变电站GIS 设备SF6 压力在线监测装置应用分析

陈 宁，邢智杰，姜鑫鑫，孙 琛

（国网上海市电力公司超高压分公司，上海 200063）

六氟化硫（SF6）封闭式组合电器，又称为气体绝缘开关（GIS）设备，是将一座变电站中的一次设备经优化设计分别装在各自密封间中，然后集中组装在一个整体外壳中，并充以SF6气体作为绝缘介质，具有安装空间小、不受环境影响、安装周期短、维护方便等优点。在输变电系统中占据着重要地位。SF6气体是GIS 设备最重要的绝缘介质，在常温常压下，SF6无色、无味、无毒，不可燃烧，无腐蚀性，呈气体状态，且化学稳定性强，具有良好的电气绝缘性能和灭弧性能，被广泛应用于电器工业。

GIS 设备采取全密封手段保持气体压力，维持其绝缘和灭弧性能。然而由于生产工艺、密封件老化等原因，GIS 设备有可能会缓慢漏气。GIS设备漏气造成的危害主要有两点。

（1）SF6压力降低会造成灭弧、绝缘性能下降，开关气室的压力降低会造成开关闭锁，压力的进一步降低甚至会引发放电故障；

（2）气体泄漏在造成压力降低的同时，SF6气体的湿度、密度会增大，从而影响电气性能［1］。

因此，在GIS 设备充气后，应进行严格的泄漏检测，并实时掌握SF6气体压力，当气室压力降低时应进行补气，以消除隐患，保证设备的安全运行［2］。

1 SF6压力监测现状

当前常规变电站对SF6的压力监测主要有两种方法。

（1）采取人工巡视的方式，对变电站内所有充气设备的压力表计数值定期进行抄录，通过比对历史数值和额定数值，分析是否存在漏气隐患以及是否需要进行补气。人工抄录的方式缺乏实时性，并需要付出大量的人工成本，部分气室位于户外、高处等地方，抄录时存在人身伤害的风险。与数字化表计相比，人工抄录需要人工读数，可能存在读数偏差，而大量重复劳动也容易造成人员懈怠。

（2）将压力表计自带的报警功能接入自动化后台系统，通过光字牌报警方式提醒气室压力已降低至报警压力。SF6压力报警只能指示压力已降低至特定数值，而不能连续监视其压力降低的趋势和变化速率，无法提前作出预警。另外，压力报警通常是将多个气室信号合并发出，故无法在第一时间确定具体是哪个气室的压力降低至报警压力。

因此，有必要研究开发一套能够对SF6压力进行实时在线监测的系统。该在线监测系统通过监测设备运行时SF6的压力值，计算气体压力以及泄漏速率是否符合要求，从而帮助运维人员实时掌握设备状况。

2 SF6压力在线监测装置简介

SF6压力在线监测装置由采集端和后台系统两部分组成，其中采集端负责将SF6气室压力转化为数字量传输进入监控后台，后台系统对采集的各项数据进行存储并分析。

SF6压力在线监测装置的系统方案如图1所示。

图1 SF6 压力在线监测装置的系统方案

2.1 采集端

采集端主要设备为SF6密度传感器，采集所有SF6气室的压力/密度数据并传入SF6在线监测就地柜，柜内安装传感器信号集线器、DC 24 V 电源和智能规约转换设备（IED）规约转换器。集线器采用RS-485 电缆有线方式采集各间隔附近所有SF6传感器信号，数据通过RS-485 总线传至IED，IED 将所有气室传感器的压力/密度数据转换为IEC 61850 规约信号，并通过光纤传输至站内一体化在线监测后台系统。

2.2 后台系统

SF6在线监测后台系统可以集中显示现场SF6传感器各项数据，并存储和分析生成报表和曲线供查看，主要包含数据总览、数据报表、数据曲线、数据报警等功能，可通过设置报警提醒，实时监控现场气室报警状态。

（1）数据总览功能：可以实时显示对应区域所有监测气室的SF6数据信息（压力/密度）。

（2）数据报表功能：可根据设定的时间周期和区域查询显示所有的数据信息。

（3）数据曲线功能：系统将采集到的数据以曲线形式显示，方便进行分析判断。曲线可设置为实时曲线也可查询历史数据曲线。

（4）数据报警功能：系统对数据进行分析判断，根据设置的报警限制进行数据报警提示，主要有压力低报警、漏气速率超标报警等。报警可设置声音和数据变色提示报警，可查看实时报警信息和历史报警信息。对于压力低报警，可以对各个不同类型气室单独设置报警阈值，一般应设置在表计机械压力略偏上的区域。对于漏气速率超标报警，系统根据连续多个时间段的压力检测数值计算出漏气速率，对于超过标准的进行报警，漏气速率标准应根据气室大小、结构形式以及厂家建议综合考虑制定。

3 SF6压力在线监测装置的应用

500 kV 黄渡变电站（以下简称“黄渡站”）各电压等级均采用GIS 设备，涉及多个厂家，并包含全长8 km 的气体绝缘输电线路（GIL），大量的GIS 设备中共有SF6气室794 个。在黄渡站中使用SF6压力在线监测装置具有重要的实际意义，主要体现在以下几个方面。

（1）实时监控各个气室的压力/密度及其变化率，大大提高了设备的可靠性。随着变电站设备使用年限的增长，由于设备密封部件的老化，往往会突发设备压力降低或者漏气速率超标现象。尤其是无人值守的变电站，对于设备的突发压力降低或者漏气速率增大超标，传统的压力表告警不能及时发现，造成了不必要的意外损失。变电站在线监测装置可以及时发现设备的异常情况，并向运行人员发送告警信息，从而避免设备发生意外情况。

（2）降低了维护人员的劳动强度，节省运行管理成本。在未使用SF6压力在线监测装置前，需要人工巡视、抄录表计示数，而在全GIS 设备的黄渡站，SF6气室多达794 个，表计的抄录工作将耗费大量的人力。另部分表计位于户外、楼顶、设备上部等高处，抄录存在困难，并有一定风险。对所有表计进行一次人工抄录约需要2 人4 h。按照目前五通要求，500 kV 变电站抄录SF6表计周期为15 天，一年共抄录24 次，每年可节省人工192 h·人，并有效降低了风险。

（3）通过后台数据和图谱进行趋势判断和分析，可监测泄漏风险，增加了开关的可靠性。不仅可以提供设备现在的运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断是否存在故障的先兆，从而延长设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养的费用，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。

（4）及时发现漏点并检修，降低SF6泄漏对人员和环境造成的潜在危害。在使用SF6压力在线监测装置后，可以实时监测每个气室单独的数据，这将大大改善改造前多个气室共用一个光字牌发信的弊端，当发生故障时，可以更加快速、精准地找到故障点，提高工作效率与电网的安全可靠性。同时因为SF6气体的密度大于空气（大约为空气的5 倍），当发生严重泄漏时，大量泄漏出来的SF6气体沉积在房间下部，当SF6气体体积浓度达到1 000 mL·L-1以上时，可能会对工作人员造成人身意外伤害。当在线监测装置监测到泄漏速率达到报警限时，禁止人员进入泄漏区域，从而保障了进入室内工作人员的人身安全。

（5）积累大量的SF6气室压力数据，为未来人工智能和大数据分析提供数据依据。

4 结语

本文介绍了变电站GIS 设备实施SF6压力在线监测的优点，并分析了其带来的成效。

（1）采用SF6压力在线监测可以及时了解变电站GIS 设备的运行状况，掌握其运行特性及变化趋势，以便尽早发现潜在故障，及时采取预防措施或进行维修，为设备的状态检修机制提供了依据，可以减少过早或不必要的检修，降低维修费用，提高检修的针对性，可以为实现从计划检修到状态检修的转变创造有利条件，保障系统安全可靠运行。

（2）SF6压力在线监测技术能帮助运维人员实时掌握设备状况，提高设备可控在控的同时，解放运维劳动力，具有重要的实际意义。