变电站GIS预制舱通风系统研究与应用

刘文平,肖 星,陈伟明,尹雁和,曾 威

(南方电网广东中山供电局,广东 中山 528400)

0 引言

随着城市用电负荷持续增长,考虑到经济效益和安全运行,需要在城市中心建设变电站,其占地面积和建设周期显得尤为重要[1-3]。一种模块化预制舱式变电站在城市中心的应用,解决了传统变电站建设周期长、占用土地面积大、安装工艺不统一等问题,实现了变电站的小型化、低成本,提升了建设效率和质量[4-7]。变电站GIS预制舱内空间小且密闭,一方面,需要保持GIS室内的温湿度、氧气浓度正常,在外部环境处于恶劣状态时,防止外部风沙、灰尘进入室内;另一方面,室内设备散发的热量应及时排出,否则会影响设备安全稳定运行[8-9]。

当前,国内针对变电站GIS预制舱室通风系统尚无相关文献,但对变电站设备室的通风系统开展了相应研究,文献[10]采用置换通风技术,将自然通风、机械通风与物联网控制技术相结合,应用于GIS室通风系统,取得了较好的经济效果;文献[11]通过改造10 kV高压室通风系统进风口位置,提高了通风效率;文献[12]选择最有效的空调方式,尽可能充分地利用自然通风,并利用室内散热的热循环替代了电暖气,达到节电目标,可以起到节能效果。上述系统均独立运行,缺乏联动控制,智能化水平低,不能有效提高GIS室通风效率,且上述系统目前采用人工的周期性巡视方法并存在通风设备隐患,该方法存在巡视工作量大、智能化水平低、易失误等问题,且无法及时发现设备异常状态,造成室内环境出现不符合正常运行条件的情况。

为了解决上述变电站通风系统问题,本文采用可控弱气流通风技术、微正压空调技术、风机控制与状态监测技术、防尘通风控制技术和智能联动控制技术,提出并研制了变电站GIS预制舱室通风系统,实现了GIS室内风机、空调、除湿机、空气净化器及防尘通风装置实时在线监测、控制、诊断、预警功能,及时发现通风设备故障状况,并通知运维人员进行处理。

1 变电站GIS预制舱通风系统结构与功能设计

1.1 系统结构设计

变电站GIS预制舱通风系统由监控系统、微机控制器、传感器、通风设备、网络装置组成,系统结构如图1所示。

图1 变电站GIS预制舱通风系统结构

传感器包括气体传感器、温湿度传感器、红外测温仪、热释电人体感应传感器、火灾探测器。气体传感器安装在GIS预制舱设备附近底部,用于监测O2、SF6浓度和空气质量(甲醛含量、TVOC含量、PM2.5);温湿度传感器安装在墙上,用于监测室内温湿度;红外测温仪位置正对着GIS设备,用于监测设备温度;热释电人体感应传感器安装在舱门前,用于监测是否工作人员进入室内;火灾探测器安装在舱内顶部,用于监测室内火灾。各传感器将采集的数据上传至微机控制器。

通风设备包括风机、空调、除湿机、空气净化器、防尘通风装置,用于调节GIS室内O2浓度、SF6浓度、温湿度、净化室内空气,确保室内GIS设备安全可靠运行和环境空气质量符合标准。

微机控制器实现对传感器数据采集并上传至监控系统,执行监控系统的控制指令,控制通风设备启停机;监测传感器、通风设备及微机控制器的运行信息或故障状态至监控系统。

监控系统对GIS预制舱O2浓度、SF6浓度、温湿度、空气质量进行集中管理,制定、发布通风设备的控制策略,实时采集传感器的数据并进行统计、分析、决策,实时在线监测各通风设备运行状态并预警故障信息,有效管控GIS室内环境数据。

网络装置主要由交换器、光纤收发器、调制解调器、光缆、网线等构成。传感器与微机控制器通过网线或RS-485串口通信,微机控制器与调制解调器采用ZigBee无线通信技术进行通信,调制解调器与交换机采用网线或光纤通信,而交换机则与监控系统之间采用网线通信。

1.2 功能设计

变电站GIS预制舱通风系统需集中监测全部传感器数据,制定有效的控制策略。其主要功能如下。

a. 实时监测、诊断、告警功能。系统实时在线监测GIS预制舱O2浓度、SF6浓度、温湿度、空气质量数值,对数据进行分析,发现异常数据时及时告警。系统实时监测微机控制器、传感器、通风设备运行状况并上报装置异常。上述告警信号上传至监控系统,并及时发送给运维人员,以便及时消缺。

b. 实施微机控制器及监控系统控制策略。系统结合通风设备联动组合实施调节GIS预制舱O2浓度、SF6浓度、温湿度、空气质量的控制策略,可远方投退通风设备,防止通风设备长时间运行,降低设备故障率。

c. 定值管理。运维人员通过微机控制器或监控系统执行定值,主要包括通风设备启停机、故障定值。

d. 巡视报告自动生成。巡检报告内容包括GIS预制舱O2浓度、SF6浓度、温湿度、空气质量监测数据、微机控制器及通风设备运行状态、异常告警信号等。

2 GIS变电站预制舱通风系统关键技术

2.1 可控弱气流通风技术

可控弱气流通风技术是采用置换通风原理,将机械送风与自然排风进行结合,应用在电气设备室内通风系统[13]。

2.1.1 置换通风原理

置换通风系统主要是通过将室内外的空气置换,从而对设备及室内空气质量实现更高效管理[14]。置换通风原理如图2所示。

图2 置换通风原理

传统的风机以恒定功率运转,且启动后以最大功率持续运行,因为预制舱空间狭小、作业空间小,风机造成的噪音也会比较明显,会影响作业人员作业质量,因此降低风机噪音很重要。通风风机采用变频电机和消音罩降低噪音,根据SF6浓度调节风机转速;发生火灾时,风机以最大功率运行排烟。风机长时间运行,滤网上会积聚灰尘,风机采用可拆卸的防尘网,卡槽上设计1个把手以便拔下过滤网。

防尘通风装置由过滤器、防小动物网、百叶窗、防雨罩组成,GIS预制舱通风防尘装置如图3所示。防尘通风装置可过滤预制舱GIS室内的粉尘并通风。

(a)室内 (b)室外

根据气体传感器、热释电人体感应传感器检测的数据联动控制风机与防尘通风装置的启停,使预制舱GIS室内气体浓度满足预设的气体浓度限值。

当监测到的SF6浓度值不小于SF6启动阈值或O2浓度值不大于O2启动阈值时,启动风机和防尘通风装置;当监测到的SF6浓度值小于SF6停机阈值且O2浓度值大于O2停机阈值时,关闭风机和防尘通风装置;当热释电人体感应传感器检测到工作人员进入GIS预制舱时,启动风机和防尘通风装置,持续运行至预设时长后,关闭风机和防尘通风装置。

2.1.2 可控弱气流通风技术特点

在变电站GIS预制舱通风系统中,需保证GIS设备环境温湿度得到有效控制,需要将通风系统中的分层界面高度控制在GIS设备顶部之上,才能维持电气设备室的环境温度。

置换通风需要控制出风位置和出风速度,由于GIS预制舱设备布置比较紧凑,室内通风设备或风管布置受限因素较多,需将机械送风与自然排风相结合,对室内O2浓度、SF6浓度进行有效控制,不仅保障作业人员安全,还可降低通风系统能耗。

可控弱气流通风的核心是“可控”和“弱气流”。可控主要是通过室内设备发热量、湿度、室外气象条件等参数对正压通风系统的送风量、送风地点、送风方式、送风方向、送风品质等进行控制,以维持室内稳定的温度梯度和均衡的气流分布。弱气流基于置换通风原理,维持室内稳定温度梯度所需的最小气流,可避免室内局部涡流产生,使机械送风与设备表面维持稳定,并实现高效对流换热。此外,弱气流还为进风气流的净化、过滤、控湿等处理提供了良好条件,可有效保证室内空气品质,同时驱动弱气流所用的小功率风机,使风机及气流产生的噪音大大减小。

2.1.3 可控弱气流通风系统控制策略

可控弱气流通风是建立在热平衡理论、置换通风理论基础之上的通风方法,通风原理是在强气流组织的设计中,利用防尘通风装置的优化设计,使室外新风首先通过发热量较低的主要设备区域,最后再达到主要发热设备,能够降低发热设备对室内外其他空气的热污染,达到节能目的;通过将冷热温度边界的温度进行控制,以达到对室内外温度的合理调节,并适当增加了通风装置的排风温度,以减少通风装置的通风流量;并通过对排风系统出口位置与范围的适当调整,维持最上部的热压,以保持室内外温度梯度,并避免了室内系统噪音外泄。

系统主要从通风装置外形、风机参数、风机与防尘通风装置安装位置等进行优化,通过温湿度传感器采集GIS预制舱室上部或出风口的温度数据、气体传感器采集室内SF6和O2气体浓度,采用微机控制器建立智能反馈机制,自动控制通风设备的输出功率与启停机,实时调节换气量,使其与设备发热量变化的动态曲线相适应,达到控制室内空气温湿度目的;并通过气体传感器、火灾探测器来实现设备运行环境的安全控制及异常或越限告警。

2.2 微正压空调技术

对于多尘、高湿、高温地区的变电站,GIS预制舱内应采用微正压技术,使内部气压值为环境压力值的1.05倍,这种设计具有防尘、除湿、防凝露功能,确保GIS设备的安全稳定运行。

微正压空调将微正压技术与空调制冷技术结合。当压力传感器检测到室内气压值不大于环境压力值的1.05倍时,微正压空调将室外空气经过过滤、除湿、微增压后经出风管道抽入室内;当压力传感器检测到室内气压值等于环境压力值的1.05倍时,停止送风,预制舱门窗缝隙处的空气向室外流动,室外灰尘、湿气、高温气体不能通过门窗缝隙进入室内,具有防尘、除湿、防凝露等功能[15],微正压防尘原理如图4所示。另外,微正压空调主要调节舱内温度,除湿机主要调节舱内湿度,以确保舱内运行环境的温湿度适宜于设备稳定运行。

图4 微正压防尘原理

微正压空调系统由空调主机、出风管道组成,空调主机连接出风管道,出风管道围绕室内上方一圈,每隔一段距离设置管道出风口,空调冷空气从上部排出,并下沉至GIS预制舱底部,实现冷热空气对流,使室内各部位温度均匀,保证预制舱式高压室内设备运行环境。

GIS预制舱内空调与除湿机能根据室内温湿度情况进行自动投退,保证室内设备运行环境最优化;还可通过微机控制器或监控系统实现远方投退,避免空调在不必要情况下长期运行,降低设备故障率、延长使用寿命、节能降耗、降低维护成本。若空调发生故障,能自动将故障告警信息发送至监控系统,通知运维人员进行维修,缩短故障时间。

等温自由射流状态下,射流的轴心速度计算见式(1)。

(1)

式中:vx为射程x处射流轴心速度,m/s;v0为射流出口速度,m/s;a为送风口紊流系数;d0为送风口直径,m;x为射流断面至送风口距离,m。

由式(1)可知通风气流的速度衰减与射程成反比,机械送风大于机械排风对室内气流的影响,微正压空调送风与风机排风系统可提高GIS预制舱通风系统效率。

2.3 风机控制与状态监测技术

a. 自动启动

当气体传感器采集的SF6浓度定值不小于风机启动SF6浓度定值时,经风机启动延时定值时间后启动风机;当气体传感器采集的O2浓度定值不大于风机启动O2浓度定值时,经风机启动延时定值时间后启动风机;当热释电人体感应传感器检测到工作人员即将进入GIS室时,风机自动启动。

b. 手动启动

系统运维人员进入GIS室前,通过操作微机控制器的手动按钮手动投入风机,确保运维人员安全;运维人员通过操作微机控制器的停止按钮手动退出风机,通过监控系统能实现远方投退风机,避免风机在不必要的情况下长期运行,降低风机故障率,延长风机使用寿命。

c. 停止模式

当气体传感器采集的SF6浓度定值小于风机停机SF6浓度定值时,停止风机运转;当气体传感器采集的O2浓度定值大于风机停机O2浓度定值时,停止风机运转;当热释电人体感应传感器检测到工作人员进入GIS室时,风机持续运行通风时间定值后停机。

风机控制系统根据风机电流传感器的数据判断风机是否发生故障,当检测到风机工作电流数据不小于预设的风机电流阈值时,则判定风机运行正常,否则判定风机发生故障,发出告警信号至监控系统,运维人员能迅速掌握风机故障情况,及时安排风机修理,缩短故障时间。同时风机控制系统还实现了与火灾探测器联动。当室内发生设备故障产生大量烟尘,能自动启动风机快速排烟,为运维人员进入室内处理故障提供支持。

2.4 多传感器融合技术

GIS预制舱内采用多种传感器,包括气体传感器、温湿度传感器、红外测温仪、热释电人体感应传感器、火灾探测器,需综合处理多种传感器数据,控制通风设备启停机,确保室内温湿度及空气质量达标。

多传感器融合在层次结构方面不同,包括数据层信息融合、特征层信息融合及决策层信息融合[16-17]。特征层的融合是对从原始信息中获得的特征矢量进行融合,并对特征矢量进行重新表示与处理。决策层数据信息包含了初始的检测信息预处理、对原始信息特征提取及对信息识别过程分析,通过相应检测数据得到最终结论,并对相关传感器数据加以整合,从而得到检测对象的最后结论,如图5所示。

图5 决策层融合过程

多传感器融合技术通过输入多个传感器数据,再通过各种算法处理不同数据,最后达到数据融合。

2.5 智能联动控制技术

该系统通过对传感器监测的数据进行智能分析,基于历史和当前舱内环境数据、风机电流值,通过智能算法预测通风设备故障,可及时发现通风设备故障,通知运维人员及时处理。通过智能联动控制技术,控制通风设备的启停机,确保室内设备运行环境最优化。

GIS预制舱内SF6浓度不小于SF6启动阈值或O2浓度不大于启动阈值时,启动风机、防尘通风装置进行通风;温度不小于温度定值时,启动空调进行制冷;湿度不小于湿度定值时,启动除湿机进行除湿;空气质量参数不小于空气质量定值时,启动空气净化器进行净化;热释电人体感应传感器检测到工作人员进入时,启动风机、防尘通风装置,通风15 min后停机;火灾探测器监测到有火灾时,启动风机进行排烟,关闭空调、除湿机及防尘通风装置,智能联动控制逻辑如图6所示。

图6 智能联动控制逻辑

3 应用实例

110 kV同福变电站是南方电网首个全设备预制舱式模块化变电站,也是南方电网装配式技术应用试点项目。本文研制的变电站GIS预制舱通风系统已安装应用于110 kV同福变电站,在110 kV GIS室安装了微正压空调、除湿机、事故风机、风机、防尘通风装置等通风设备和气体传感器、温湿度传感器、热释电人体感应传感器、火灾探测器、风机电流传感器等检测设备,实现了GIS室内风机、空调、除湿机、空气净化器及防尘通风装置状态的实时在线监测、控制、诊断和预警功能。GIS预制舱外观如图7所示。

图7 GIS预制舱外观

运维人员通过微机控制器查看GIS室内环境实时数据,方便运维人员巡视。图8为GIS室内温湿度、O2浓度、SF6浓度数据实时采集界面。

图8 GIS室内环境数据实时采集界面

通过将110 kV同福变电站和110 kV福隆变电站(非预制舱)GIS室内环境监测数据在2022年9月的温度、含氧量进行分析。图9为室内温度对比图,同福站GIS室内温度在25.5～27.5 ℃,同福站与福隆站的室内温度差最高、最低、平均值分别为3.0 ℃、1.2 ℃、2.0 ℃,同福站GIS室内温度均低于福隆站。图10为室内含氧量对比图,110 kV同福变电站GIS室的含氧量在21%～22%,两站室内含氧量差最高、最低、平均值分别为3.5%、1.9%、2.8%,虽均高于《中国南方电网有限责任公司电力安全工作规程》中GIS室运行标准的含氧量要求(不低于18%),但同福站GIS室内含氧量均高于福隆站。变电站GIS预制舱通风系统提高了GIS室的通风效率。

图9 温度对比

图10 含氧量对比

110 kV同福变电站GIS预制舱通风系统运行后,实现了GIS预制舱O2浓度、SF6浓度、温湿度、空气质量在线监测、预警和通风设备运行状态实时数据在线监测、故障诊断、异常预警。实时掌握预制舱内通风设备运行状况,及时通知运维人员进行维护,确保了预制舱内环境满足运行要求。

4 结语

针对当前通风系统采集判据信息单一、缺乏联动、智能化水平低且采用人工周期性巡视方法发现通风设备隐患问题,本文研制了变电站GIS预制舱通风系统。该变电站GIS预制舱通风系统集成应用了可控弱气流通风技术、微正压空调技术、风机控制与状态监测技术、多传感器融合技术和智能联动控制技术,实现了自动检测GIS预制舱室内的SF6浓度、O2浓度、温湿度、空气质量及风机、空调、除湿机、空气净化器、防尘通风装置的运行状态。该系统可查询实时数据和历史数据并自动上报GIS预制舱环境监测异常数据、通风设备异常状态等告警信息,提高了GIS预制舱室通风效率,保证了运维人员人身安全及设备安全稳定运行。