智慧充气式防尘棚在GIS无尘化安装中的应用

刘亚骑，张 成，魏永乐，马凤臣，邢东华

（1.山东送变电工程有限公司，山东 济南 250000；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

随着我国电网建设的快速发展［1］，交直流电网建设已成规模，变电站数量不断增长，气体绝缘金属封闭开关（gas insulated switchgear，GIS）作为变电站的主要设备［2］，其性能的可靠性愈发重要［3］。变电站内主设备的安装质量作为影响其供电可靠性的重要因素［4］，长期以来未得到足够重视。

GIS 安装对于安装环境，尤其是温度、湿度、洁净度（以下简称“三度”），要求特别严格［5］，以往GIS安装，只能在晴好的天气进行，完全“靠天吃饭”，并且不能做到安装区域完全封闭，交接试验过程中微尘放电时有发生［6］。传统的防尘措施，缺少净化装置、记录装置，不能远程管控；缺少系统化的环境监测装置，监测数据单一，不能对安装环境形成有效控制，不能对安装过程中的环境数据和施工作业形成完整的记录，出现质量事件无法有效追溯；对环境数据缺少智能化判别，出现不合格数据无法及时报警，不能满足关键设备的质量控制要求。全国各地GIS 无尘化安装方法不统一，防尘措施仍停留在简单防护和洒水抑尘等简易阶段［7］，有些地方提出采用防尘车间、防尘网等，但这些措施在实用性上无法满足要求。一些变电站采用简易防尘棚安装GIS 后，GIS 的耐压过程仍然无法一次通过［8］，甚至出现维修多次后仍无法通过耐压试验的现象，给变电站的运行留下隐患［9］。因GIS 安装环境不满足设备安装要求，导致GIS 内部微尘放电事故屡见不鲜，对变电工程项目质量、使用寿命、经济效益等产生重大影响［10］。

传统防尘措施采用的简易防尘棚或轨道式防尘车间［11］均存在一些问题。采用简易防尘棚容易导致安装过程中有杂质进入设备本体内［12］，造成设备耐压试验过程中发生击穿现象或局放试验不合格，影响设备安装质量［13］。轨道式防尘车间体积大、造价高、拆装不便且需要制作独立基础［14］，虽能保证环境质量，但使用极不方便，可推广性不足。

为有效解决以上问题，结合现场实际需求，提出一种智慧充气式防尘棚，具有拆装方便、实用效果好、经济实惠的优点。基于节能、环保、经济、高效的原则［15］，所用材料均为轻质、环保、绝缘材料，不仅满足GIS 对接过程的安全要求，还可保证GIS 对接过程的便捷操作。配备无尘化控制系统的自动调节模块，集除尘、除湿、控温、换气一体，有效控制“三度”；实现可视化功能，实时监控现场工作内容，且对环境的监测也可实时传输到后台；可实现报警功能，当监测到空气洁净度超过报警限值时，现场自带的声光报警器报警，同时可通过云监控软件，实现远程报警功能。通过对多种GIS 安装类型进行设计，可满足220 kV、500 kV 等各个电压等级下的GIS 对接工作［16］，安装简捷方便，可减少劳动力投入，有效降低GIS 安装现场作业安全风险，保证安装质量，加快工程建设进度［17］。

1 智慧充气式防尘棚结构

智慧充气式防尘棚主要包括充气式防尘棚、智慧净化装置、数字化管理平台，整体结构如图1所示。

图1 智慧充气式防尘棚结构Fig.1 Structural block diagram of intelligent inflatable dust shed

现场搭建充气式防尘棚，与智慧净化装置通过换气管道固定连接，向防尘棚内部提供洁净空气。防尘棚内配置信号采集模块和摄像头，信号采集模块用于采集环境监测数据，发送至智慧净化装置，并在本地的液晶面板上显示监测到的数据。摄像头用于实时查看防尘棚内部施工情况，并将视频信息传输至数字化管理平台。针对现场安装环境控制，研制出无尘化环境控制系统，通过此控制系统可以实现GIS 设备安装环境处于可控状态，使安装环境“三度”等各项数据符合要求，不再受天气变化影响［18］。研制出环境监测系统，通过监测装置，可以实现安装现场环境数据实时监测，环境数据超标报警，发现问题及时预警、纠偏。

智慧净化装置实时监测防尘棚内“三度”信息，智慧净化装置设有报警阈值，当“三度”信息超过报警阈值，现场的声光报警器可立即报警，现场立刻停止GIS 安装，同时可将报警信号远传到数字化管理平台，待安装环境满足要求、报警信号消失后方可继续安装。

2 充气式防尘棚

2.1 防尘棚结构

防尘棚结构如图2 所示，包括气柱骨架、透明外棚布、防滑地板革和伸缩式袖口，均采用绝缘材料制成。外棚布为可拆卸式，为方便现场使用，将其布置在气柱骨架的外侧，下方地板革通过粘扣布置在充气式防尘棚底部。防尘棚整体采用透明材料，可方便管理人员观察安装过程及局部细节，便于防尘棚内外作业人员之间的工作配合。充气式防尘棚相较以往的形式，在保证作业环境的同时，重量大幅减少、安装简单便捷、运输存储方便。气柱耐割耐划，金属锐器碰触划割，不会造成表面损坏、气体泄漏。梁柱采用阻燃材料，一般性的火星不会引燃。设备充气固定好四角缆风绳，最大抗风能力达7 级，柱梁不会弯折倾倒。

气柱骨架采用强度较高的夹网布制成，气柱骨架上设置有充气口和放气口，充气口上设置有逆止阀，充放气方便。前侧气柱骨架、后侧气柱骨架和顶部气柱骨架上分别设置有挂环。在气柱骨架的顶面、左侧、右侧、前侧和后侧均设置外棚布，顶面、前侧和后侧棚布采用透明的热塑性聚氨酯橡胶制成。底部地板革采用耐磨防静电地板革，左侧棚布和右侧棚布的底部向棚内延伸，与地板革通过粘扣相连，左侧棚布和右侧棚布的下部前后两端分别设置用于连接GIS 的密封袖口，左侧棚布和右侧棚布上的密封袖口对称设置，通过拉链连接，多次使用后，如密封袖口受污染或损坏时，可方便更换。

防尘棚材料均采用轻质、环保、绝缘材料，适用于不同电压等级、各种型号的GIS，不受设备基础的限制，组合于高空、地面，可适用于各类基础GIS 安装。在GIS 安装区域形成足够的密闭空间，既满足GIS 对接过程的环境要求，又保证GIS 对接过程的操作便捷。

防尘棚和脚手架平台均采用绝缘材料制成，有效避免了在改扩建站施工中安全距离不够的问题。防尘棚为软材质，移动时与运行设备相碰不会损坏运行设备及自身，提高防尘棚安全性能。绝缘脚手架平台材质选用轻质高强玻璃纤维管结合而成，框架管末端连接头及支撑杆扣件为防紫外线固化尼龙，各连接件均为全绝缘材料，脚轮为高密度紫外线固化聚乙稀，绝缘工作踏板，并且表面均做防滑、防潮处理。绝缘脚手架灵活、易拆装，能够实现各种形式的组装，方便现场作业。

2.2 安装环境数据采集

充气式防尘棚内部配备信息采集器，能够准确采集“三度”信息，温度精度为±2 ℃，湿度精度为±5%，洁净度为百万级。无线监测模块，如图3 所示，可通过魔术贴粘到充气式防尘棚气柱上，也可以放至靠近装配区域的任何位置监测周围的环境。并根据需要可增加光照度、气压值、含氧量等采集装置，及时上传到现场的液晶显示屏，并通过监控软件，上传云平台，平台支持电脑、手机、平板等终端进行查看。项目施工、监理、业主等施工管理人员可以通过手机软件（application，APP）或web，登录账号和密码查看“三度”等数据，并可下载Excel 电子数据表格供打印。

图3 无线监测模块Fig.3 Schematic diagram of wireless monitoring module

洁净度监测时，监测模块风扇运转产生气体流动，颗粒物随之经过探测室的输入输出系统（input/output，I/O），尘埃粒子在激光的照射下会发生散射，散射与微粒大小、波长、折射率、光的吸收等有关系。散射光强度与微粒表面积成正比，从而可以通过计算得到微粒的粒径，来自激光管的光会被颗粒物散射并被光敏器件识别转换成电信号。电信号经过放大电路、滤波和微控制器的处理后，通过模数转换（analog to digital converter，A/D），转换成数字信号输出微粒的个数。每个测点应在测试仪器稳定运行的条件下连续3 次采样，取其平均值，即为该点的实测数值。

温湿度传感器通过测量半导体阻容变化，转换为温湿度值。监测到的环境参数通过蓝牙局域网传输到智慧净化装置的现场显示屏幕上。

3 智慧净化装置

无尘化控制的中枢智慧净化装置主要包括环境监测系统、视频监控系统、环境数据云传输系统、监测数据与智慧净化装置联动系统、智能报警系统。智慧净化装置可动态调节防尘棚内“三度”，满足GIS安装“环境温度-10～40 ℃之间、无风沙、无雨雪、空气相对湿度小于80%、洁净度在百万级以上（0.5 μm粒子数小于3.52×107个/m3，1 μm 粒子数小于8.32×l06个/m3，5 μm 粒子数小于2.93×l05个/m3）”的环境要求。净化装置外壳采用不锈钢制作而成，装置长、宽、高分别为1 300 mm、760 mm、1 250 mm，在底部安装有万向轮，大小合适、方便运输，并配有储物柜，存放设备部件及常用工具。触摸屏和所有风口都有保护板防护。智慧净化装置管道直径200 mm，打开触摸屏和所有风口的保护板，可将新风管道与智慧净化装置快速连接，快速提高空气洁净度。智慧净化装置制冷功率2.17 kW，制热功率1.93 kW，净化送风量350 m3/h，清洁度过滤级别可达百万级。

智慧净化装置监测到的“三度”数据，可在装置内嵌的显示屏上进行展示，方便现场人员查看实时数值。

根据实时监测的“三度”数据情况，智慧净化装置可自动调节装置的输出功率，以保证“三度”始终在要求范围之内，智慧净化装置可有效滤除0.5～5.0 μm 的微尘颗粒，保证安装环境可控、在控。智慧净化装置现场界面可以查看防尘棚内“三度”的实时监测数值，也可以查看各参数的历史变化趋势，通过装置上的微型打印机可打印出实时环境参数，归档留存。

智慧监控装置可设置报警限值，可设置“三度”的报警上下限，在施工现场通过触摸屏手动设置。当“三度”等超过报警限值时，现场自带的声光报警器报警，低于报警值自动解除，通过设备控制列表实现对智慧净化装置的控制。

4 数字化管理平台

智慧净化装置采集到的数据可通过加密的省公司内网端口传输到基建全过程综合数字化管理平台，实现数据的实时传输，整体流程如图4 所示。使用局域网采集现场数据，防尘棚内的传感器采集到“三度”信号后采用蓝牙传输到智慧净化装置。为将现场数据安全地传输到全过程平台，通过在现场设备上配置一套网关设备用于转换协议，监测数据经独立开发的安全加密终端通过虚拟专用网络（virtual private network，VPN）加密传输到安全接入终端，基建全过程平台再从安全接入平台抓取数据，整个通信网络采用加密处理，保证了现场数据的安全性。

图4 数据采集及传输流程Fig.4 Flow chart of data collection and transmission

基建全过程平台是国网公司组织开发，从可研到设计、招标、施工、验收、达标投产、工程创优等进行全过程管理的平台。

各施工现场上传到服务器的监测数据、报警情况、视频监控，在基建全过程综合数字化管理平台可以查看各工地设备装配环境的质量、是否有报警、装配作业是否规范。全部数据存储在服务器，方便追溯。

5 结束语

通过智慧防尘棚环境控制系统、环境监测系统、基建全过程平台等控制手段从根本上解决了GIS 安装环境控制的难题，使安装环境始终处于达标状态；实现了GIS 安装“工厂化”的设想，确保了GIS 安装环境质量双提升。提出的充气式防尘棚为更好地满足GIS 对接过程中安装环境的洁净度要求，充气式防尘棚除了配备智能净化装置外，针对充气式防尘棚的安装方式也可进一步的研究，使防尘棚的安装模块化、便捷化。后续将结合现场实际需求，进一步地探索研究，为GIS 的无尘化安装提供更好的保障。