高壓設備中SF6密度的在線監測

摘要：本文主要介紹了ＳＦ６密度監測的發展，在線監測系統的組成，應用方案及對實現真正的變配電無人值守的積極作用。
關鍵詞：數字式；機械式；在線；密度；遠傳；智能化
SF6監測技術的發展
ＳＦ６氣體具有絕緣強度高、滅弧性能好等特點，是目前高壓設備首選絕緣介質，充SF6氣體的設備逐步取代原來的充油、抽真空設備，目前主要應用在ＳＦ６高壓斷路器，ＧＩＳ，ＳＦ６互感器，ＳＦ６變壓器上。
在通常情況下，SF6設備絕緣程度是否滿足相應電壓等級的絕緣要求，主要是衡量兩個參數，一是SF6氣體密度，第二是SF6氣體微水含量，這兩個參量直接決定了設備是否能安全運行，這里我們主要介紹SF6氣體密度的監控。現在對密度的監測是通過等效壓力來實現的，具體的說就是將氣室內的壓力，進行溫度補償后，換算成20℃的等效壓力，通過監測等效壓力來判斷是否發生泄漏，以及泄漏到什么程度。
SF6的壓力、溫度、密度之間無固定的補償關系，補償曲線根據密度的不同而不同，因此溫度補償技術的完善程度直接決定了補償結果是否正確，監測結果是否真正符合客觀事實。
現在世界經濟飛速發展，人們對電力的依賴性越來越高，停電對于一個城市、一個國家來講損失不可估量，美國一次大停電，每天損失超過300億美元，因此人們對電力設施安全穩定運行要求越來越高，隨著SF6設備的大面積推廣應用，成為變配電設備的主要設備，其安全運行問題備受關注。
SF6壓力監測技術也經歷了從壓力表、機械指針式密度繼電器、SF6密度變送器、到智能數字式SF6密度繼電器的發展階段。
各階段產品的比較：
壓力表：
測量氣室內實際壓力，通過指針顯示出來，其優點主要是價格低廉，而其無法克服的缺陷決定了其應用范圍將越來越小，壓力表單純顯示實際壓力，不具有溫度補償功能，沒有報警及閉鎖節點信號輸出，更別說數據遠傳功能，其不符合現代電網對建設智能化、自動化變配電設施的社會發展規律，目前僅在一些技術含量極地、安全性要求極低的一些SF6斷路器上使用。采用壓力表作為壓力監測的SF6斷路器廠商也往往是一些沒有技術更新能力，規模和實力都很小的作坊式企業。另外，采用壓力表作為監測裝置，需要安排專人巡視，前期看投資稍低，但是后續的人力成本將是非常高昂的。
機械指針式密度繼電器：
機械指針式密度繼電器，相對于壓力表來說，是技術上的一次很大地進步，他具有溫度補償功能，同時可以輸出現場補氣報警和閉鎖節點信號，在SF6設備發展史上寫下了輝煌的一頁。
計算機技術、電子技術、軟件技術的發展使無人值守變配電站的建設成為了可能，智能化變配電站成為電力系統建設的發展趨勢，機械式密度繼電器以其不可跨越的技術鴻溝，正逐漸淡出歷史舞臺。
機械式密度繼電器，結構復雜，加工難度大，密封難度大，因為前文我們提到的，SF6溫度補償曲線因密度不同而不同，因此針對不同的壓力等級，需要將機械式密度繼電器分級分檔，在實際使用中需要儲備大量的備品，也容易導致取用時出現差錯。
產品精度受材料特性、應力、疲勞、磨損等因素影響。
安裝位置受限制，如需要安裝在便于觀察的位置而增加管路，又導致補償不準且增加漏氣幾率。
機械式密度繼電器輸出補氣報警和閉鎖繼電器節點信號，即使通過技術手段可以實現遠傳，但其傳輸的信號限于泄漏程度達到或超過危險限度時的報警，無法實現泄漏預測和事故預防。
如需要明確知道現場的讀數，需要專人到現場讀取指針數據，無法實現遙測，且增加人力成本和工作量。
SF6密度變送器：
所謂的SF6密度變送器，其實并不能真正輸出密度信號，而是在儀表內安裝了壓力傳感器和溫度傳感器，將這兩個傳感器采集的信號分別轉換成4-20mA標準電流信號輸出，儀表本身不具備溫度補償、數據處理、遠傳通訊等功能，需要接入現場可編程控制器內才能工作，它只是SF6設備密度監測由機械式向在線智能化方向發展的初步嘗試，其現場組網困難，實際可應用性不高。另外，它也無法獨立工作，一旦網絡出現故障，或控制器故障，將導致監測完全實效，隱患很大。
智能數字在線SF6密度繼電器：
雖然延續了密度繼電器的叫法，但是發展到數字在線階段，它已經不是單純的繼電器功能，由于數字技術的應用，智能化、在線化成為了它主要的亮點。
大連三益電氣有限公司順應社會發展規律，獨家引進UAS3EELECTRIC技術，借助原有的強大的研發、生產能力，面向市場推出了數字式SF6密度繼電器。
該產品突破了溫度補償曲線非線性、不統一的技術瓶頸，建立了完整的數學模型，真正實現了監測數據的連續性，以及在任意密度下的壓力溫度補償數據的準確性，是一款真正可以商業化的智能數字式SF6密度繼電器。
數字技術的應用使SF6氣體狀態的監測數據遠傳變得非常簡單，在兼顧遠傳的同時，它還具備現場顯示、現場節點輸出等功能，其特點可以通過以下幾點概括：
1、完整的數學模型，保證補償精度及數據準確性。
2、現場高亮度數碼管顯示溫度、實際壓力、20℃補償壓力，便于現場察看數據。
3、現場兩組繼電器信號輸出，方便接駁為原來的機械式SF6密度繼電器準備的補氣報警接口和閉鎖信號接口。
4、智能儀表，可自成系統，支持離線工作，即使出現網絡故障也可繼續監測，安全可靠。
5、4-20mA電流信號輸出，方便接入現場可編程控制器。
6、RS-485總線接口，與上位機通訊用，系統擴展方便，現場施工布線方便，輕松實現遙測、遙控功能。上位機通過總線對任一儀表下達參數設置命令、校正命令及數據提取命令。
7、CAN總線接口，按照國家相關標準要求，預留現場總線接口，可以和具備條件的現場總線設備連接，實現統一管理，減少重復建設。該接口可以實現RS-485接口所有的通訊功能。
8、配置現場控制器或PC中心實現對現場數字式SF6密度繼電器的控制及數據采集。采集的數據自動生成曲線圖形，直觀反映溫度、壓力、密度的變化趨勢，輕松實現泄漏預測及事故預防，不必非要等到泄漏到危險值才采取補氣措施，同時，對于突發漏氣事故也能及時準確獲取信息，從而及時啟動應急措施，避免事故擴大，有效保障站點安全可靠運行。實時的數據采集也為統計工作和安排檢修計劃提供了可靠的數據基礎。
SF6密度在線監測系統的組成
根據現場情況和建設要求，一般在線SF6密度監測系統有兩種組網方式：
（一）現場RTU主控結構
這種網絡組成結構主要由TEI-200RTU、TED-100數字式SF6密度繼電器、現場執行機構、電力管理中心組成，其組成圖 如圖一：

圖一
該系統具有多路總線結構，可以方便實現系統擴展，根據現場要求可以接入微水、變電室SF6氣體、氧氣濃度監測，并提供現場聯動輸出。
現場的RTU具有數據存儲、報警信息存儲、通訊、參數設定、SF6密度繼電器校正、現場打印、聲光報警、聯動輸出等功能，根據現場通訊網絡的型式，可以選擇光纖接入、CDM、GPRS、電話線接入等方式與電力中心實時或定時通訊，電力中心也可以通過軟件對現場設備參數進行設定。
該系統的各部分互相聯系又各自獨立，在接入網路出現故障時RTU可以完成全部監測控制功能，并能記錄監測數據，接入網絡恢復后，再上傳數據，保證數據不丟失。現場總線出現故障時TED-100數字式SF6密度繼電器可以單獨工作，實時顯示溫度、實際壓力和補償壓力，并在達到報警門限后輸出相應繼電器節點信號。
這種網絡構成方式安全可靠，可以完全實現現場無人值守，而且擴展性好、集成度高，使用起來也非常方便。
（二）直接微機接入型
這種組網方式現場沒有RTU，直接由TED-100數字式SF6密度繼電器和中心PC機組成，如果在變配電房現場有值班室，可以采用圖二接入方式，其主旨是用一臺PC代理接入方式一中的RTU。

圖二
這種接入方式對PC機的穩定性要求很高，現場PC機可以部分代替方式一中RTU，但其功能達不到RTU的效果。因為TED-100數字式SF6密度繼電器高可靠性的獨立工作能力，即使現場PC出現故障，TED-100數字式SF6密度繼電器仍能獨立完成監測工作。
如果現場沒有值班室，也可以直接通過光纖將總線延伸到管理中心的PC機上，實現集中控制。如圖三所示：

圖三
這種組網方式，現場完全沒有控制設備，所有的控制和數據采集完全靠管理中心來實現，簡化了現場設備，但這種組網方式現場擴展能力比較低，無法接入微水、現場環境監測等設備。如果接入網絡出現故障，數據會丟失，但是因為現場密度繼電器的獨立工作能力高，仍可很好完成密度監測工作，保證SF6設備安全運行。
隨著經濟的發展，技術的進步，智能化、自動化已經成為不可逆轉的潮流，它獨有的泄漏趨勢監測及事故預防功能對電力設施的安全穩定運行具有重要意義，同時也使數字式SF6密度繼電器成為SF6高壓設備密度監測的新寵。