雷刚
国网陕西省电力公司检修公司 陕西西安 710065
摘要：由于SF6气体优良的绝缘和灭弧性能，使得以SF6为灭弧介质的开关具有开断能力强、允许连续开断次数多、适用于频繁操作，无火灾危险、机电磨损小等优点，是一种性能优异的"无维修"开关，但是，在长期的运行中，由于各种原因造成的SF6气体压力降低已成为此类开关最常见问题，SF6压力过低将会严重影响电网安全稳定运行，保证其在额定压力下工作显得尤为重要。本文将针对此类开关结构特点，并结合陕北地区气候特点，分析造成SF6开关气体压力降低的原因，设计一种开关自动补气装置。
关键词：SF6断路器低温自动补气
1.问题的提出
在带电运行状态下为SF6开关补气在过去检修工作中已成为常态。然而根据最新修订的国网十八项反措，为避免补气时可能出现的开关逆止阀失灵而造成的SF6压力急剧下降，引起人身、设备、电网事故，要求补气均在开关停电状态下进行，这就使得开关补气这一过去不停电的简单工作变得复杂起来。补气工作不仅涉及到电网运行方式的改变，还会降低对外供电的可靠性，电压等级越高，其影响越明显。因此，设计一种在线自动补气装置非常必要。
陕北地区近年来由于经济快速发展，对电力的需求也日益增长，目前该地区有14座330kV变电站，冬季常在-15℃左右，该地区的SF6开关经常出现低气压报警，有时甚至接近闭锁压力，同时，这些变电站均处于偏远地区，路途遥远，维护相对缓慢，严重影响了设备运行和对外供电的可靠性。针对SF6开关气压降低的原因，将做以下分析。
2.原因分析
造成SF6开关气压降低的原因一般有以下3种：
（1）开关本体非正常漏气
包括：①瓷套与法兰胶合处胶合不良；
②瓷套的胶垫连接处胶垫老化或位置未放正；
③滑动密封处密封圈损伤或滑动杆光洁度不够；
④管接头处及自封阀处固定不紧或有杂物；
（2）开关本体正常漏气
在满足一定密封程度的前提下，兼顾经济上的合理性，通常允许设备保持一定的漏气率，即允许气体通过密封面和橡胶圈轻微渗漏。一般认为，设备每年的漏气率控制在气体总重量的1~3%以下是合格的，根据《电气装置安装工程设备交接试验标准》规定，SF6开关的年漏气率允许值为1%。由此可见，这种缓慢漏气是不可避免的。
（3）严寒天气导致的SF6气体遇冷液化
通过查阅15个330kV变电站的检修记录发现，第（1）种原因出现的概率相对较小，第（2）种原因在正常情况下其影响可以忽略，两者引起的低气压故障不足1%，第（3）种原因才是造成SF6开关气体压力降低的主要原因。
以下将针对第（3）种原因进行分析并提出解决方案。
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2.1严寒天气导致的SF6气体遇冷液化而导致压力降低分析
随着温度的降低，开关灭弧室内气体会逐渐由气态向液态转化，使得灭弧室内SF6压力进一步降低，由于陕北年最低温度平均值约为-15℃，年最高温度平均值约为25℃，所以当环境温度（近似于灭弧室内SF6气体温度）由25℃变至-15℃时，可通过玻-马气体方程对-15℃时的SF6气体压力P2进行计算，
P1V1/T1=P2V2/T2
P1：原气体压力（Mpa）；P2：变化后的气体压力；（Mpa）
V1：原气体体积（L）；V2：变化后的气体体积（L）；
T1：原气体温度（热力学温度，K）；T2：变化后的气体温度（热力学温度，K）；
由于灭弧室大小不变，故体积不变，即V1=V2，SF6气体压力将随着温度的变化而变化，针对陕北地区常用的LW25-126开关和LW13-363开关，其SF6额定压力为0.5MPa，闭锁压力为0.43Mpa，可计算出以上两种类型开关SF6气体压力的变化值，将上述参数代入式中得：
0.5Mpa×(273℃-15℃)/P2×(273℃+25℃)
P2=0.440Mpa
由此可见，当环境温度（近似于灭弧室内SF6气体温度）由25℃变至-15℃时，SF6气体压力由0.5MPa变至0.433MPa，已经达到闭锁压力0.43MPa了，急需补气。当温度持续下降至-30℃时，SF6气体会转化成液态，补气已不能完全起效，还要进一步采取加热措施。否则当此时线路出现故障时，开关因SF6低气压闭锁而不能动作，就会加剧线路故障的危害，使保护越级动作，扩大停电范围。
3.设计方案
通过以上分析可以看到，设计的开关在线自动补气装置需要满足以下要求：
（1）能够在开关带电运行状态下，根据SF6气压高低自主判断是否需要对开关进行补气；
（2）能够根据环境温度自主判断是否加热开关内的SF6，防止其液化；
3.1硬件设计
根据上述两种开关结构，设计了由AT89C51单片机、DS18B20温度控制器、固态继电器SSR及2位2通电磁阀为核心构成的开关在线自动补气装置，所选器件均满足工业级标准，并适合严寒环境。采用软件看门狗技术，确保开关在线自动补气装置在强电磁干扰环境能够长时间稳定地正常运行。操作简单，程序编写时根据开关的低气压报警值设定电磁阀开启、关闭值，所有设定参数掉电后均不会丢失。具有动作可靠、反应迅速、抗干扰能力强的特点。
3.2控制回路主要模块
3.2.1SF6低气压报警监测模块
（1）当SF6气压降至报警值0.43Mpa时，该常开接点闭合，处理器检测会到低电平，并发指令给固态继电器SSR2，通过它开启电磁阀，对开关充气；
（2）当SF6气压升至0.5Mpa时，该常开接点将由闭合转为断开，处理器检测会检测到到高电平，并发指令给固态继电器SSR2，通过它关闭电磁阀，停止对开关充气。
3.2.2温度采集模块
在该模块中，采用两个温度传感器DS18B20。
（1）1#温度传感器放在开关机构箱内，将检测到的箱内温度传输给处理器AT89C51，让其判断是否需要开启1#伴热带，对开关SF6管路（针对110kV开关）或罐体（针对330kV开关）进行加热。
（2）2#温度传感器附着在SF6气瓶上，用来检测气瓶温度，将检测到的气瓶温度传输给处理器AT89C51，让其判断是否需要开启或关闭2#伴热带，这样既能防止SF6气瓶因温度过低而压力不足，又能防止气瓶过热而发生危险。
3.2.3继电器控制模块
该回路采用随机导通型固态继电器与AT89C51芯片配合，实现电磁阀的开启和关闭，以及伴热带的投入和退出。
随机导通型固态继电器特点：
(1)驱动电流小,仅几毫安,与TTL、CMOS等数字电路兼容;
(2)无触点,无火花干扰,寿命长,耐腐蚀;
(3)能承受的浪涌电流大,一般为额定值的6～12倍；
(4)抗干扰性强、编程简单、系统兼容性好;
4程序设计
主程序完成处理器初始化、其它外设初始化、低气压报警监测、温度监测、读取端口参数及低气压报警处理，并设有“看门狗”程序，解决了因强磁干扰引起的程序跑飞现象。
5评述
该装置结构简单，紧凑，便于携带、安装，制造成本低廉，适合冬季严寒的偏远地区变电站，避免了维修人员的路途跋涉，极大地节约了补气成本。同时，SF6气瓶受热均匀，并有温控设计，不会发生爆炸，同时可以保证严寒天气下开关内SF6的气体状态，避免了极端天气对开关可靠运行的不良影响。可以想象，随着坚强智能电网的稳步推进，各类SF6设备的不断投入，该装置将具有更广阔的应用空间。
参考文献：
[1]气体绝缘电缆在电力系统的应用和发展[J].胡邦基.华北电力技术.1994(12)
论文作者:雷刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/21
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