圖1所示，氣體循環氣缸收到氣體循環指令后，開始推動活塞左右移動，通過活塞的抽氣、放氣不斷循環運動，將GIS設備的氣體抽出來，通過干燥劑再推送到GIS設備內部，同時可對氣體干燥的情況實時進行監測，在氣體微水含量降低到標準以下時，可對活塞發出停止的指令。如監測到SF6微水含量不變，則應考慮到是干燥劑已經達到飽和，需要更換新的干燥劑，直至降低到設定值，可停止干燥。利用活塞使SF6實現循環，確保GIS設備內部的氣體被抽出，再通過水分監測傳感器，不僅可使SF6干燥，同時還能監測到GIS設備內部真實的微水含量。但活塞法氣體循環裝置因在運行過程中操作較為復雜，GIS設備內氣體壓力較大操作復雜，這對全封閉SF6干燥裝置的密封性要求非常高，經過反復測試，最終確保了裝置的密封性[7]。

2.3 氣體在線干燥裝置的研制

所研制的氣體在線干燥裝置，核心檢測值主要通過氣體濕度傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器來實現。經過對監測值進行轉化和計算處理，能實時監測干燥情況，并可通過無線信號將信息傳送出去。氣體在線干燥裝置中，濕度傳感器是核心部件，必須要保證其檢測的準確性和可靠性。濕度傳感器采用高分子薄膜電容技術，該傳感器具有精度高、穩定性高等優點。濕度傳感器的原理為：當所檢測的SF6中的水分通過高分子薄膜時，其介電常數會發生一定的變化，這就使內部的電容量發生變化，因此氣體中的微水量變化與傳感器中的電容值變化具有一定的相關性，信號在經過處理后，會得到與微水值成正比的電壓信號，該信號通過A/D轉換，傳送至數據處理中心，實現SF6微水值的檢測。另外，裝置還設計了自動校準程序，可對曲線零位的漂移進行測量，且該裝置自動運行，具有一定的周期，這保證了微水測量值的有效性。氣體在線干燥裝置通過顯示屏可直觀看到氣體的微水值，也可通過無線遠傳方式傳至無人值班的監控中心，運行人員通過遠程可對現場進行實時監測。

2.4 氣體干燥裝置的密封技術

氣體在線干燥裝置須具有良好的密封性，否則將給GIS帶來隱患。開發的SF6在線干燥裝置全部采用不銹鋼、鋁合金材質，裝置一體化成型，保證了本裝置的密封性[8]。

2.5 硬件電路

硬件電路是氣體在線干燥裝置的重要組成部分，可靠的硬件電路可以提升裝置的性能，所研制的裝置中硬件電路主要有信號發生部分、恒流源部分以及反饋采樣部分。供電電源采用低壓差穩定芯片，降低因電源發熱引起的對其他電路的安全隱患[6]；信號發生部分由計算機控制，提供相位和幅值可調節的信號，經過恒流源后，進行采集、處理，反饋到恒流源部分的出入端口，進行微量的調節，確保恒流源電路的精度達到技術參數要求。由于恒流源的信號精度要求非常高，信號發生部分的電路由精度較高的D/A卡組成，輸出信號的精度小于0.08 mV，這樣該裝置就可以滿足精度的要求。本裝置在硬件的選用上采用集成度高的芯片，確保了硬件電路的穩定性以防信號發生畸變。為此在硬件部分設計前期，從原理、零部件選型以及安裝等全過程，充分考慮了裝置的運行可靠性。

硬件部分是整套裝置安全可靠運行的保障，同時為了便利性，在硬件設計上，要提前考慮到裝置的擴展性，不僅可以對GIS設備內部的氣體進行在線干燥，同時還可以實時監測氣體微水值。該裝置硬件部分主要由電源部分、控制電路、輸入輸出部分、信號采集和通訊部分構成[9]。本裝置電源采用防浪涌、防正負反接等安全措施，同時充分考慮電源濾波技術，確保整個系統電源穩定可靠；控制電路選用高速高性能的ARM內核芯片，并對其進行嵌入式設計，保證裝置運行測試的準確性。

2.6 裝置性能測試

為了考核SF6組合電器帶電干燥裝置的性能，對該裝置進行了微水值測試、溫度測量誤差測試以及溫度補償誤差測試等信號精度測量。在該裝置裝配完成后，對該裝置的密封性、信息通信的可靠性進行測試，經過測試，驗證了該裝置的有效性和數據的可靠性。

3 現場應用

2019年8月21日，寧夏電網某GIS變電站3351電流互感器間隔出現了微水值超標，該變電站為2018年12月投產，在進行帶電檢測時發現其微水含量為857μL/L，《國家電網公司輸變電設備狀態試驗規程》要求，非滅弧氣室微水含量應低于500μL/L，經漏氣檢測后未發現其他問題，氣體成分檢測也未發現異常情況，為此懷疑其絕緣材料在安裝前未進行干燥處理，造成運行后微水值超標，將帶電干燥裝置接入到3351電流互感器間隔三通之后，該氣室的微水值經過3個多月之后變為476μL/L，滿足了規程要求，其變化趨勢如圖2所示。

圖2 3351電流互感器氣室間隔微水值變化情況

4 結論

研制了基于循環氣體的SF6帶電干燥裝置，并在寧夏電網某GIS變電站3351間隔進行了應用，通過近4個月的時間將GIS設備內部的SF6微水值降低至規程以下，這證明了該裝置的有效性，同時避免了因停電造成經濟損失。

在現場使用過程中要結合氣體微水值下降情況，及時更換其內部的吸濕材料，同時避免因更換材料導致設備漏氣，這樣才能保證微水值快速下降至規程值以內，提高供電可靠性。如使用本裝置后GIS設備內部的微水值無明顯下降，則需結合帶電檢測開展其他方面的檢測，必要時做停電處理。