客运专线GIS柜开关室安全性的技术研究

黄晓文 上海铁路局杭州供电段

1 背景

随着高速铁路、客运专线的投入，铁路系统大量采用了新技术、新装备、新工艺。其中牵引供电系统的核心－牵引变配电设备，更是跨越式更新，都采用集成性的SF6气体GIS柜型。这样不但可以提高供电可靠性，而且节约土地使用面积和减少成本投入。

SF6气体以优异的绝缘和灭弧性能在GIS领域得到广泛运用。虽然在常态下，SF6是一种无色、无味、无毒的惰性气体，但它在高压电弧的作用下，会产生化学反应分解，遇到水份后会产生一些剧毒物质，如 SOF2、SF4、SF2等。类似这些物质即使是微量也能致人性命。GIS柜气体泄漏的主要原因就是内部燃弧。

目前，不仅国内国家电网公司的维护人员，而且国外如日本、德国、法国等电网比较发达国家的电力维护人员都因对气体柜开关室重视程度不够，没有采用完善的气体安全监控措施，导致维护人员和值班员为及时处理故障，盲目进入已经含有超标有毒气体的开关室，出现中毒甚至死亡的事故，给家人和企业带来无可挽回的损失。

因此研发GIS柜开关室SF6气体环境智能监控系统，实现SF6开关室环境氧气含量及SF6浓度在线监测和温湿度的检测，弥补传统依靠运行人员巡查现场气室压力或低值报警监视的不足，对提高室内SF6设备的状态监测、及时发现气体泄漏具有现实意义。

2 方案选定

2.1 传统的SF6气体检漏方法

2.1.1 GIS自配密度继电器、压力表等在线检测

传统的GIS设备其自身配备了在线诊断装置，对于SF6气体，主要是用密度继电器、压力表等装置监视温度、压力和密度，及时掌握气体状态。然而，对于微量SF6气体的泄漏，常规的GIS诊断装置对微小的数据变化不易察觉，只有泄漏到一定量的时候，装置才会反映出来。这样，对于设备的正常运行和人员的健康安全都留下了不小的隐患。

2.1.2 使用手持式检漏仪检漏

手持式检漏仪是一种传统轻便的SF6气体泄漏检测装置。一般的做法是工作人员巡视时，在GIS室外先将装置检测报警限值调整到一临界值，携带检漏仪进入室内，当发生SF6泄漏，并且超过该临界值，仪器将自动声光提示。使用该种仪器的最大缺点在于，检测的精度较低，且工作人员必须亲自进入现场检测，在检测到SF6气体泄漏的同时，自身已经受到侵害，存在很大的隐患。

2.1.3 使用激光漏点成像仪查找漏点

国外一些SF6检测仪器厂商利用SF6气体对激光有较强的吸收能力，采用红外光谱法原理检测SF6气体漏点，研制出激光漏点成像仪。使用这种仪器能快速检测出SF6泄漏，并准确查找出漏点位置。但该装置价格昂贵，一般每台需要近百万元，从经济的角度考虑，检测成本较高。

由此可见，传统的SF6气体检漏方法均存在明显的不足，无法满足我段对GIS室SF6气体泄漏进行实时在线监测的要求。

因而，研发SF6气体环境智能监控系统，给进入SF6开关室的工作人员提供人身安全保障成为当务之急。

2.2 当前SF6气体泄漏检测技术

目前常用的SF6气体泄漏检测技术主要有三类：

（1）利用SF6气体具有强烈吸收作用的特性，如美国LIS公司的Gas Vue TG-30红外激光成像SF6气体泄漏定位系统。它主要用于设备的检漏，除结构复杂外，价格十分昂贵，不适于环境监控。

（2）利用声波在SF6气体中传播的速度比在大气中传播的速度慢的特点，如德国DILO公司的3-026-R002型SF6气体报警仪。它能检测环境中SF6气体含量大于2%体积百分比的浓度，可以通过扩展器连接最多达6个点的监控系统。但其主要缺点是检测下限太低，2%的SF6气体浓度已远远超过了理论上SF6气体对人的安全上限1 000 ppm。另一方面，它的检测点数太少，不能满足较宽阔空间的需要。

（3）利用SF6气体的高度绝缘特性，采用高压电晕放电技术原理。由于SF6气体和空气的绝缘性不同，两个电极之间高压放电通过的电流也不同，通过检测该电流的大小，来判断是否有SF6气体存在以及其浓度。该种原理无论在技术成熟性、合理性方面，还是在经济性方面都是最佳的选择。因此，最终确定采用高压电晕放电原理检测SF6气体泄漏。

3 SF6气体环境智能监控系统的工作原理

SF6气体环境智能监控系统主要由三部分组成：系统主机、变送器、外围设备。变送器负责SF6柜开关室现场环境数据采集，传送给系统主机，系统主机对采集数据分析、比较、判断，并运行相应的处理程序。外围设备包括报警设备、通风设备、外设监控系统等，受系统主机控制。系统结构图如1所示。

图1 SF6气体环境智能监控系统结构图

当环境中SF6气体浓度或氧气含量发生变化时，变送器能立刻捕捉到这一变化，并将检测到的变化量数据转换成数字信号，通过RS－485现场总线传送到系统主机，系统主机一方面将变送器传来的采集数据在显示屏上显示出来，另一方面，通过运算分析，与储存在主机内存储器上的各种固有参数进行比较，作出判断--各项数据是否超标。当SF6浓度高于报警设定值或O2含量低于报警设定值时，系统主机将自动进行声光、语音报警，警告现场工作人员撤离，并向远方控制中心发出报警信号，提醒采取相关应急处理措施。同时自动启动风机进行通风，降低室内SF6气体含量，提高室内空气中含氧量。平时，巡视人员可以直接在监控主机上查阅设备区域环境状况，也可以查阅历史数据。监控主机还可通过RS－485现场总线、局域网、英特网以及GSM公共无线通信网络等方式上传监控数据，实现遥信、遥测、遥控。

4 系统功能及主要技术指标

4.1 系统功能

（1）环境中SF6气体含量检测功能

（2）SF6气体泄漏报警点自主设置功能

（3）环境中O2含量检测及显示功能

（4）SF6气体含量超标或缺氧报警功能

（5）报警时，风机自动启动功能

（6）定时排风功能

（7）强制排风功能

（8）温度、湿度检测及显示功能

（9）历史记录及事件存储和查询功能

（10）人体感应自动语音提示功能

（11）报警信号上传功能

（12）数据上传及远方遥控操作功能

4.2 主要技术指标

表1 主要技术指标

5 技术难点及解决方法

本技术研究以沪杭线、京沪线牵引供电系统为目标立题，开发的SF6气体环境智能监控系统自2011年10月中旬在沪杭线许村牵引所投入试运行，经四个月调试运行，攻克以下技术难点。

（1）SF6气体微量泄漏无法检测的问题：选用先进的高灵敏度传感器，最低能检测到100 ppm浓度的SF6气体，报警误差＜5%，O2报警误差＜0.5%。

（2）传感器放电区域容易吸附灰尘，加装了微电机清洗装置，已成功克服了这项难题。

（3）实时性方面：充分利用单片机的灵活性，对SF6传感器采用间隙式工作测量，约8 min一次，大大提高了SF6传感器的工作稳定性和使用寿命。

（4）安全可靠及高效方面：精心设计的高频小电流高压开关电源，应用于SF6传感器检测头，具有安全可靠、效率高的特点。采用双差分处理方法，有效克服了温度、湿度对测量结果的影响，消除了传统产品的缺陷。

6 结束语

在高铁和客运专线路牵引变配电所的GIS柜开关室建立SF6气体含量超标报警系统，可以可靠、有效地保护维护人员和值班人员的人身安全，提高社会效益和经济效益，因此可在一些采用GIS气体柜的变配电所开关室、GIS远动房、GIS箱体柜内适用，尤其是对高铁、客专线路，地铁、轻轨线路和大型工矿企业的变配电所亭的GIS开关室运用效果极佳。