變電站GIS 設備SF6 壓力在線監測裝置應用分析

陳 寧，邢智杰，姜鑫鑫，孫 琛

（國網上海市電力公司超高壓分公司，上海 200063）

六氟化硫（SF6）封閉式組合電器，又稱為氣體絕緣開關（GIS）設備，是將一座變電站中的一次設備經優化設計分別裝在各自密封間中，然后集中組裝在一個整體外殼中，并充以SF6氣體作為絕緣介質，具有安裝空間小、不受環境影響、安裝周期短、維護方便等優點。在輸變電系統中占據著重要地位。SF6氣體是GIS 設備最重要的絕緣介質，在常溫常壓下，SF6無色、無味、無毒，不可燃燒，無腐蝕性，呈氣體狀態，且化學穩定性強，具有良好的電氣絕緣性能和滅弧性能，被廣泛應用于電器工業。

GIS 設備采取全密封手段保持氣體壓力，維持其絕緣和滅弧性能。然而由于生產工藝、密封件老化等原因，GIS 設備有可能會緩慢漏氣。GIS設備漏氣造成的危害主要有兩點。

（1）SF6壓力降低會造成滅弧、絕緣性能下降，開關氣室的壓力降低會造成開關閉鎖，壓力的進一步降低甚至會引發放電故障；

（2）氣體泄漏在造成壓力降低的同時，SF6氣體的濕度、密度會增大，從而影響電氣性能［1］。

因此，在GIS 設備充氣后，應進行嚴格的泄漏檢測，并實時掌握SF6氣體壓力，當氣室壓力降低時應進行補氣，以消除隱患，保證設備的安全運行［2］。

1 SF6壓力監測現狀

當前常規變電站對SF6的壓力監測主要有兩種方法。

（1）采取人工巡視的方式，對變電站內所有充氣設備的壓力表計數值定期進行抄錄，通過比對歷史數值和額定數值，分析是否存在漏氣隱患以及是否需要進行補氣。人工抄錄的方式缺乏實時性，并需要付出大量的人工成本，部分氣室位于戶外、高處等地方，抄錄時存在人身傷害的風險。與數字化表計相比，人工抄錄需要人工讀數，可能存在讀數偏差，而大量重復勞動也容易造成人員懈怠。

（2）將壓力表計自帶的報警功能接入自動化后臺系統，通過光字牌報警方式提醒氣室壓力已降低至報警壓力。SF6壓力報警只能指示壓力已降低至特定數值，而不能連續監視其壓力降低的趨勢和變化速率，無法提前作出預警。另外，壓力報警通常是將多個氣室信號合并發出，故無法在第一時間確定具體是哪個氣室的壓力降低至報警壓力。

因此，有必要研究開發一套能夠對SF6壓力進行實時在線監測的系統。該在線監測系統通過監測設備運行時SF6的壓力值，計算氣體壓力以及泄漏速率是否符合要求，從而幫助運維人員實時掌握設備狀況。

2 SF6壓力在線監測裝置簡介

SF6壓力在線監測裝置由采集端和后臺系統兩部分組成，其中采集端負責將SF6氣室壓力轉化為數字量傳輸進入監控后臺，后臺系統對采集的各項數據進行存儲并分析。

SF6壓力在線監測裝置的系統方案如圖1所示。

圖1 SF6 壓力在線監測裝置的系統方案

2.1 采集端

采集端主要設備為SF6密度傳感器，采集所有SF6氣室的壓力/密度數據并傳入SF6在線監測就地柜，柜內安裝傳感器信號集線器、DC 24 V 電源和智能規約轉換設備（IED）規約轉換器。集線器采用RS-485 電纜有線方式采集各間隔附近所有SF6傳感器信號，數據通過RS-485 總線傳至IED，IED 將所有氣室傳感器的壓力/密度數據轉換為IEC 61850 規約信號，并通過光纖傳輸至站內一體化在線監測后臺系統。

2.2 后臺系統

SF6在線監測后臺系統可以集中顯示現場SF6傳感器各項數據，并存儲和分析生成報表和曲線供查看，主要包含數據總覽、數據報表、數據曲線、數據報警等功能，可通過設置報警提醒，實時監控現場氣室報警狀態。

（1）數據總覽功能：可以實時顯示對應區域所有監測氣室的SF6數據信息（壓力/密度）。

（2）數據報表功能：可根據設定的時間周期和區域查詢顯示所有的數據信息。

（3）數據曲線功能：系統將采集到的數據以曲線形式顯示，方便進行分析判斷。曲線可設置為實時曲線也可查詢歷史數據曲線。

（4）數據報警功能：系統對數據進行分析判斷，根據設置的報警限制進行數據報警提示，主要有壓力低報警、漏氣速率超標報警等。報警可設置聲音和數據變色提示報警，可查看實時報警信息和歷史報警信息。對于壓力低報警，可以對各個不同類型氣室單獨設置報警閾值，一般應設置在表計機械壓力略偏上的區域。對于漏氣速率超標報警，系統根據連續多個時間段的壓力檢測數值計算出漏氣速率，對于超過標準的進行報警，漏氣速率標準應根據氣室大小、結構形式以及廠家建議綜合考慮制定。

3 SF6壓力在線監測裝置的應用

500 kV 黃渡變電站（以下簡稱“黃渡站”）各電壓等級均采用GIS 設備，涉及多個廠家，并包含全長8 km 的氣體絕緣輸電線路（GIL），大量的GIS 設備中共有SF6氣室794 個。在黃渡站中使用SF6壓力在線監測裝置具有重要的實際意義，主要體現在以下幾個方面。

（1）實時監控各個氣室的壓力/密度及其變化率，大大提高了設備的可靠性。隨著變電站設備使用年限的增長，由于設備密封部件的老化，往往會突發設備壓力降低或者漏氣速率超標現象。尤其是無人值守的變電站，對于設備的突發壓力降低或者漏氣速率增大超標，傳統的壓力表告警不能及時發現，造成了不必要的意外損失。變電站在線監測裝置可以及時發現設備的異常情況，并向運行人員發送告警信息，從而避免設備發生意外情況。

（2）降低了維護人員的勞動強度，節省運行管理成本。在未使用SF6壓力在線監測裝置前，需要人工巡視、抄錄表計示數，而在全GIS 設備的黃渡站，SF6氣室多達794 個，表計的抄錄工作將耗費大量的人力。另部分表計位于戶外、樓頂、設備上部等高處，抄錄存在困難，并有一定風險。對所有表計進行一次人工抄錄約需要2 人4 h。按照目前五通要求，500 kV 變電站抄錄SF6表計周期為15 天，一年共抄錄24 次，每年可節省人工192 h·人，并有效降低了風險。

（3）通過后臺數據和圖譜進行趨勢判斷和分析，可監測泄漏風險，增加了開關的可靠性。不僅可以提供設備現在的運行狀態，而且還能分析各種重要參數的變化趨勢，判斷是否存在故障的先兆，從而延長設備的維修保養周期，提高設備的利用率，減少維修保養的費用，提高電力系統運行的安全可靠性及自動化程度。

（4）及時發現漏點并檢修，降低SF6泄漏對人員和環境造成的潛在危害。在使用SF6壓力在線監測裝置后，可以實時監測每個氣室單獨的數據，這將大大改善改造前多個氣室共用一個光字牌發信的弊端，當發生故障時，可以更加快速、精準地找到故障點，提高工作效率與電網的安全可靠性。同時因為SF6氣體的密度大于空氣（大約為空氣的5 倍），當發生嚴重泄漏時，大量泄漏出來的SF6氣體沉積在房間下部，當SF6氣體體積濃度達到1 000 mL·L-1以上時，可能會對工作人員造成人身意外傷害。當在線監測裝置監測到泄漏速率達到報警限時，禁止人員進入泄漏區域，從而保障了進入室內工作人員的人身安全。

（5）積累大量的SF6氣室壓力數據，為未來人工智能和大數據分析提供數據依據。

4 結語

本文介紹了變電站GIS 設備實施SF6壓力在線監測的優點，并分析了其帶來的成效。

（1）采用SF6壓力在線監測可以及時了解變電站GIS 設備的運行狀況，掌握其運行特性及變化趨勢，以便盡早發現潛在故障，及時采取預防措施或進行維修，為設備的狀態檢修機制提供了依據，可以減少過早或不必要的檢修，降低維修費用，提高檢修的針對性，可以為實現從計劃檢修到狀態檢修的轉變創造有利條件，保障系統安全可靠運行。

（2）SF6壓力在線監測技術能幫助運維人員實時掌握設備狀況，提高設備可控在控的同時，解放運維勞動力，具有重要的實際意義。