CN102508074A - 金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，步骤为在GIS设备每个气室安装的密度表处，并联接入一只带温度传感器的高精度压力变送器，采集各气室内部SF6气体压力和环境温度；将上述各气室内部SF6气体压力和环境温度值通过无线数据模块传送给内嵌数据分析管理程序的主机；主机对这些数据进行数据存储、计算以及对比分析。依据气压－温度关系式：
。计算得到发热体温度T。将计算得到各气室的内部温度值与对比气室的监测温度值进行比较，当温度值或差值超过预先设定的阈值时，就地装置发出报警，同时通过预留的1～3个手机号码发出相关短信，通知有关人员进行相应处置。本发明方法简单、有效，提高了GIS设备的运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电力工程用金属封闭气体绝缘开关设备（Gas-insulated metal-enclosed switchgear，以下简称GIS）的内部过热故障监测方法。
背景技术
GIS诞生于上世纪70年代，因其具有集成化、小型化、美观化、省力化且故障率低等优点，顺应了变电站无人值守、数字化和智能化的发展趋势，近几年在我国呈迅速发展的态势。我国新投运的数字化变电站和智能变电站，几乎全部使用了GIS。由于GIS电气设备采用全封闭式结构，给内部故障的检测带来很大的困难。而且，GIS一旦发生内部故障，危害后果比分离式敞开设备更严重，故障的修复周期更长。如何对GIS内部故障进行有效监控是目前智能变电站建设所面临的重大课题。
国内目前有通过设备外壳红外热像进行内部热场分布的研究，尚没有对GIS内部过热监测和故障预警的技术方法及装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，以通过测量气室内SF6气体压强而间接计算得到气室内温度值，并通过对比气室来判断是否存在由设备故障而引起的过热。
本发明的目的是这样实现的：一种金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，按以下步骤进行：
a）、在GIS设备现有的每个气室安装的密度表处，并联接入一只带温度传感器的高精度压力变送器，采集GIS设备内部SF6气体压力和该处环境温度；
b）、将上述实时采集的各气室内部SF6气体压力和环境温度值通过无线数据模块传送到主机，主机对这些数据进行数据存储、计算以及对比分析；
c）、依据气压－温度关系式进行计算：
式中：T为发热体的温度，℃；Ta为环境温度，℃；P为SF6气体的压强，MPa；C1，C2，C3和C4为系数，在发热体温度在0℃~500℃之间时，C1=-5410.85；C2=15761.12；C3=-3982.84；C4=-18.67；
d）、将计算得的到各气室的温度值与其对比气室的温度值进行对比分析，以判断是负荷电流引起的温升还是内部故障造成的过热，若某气室的温升等于（“某气室的温升等于其对比气室的温升”其中的“等于”准确说应该是“基本等于”）其对比气室的温升，则判断是由负荷电流引起的温升；若某气室的温升高于其对比气室的温升，则判断是由内部故障造成的过热，主机从而做出是否发出预警或报警信号；上述 对比气室是指相邻安装位置、相同气室压力、相同负荷电流的气室；
e）、若某气室的温升是由负荷电流引起而其温度值超过预警或报警阈值时，或者某气室的温升是由内部故障造成时，主机则发出预警或报警信号；预警信号或报警信号发送方式有就地和远程；远程发送采用手机短信方式，就地发送采用相应接口通过内部局域网发布；
f）、数据存储采用主机内部缓存器存储一个月的采集数据，每一个月数据打包通过U盘或移动硬盘就地读取进行备份，或者通过内部局域网上传，并用于远后台的历史数据分析。
上述高精度压力变送器为0~1MPa量程准确度0.1级的高精度压力变送器；所述无线数据模块型号为APC240。
上述高精度压力变送器型号为D-10。
本发明根据传热学的理论，建立了GIS过热故障状态下的温度分布及其气压响应的数学模型，通过模型分析了GIS过热故障时的温度分布规律和气压变化规律，在此基础上提出了气压对发热部位温度响应的关系式，即气压-温度关系式，结果得到了试验验证。本发明从理论和试验上证实了通过监测SF6气体压强可以实现监测室内GIS内部过热故障，解决了GIS内部过热故障的监测技术难题，为GIS智能化发展提供了一个重要的技术手段。
本发明根据仿真结果，应用于室内GIS忽略风速、日光照射以及发热功率的影响，得到气压－温度之间的关系式如下：
当GIS内部温度达到设定的预警阈值时，过热监测系统发出报警信号。温度的预警阈值是参照GB11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》电气设备温升限值，考虑对不同材料的影响而设定，故对GIS内部过热故障的判别，是依据现行标准、规范的规定。
本方法发明的积极效果是：长期以来,电力系统对运行中的GIS设备内部温度没有任何方法进行测量，其内部由于接触面氧化、紧固松动、圈簧（退火、断裂）压力变化等电气接触不良引起的过热型缺陷故障，一直没有有效地方式进行监测，往往是演变成为了事故后，这些缺陷故障才被暴露出来，由于GIS设备的安装位置均是大城市中心和枢纽变电站等非常重要的地方，所以一旦GIS设备发生事故都会造成非常恶劣的影响。
本方法通过GIS过热故障状态下温度分布和压力分布的研究成果：气压－温度关系式，使GIS设备的气室内部温度异常升高有了监测方法。在《GIS设备内部过热故障监测管理系统》对实时采集的各气室数据计算、比较，判断分析并发出预警或报警后，运行单位采取必要的安全技术措施，对异常间隔进行隔离，以消除设备缺陷故障。本方法适用于电力工程室内安装的GIS，测试器件安装方便、监测方法简单、直观、有效，无需对GIS设备的结构和状态进行任何改动，就能满足电力系统现场对GIS设备的内部过热进行监测和故障预警。提高了GIS设备的运行安全可靠性，最大限度地避免了GIS内部过热给电力系统带来的安全隐患和事故风险。同时SF6气体是温室效应最强的温室气体，GIS设备发生事故往往会造成大量的SF6气体外泄，造成环境污染。所以，无论从“节能减排”保护环境，还是保障供电让民众安居乐业，其社会效益都是巨大的。
附图说明
图1是变送器安装方式。
图2是系统构成框图。
图3是系统监测程序（也叫数据分析管理程序）流程图。
图4是发热体温度（等同设备内SF6气体温度）随时间变化的试验值和仿真值的对比曲线图。
图5是SF6气体压强随时间变化的试验值和仿真值的对比曲线图。
具体实施方式
图1中，GIS本体1、逆止阀2、常规密度表3、带温度传感器的高精度压力变送器4。发热体由绝缘子固定在GIS设备内（一般选在轴心线的中心位置，发热体的温度可视为GIS设备内SF6气体的温度）。
金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测装置及方法，按以下步骤进行：
a）、在GIS设备现有的每个气室安装的密度表处，并联接入一只带温度传感器的高精度压力变送器，采集GIS设备内部SF6气体压力和该处环境温度；
b）、将上述实时采集的压力和温度值通过无线数据模块传送到主机，主机对这些数据进行数据存储、计算以及对比分析；
c）、计算依据我们研究成果的气压－温度关系式：
式中：T为发热体的温度，℃；Ta为环境温度，℃；P为SF6气体的压强，MPa；C1，C2，C3和C4为系数，在发热体温度在0℃~500℃之间时，C1=-5410.85；C2=15761.12；C3=-3982.84；C4=-18.67。进行计算和纵向比较；
d）、将计算得的到各气室的温度值与其对比气室的温度值进行对比分析，以判断是负荷电流引起的温升还是内部故障造成的过热，若某气室的温升等于其对比气室的温升，则判断是由负荷电流引起的温升；若某气室的温升高于其对比气室的温升，则判断是由内部故障造成的过热，主机从而做出是否发出预警或报警信号；上述 对比气室是指相邻安装位置、相同气室压力、相同负荷电流的气室；
e）、若某气室的温升是由负荷电流引起而其温度值超过预警或报警阈值时，或者某气室的温升是由内部故障造成时，主机则发出预警或报警信号；预警信号或报警信号发送方式有就地和远程；远程发送采用手机短信方式，就地发送采用相应接口通过内部局域网发布；
f）、数据存储采用主机内部缓存器存储一个月的采集数据，每一个月数据打包通过U盘或移动硬盘就地读取进行备份，或者通过内部局域网上传，并用于远后台的历史数据分析。
程序处理步骤（参见图3）：
1、首先进行系统初始化，录入变电站与被监测设备的相关信息、短信发送手机号并保存；
2、在相应的界面写入传感器上的相关ID编号，再根据ID编写对应的气室中文名称；
3、填入所选择1～3个对比气室的ID号；
4、设置预警与报警的温度值后，完成监测系统的设置；
5、系统运行采集每个传感器数据并实时计算对应气室的温度值，将该温度值与对比气室温度值进行比较；
6、当某气室满足告警条件时，现场主机发出声光告警与相关短信；
7、现场主机能随时调用温度变化值趋势曲线，按日、月、年时间单位显示。
上述主机系指内嵌系统监测程序的主机。
本方法的主要功能与技术指标：主要功能：采用带温度传感器的高精度压力变送器，对运行中的GIS设备内部SF6气体压力及环境温度进行实时监测，通过《GIS设备内部过热故障监测管理系统》分析其内部是否存在过热缺陷或故障，当温度的达到阈值并确认为异常时发出预警或报警信号，通知运行维护人员进行相应处理。本方法为GIS智能化发展提供了一个重要的技术手段。
技术指标：内部压力测量范围：－0.1～0.9MPa；
内部压力测量精度：0.1%；
环境温度测量范围：－15～250℃；
主机数据接口协议：USB×2、RJ45和RS232。
无线模块名称：
（超低功耗微功率）无线数据模块（深圳市安美通科技有限公司，美国ADI公司授权），型号：APC240。
技术参数：
工作频率：406～410，430～437MHz；
发射功率：10mW(可调)；
通信通道：半双工
调制方式：FSK；
传输率：40Kbps；
无线传输距离：300m(10Kbps开阔可视)。
传感器名称：
压力变送器（德国WIKA公司），型号：D－10。
技术参数：
压力范围：－0.1～0.9MPa；
测量精度：0.1%；
温度范围：－20～80℃；
信号输出：RS232。
Claims (3)
1.一种金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，其特征是，按以下步骤进行：
a）、在GIS设备现有的每个气室安装的密度表处，并联接入一只带温度传感器的高精度压力变送器，采集GIS设备内部SF6气体压力和该处环境温度；
b）、将上述实时采集的各气室内部SF6气体压力和环境温度值通过无线数据模块传送到主机，主机对这些数据进行数据存储、计算以及对比分析；
c）、依据气压－温度关系式进行计算：
式中：T为发热体的温度，℃；Ta为环境温度，℃；P为SF6气体的压强，MPa；C1，C2，C3和C4为系数，在发热体温度在0℃~500℃之间时，C1=-5410.85；C2=15761.12；C3=-3982.84；C4=-18.67；
d）、将计算得的到各气室的温度值与其对比气室的温度值进行对比分析，以判断是负荷电流引起的温升还是内部故障造成的过热，若某气室的温升等于其对比气室的温升，则判断是由负荷电流引起的温升；若某气室的温升高于其对比气室的温升，则判断是由内部故障造成的过热，主机从而做出是否发出预警或报警信号；上述对比气室是指相邻安装位置、相同气室压力、相同负荷电流的气室；
e）、若某气室的温升是由负荷电流引起而其温度值超过预警或报警阈值时，或者某气室的温升是由内部故障造成时，主机则发出预警或报警信号；预警信号或报警信号发送方式有就地和远程；远程发送采用手机短信方式，就地发送采用相应接口通过内部局域网发布；
f）、数据存储采用主机内部缓存器存储一个月的采集数据，每一个月数据打包通过U盘或移动硬盘就地读取进行备份，或者通过内部局域网上传，并用于远后台的历史数据分析。
2.根据权利要求1所述的金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，其特征是，所述高精度压力变送器为0~1MPa量程准确度0.1级的高精度压力变送器；所述无线数据模块型号为APC240。
3.根据权利要求2所述的金属封闭气体绝缘开关设备内部过热故障监测方法，其特征是，所述高精度压力变送器型号为D-10。
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