浅析GIS综合在线监测系统功能完善与升级改造

杨 东，刘 敏

(国家能源集团大渡河大岗山水电开发有限公司，四川 雅安 625000)

0 前 言

SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)是目前电气设备集成度最高的布置形式。GIS将断路器、电压互感器、电流互感器、隔离刀闸、接地刀闸、避雷器和母线等元件封装在接地良好的金属壳体内，壳体内充以0.4～0.6 MPa压力的SF6气体作为相间和相对地绝缘。采用GIS可以大大缩小配电装置的占地面积和空间体积，且运行安全可靠、维护方便，在国内外高压和超高压配电装置中得到越来越广泛的应用。

纯净的SF6气体是一种无色、无味、无毒、不助燃、不溶于水的非金属化合物，在室温下其化学性质是惰性和稳定的。SF6气体中不含有自由电子，故其绝缘性能良好，SF6的灭弧能力要比空气大100倍。

随着GIS设备的广泛应用，也渐渐暴露出了一些问题。例如，内部存在严重缺陷的GIS在运行中会引起绝缘闪络或击穿；GIS内部SF6气体微水含量超标会引起GIS绝缘及灭弧能力的降低；SF6气体泄漏，会对现场巡视、检修人员的安全带来极大的危害。国内外曾多次发生过由GIS内部缺陷引起的闪络和击穿重大事故，造成巨大的直接和间接损失[1]。

1 GIS设备SF6气体常见故障及危害

1.1 SF6气体微水含量超标原因及危害

SF6气体微水含量超标主要有以下几种原因。

(1)SF6气体新气的水分不合格。首先是对新气检测不严格；其次是运输过程中和存放环境不符合要求，也可能是存储时间过长。

(2)吸附剂可能带入水分。吸附剂活化处理时间短，安装时暴露在空气中的时间过长而受潮，在放入吸附剂时就会将水分带入。

(3)透过密封件可能渗入水分。在内外巨大压差作用下，大气中的水分会逐渐通过密封件渗入到GIS设备的SF6气体中。

(4)工作人员不按有关规程和检修工艺操作要求进行充气操作。例如，充气时气瓶未倒立放置，管路、接口不干燥或装配时暴露在空气中的时间过长等，导致GIS设备充入SF6气体时带进水分。

(5)绝缘件可能带入水分。在装配前对绝缘件未作干燥处理或干燥处理不合格，绝缘件因长时间暴露在空气中而受潮。

(6)可能存在GIS设备的泄漏点渗入水分。充气口、管路接头、法兰处渗漏、铝铸件砂孔等泄漏点，是水分渗入GIS设备内部的通道，这是一个持续的过程，时间越长，渗入的水分就越多。

GIS设备SF6气体微水超标的危害性主要表现在以下几个方面。

(1)SF6的分解物与水发生反应，生成氨基酸(HF)及亚硫酸(H2SO3)，它们对SF6气体高压电气设备中的金属部件和绝缘部件产生严重的侵蚀作用导致绝缘劣化，降低设备使用的性能和使用寿命。

(2)当SF6气体中水分含量低于0.03%时，绝缘表面的闪络电压没有明显的变化，水分超过这个浓度时闪络电压会明显降低。随着外部温度的降低，这些水分会在设备内部的绝缘层和金属部件表面产生凝结，改变绝缘件表面的电阻率及电场分布，造成设备绝缘性能下降。

(3)水分对SF6开关开断性能存在一定的影响，实验中曾多次发现SF6开关因水分含量较多导致满容量开断试验失败，断口间因绝缘能力不足在恢复电压峰值附近被击穿[2]。

1.2 SF6气体泄漏原因及危害

GIS设备SF6气体漏点位置及部件较分散，包括了因焊接件质量问题造成的焊缝漏气、气体管路连接处漏气、铸件表面有针孔或砂眼漏气、压力表或密度继电器漏气等，其中漏气最多的是GIS设备罐体连接部位的密封圈与紧固固定螺栓处。密封面发生漏气的主要原因有：由于密封皮条紧固不当，端面受力不均；安装时工艺控制不严，安装带有缺陷的密封圈；密封圈未能完全就位，或是紧固法兰时挤压损伤密封胶圈；密封圈老化、弹性减弱而引起密封性降低等[3]。

GIS设备SF6气体泄漏会造成设备耐电压强度降低、断路器开断容量下降。另外，SF6为有毒气体，泄漏后会危害人体健康，影响环境。

2 GIS设备SF6气体监测的现状

2.1 GIS设备管理现状

某水电站GIS共324个气室，每个隔室配置具有发信和报警功能的气体密度继电器，每个断路器气室配置有SF6微水监测传感器，GIS室内配置了一套SF6气体泄漏监测报警系统。该水电站GIS整体外形见图1。

图1 GIS整体外形

2.2 气体密度继电器现状

某水电站GIS每个隔室配置气体密度继电器，当气体密度下降到规定的报警压力值时，发出报警信号，以便及时进行补气；当SF6气体密度继续下降到闭锁压力值时，发出闭锁信号，相应的断路器等设备就不允许进行操作，以保证设备和系统安全。

由于多种原因，SF6气体密度继电器在长期运行中，性能可能发生变化，甚至失去保护作用。例如，长期不动作后，SF6气体密度继电器可能出现动作卡涩或不灵活、触点接触不良等现象；有的还会出现温度补偿性能变差，当环境温度变化时，可能导致SF6气体密度继电器误动作[4]。

2.3 微水综合监测装置现状

断路器气室使用微水综合监测器，同时监测SF6气体的温度、密度(压力)和微水含量3个重要指标，并通过RS485通信协议将数据远传给综合数据监测装置。系统由30个日立信NA1100DP微水传感器、1个系统监测主IED装置、1个监测主机工控机及相关电源和通讯设备构成，其中微水传感器在SF6断路器的每相布置1个。综合数据监测装置能对SF6气体温度、密度和微水含量进行连续、在线、实时、自动地监测和显示。各监测点的监测器可预先设定报警和闭锁整定值，当有关指标达到整定值时，自动启动报警装置[5]。GIS微水综合监测装置系统见图2。

图2 GIS微水综合监测装置系统

2.4 SF6气体泄漏监测报警系统现状

GIS室内配置有一套NA-1000型SF6气体泄漏监测报警系统(见图3)，由1台监控主机、4个温湿度传感器、18个SF6浓度和含氧量传感器、2个人体红外传感器构成。SF6气体泄漏监测报警系统的触摸屏安装在GIS室进门处，SF6浓度和含氧量传感器对称安装在500kV GIS设备室。当气体传感器检测到SF6气体浓度不小于0.1%或氧含量不大于18%时，监控主机发出报警信息并启动风机，风机运转时间为15 min，系统每日会进行自动排风。

图3 SF6气体泄漏监测报警系统

3 GIS 综合在线监测系统改造

为满足未安装SF6气体微水在线监测装置的GIS设备安全运行，电站投运后执行了SF6气体定期检漏和抄表制度，维护人员定期使用手持式SF6气体检测仪对设备检漏，由于GIS设备普遍较高且布置复杂、SF6气体压力表计不宜观察等原因，在进行定期工作时不仅耗时、耗力，而且准确度和及时性也不高，给GIS的安全可靠运行带来诸多不便。

GIS设备除断路器外的隔室压力额定值为0.45 MPa，运行中的隔刀和地刀气室含水量要求小于300 uL/L，运行中的母线及分支母线气室含水量要求小于500 μL/L，各气室的年漏气率要求小于0.3%。除断路器外的气室未安装微水监测传感器，无法提供连续微水含量数据。按照运行规程规定，在设备运行中必须对SF6气体的密度和含水量进行定期检测，检测SF6气体微水含量时须排放大量的SF6气体，测量后还需要补气，补气后气室中的微水含量是否合格也无法判断[6]。

升级改造的SF6气体综合在线监测系统(见图4)实现了实时在线监控隔刀和地刀微水、密度和稳定变化情况，由于在系统软件中引入了工程图的管理理念，因此在系统软件中的设备位置与实际现场位置一致时，能快速定位设备位置，具备历史数据查询、报警数据查询、声光报警、绘制趋势图、数据备份等功能。新增的129台SF6气体微水传感器实现了GIS所有断路器、隔刀和地刀设备的实时在线监测，可将其直接安装在密度继电器校表阀座上，传感器二次线敷设在GIS布置的桥架中，不影响现场美观。

图4 新增GIS综合在线监测系统

SF6气体综合在线监测传感器配合服务器及智能分析软件能实现实时在线集中监测，同时也具有良好的扩展性，可以根据不同电站的需求预留标准(RS485或RS232通信接口)，通过通信接口实现系统升级，增加更多监测点及检测信号，对提供模拟量或开关量的信息进行集中监测和处理。此套系统可增加GIS设备局部放电在线监测子系统，进行在线监测GIS局部异常放电。系统对外提供标准的RS232/RS485通信接口和TCP/IP协议接口，方便地将综合数据监测装置接入本地局域网中，实现了电站的自动化监测，为打造智慧电厂提供便捷。

GIS综合在线监测系统改造工作需要注意：整个监测系统接地要完善，设备处在强电场环境下，GIS设备发生短路接地等故障时要确保人员和设备安全；传感器出厂前要先做好气密性等检验工作，现场安装时要防止气体泄漏，传感器安装的位置要避免阳光直射而导致温度升高，影响检测结果；选择的传感器要适应高频电场环境下的测量，且电路测量稳定性良好；要定期对在线监测系统进行校验，依据离线检测数据及时对在线监测系统数据的准确性和重复性进行比对分析[7]。

4 结 语

通过对GIS综合在线监测系统的改造，GIS室新增了一套SF6气体微水综合在线监测系统，完善了隔刀、地刀等重要设备的实时在线监测，实现了在线监测SF6气体的微水变化趋势，系统通过通信装置，可将监测数据实时上传至电站监控系统。目前，GIS设备配置有微水综合监测装置、SF6气体泄漏监测报警系统、气体密度继电器等设备，各系统或设备数据相对独立，只能实现监测和报警功能，由于各系统还未实现整合，不能发挥大数据的聚合效应。未来，将通过电站一体化智能管控平台，整合GIS设备相关系统数据，真正实现设备故障的预知预警及专家分析功能。