Vysokonapěťové obvody s přerušovači SF₆ jsou nejrozšířenějším typem vypínače používaným v elektrárnách. Pravidelná inspekce a údržba těchto přerušovačů je klíčová pro zajištění stabilního chodu elektrického systému. V oblasti údržby elektráren, zejména při údržbě vysokonapěťových přerušovačů SF₆, existuje mnoho ohrožujících faktorů (jako je otrava, elektrický šok atd.), které vážně hrozí bezpečnosti pracovníků. Na základě tohoto článku analyzuje problém z hlediska polohy a technologií pro řízení bezpečnosti, s cílem zlepšit bezpečnost údržbových operací v elektrárnách a snížit míru nehod.
1 Analýza principu fungování a charakteristik
1.1 Fyzikální a chemické vlastnosti plynu SF₆
Molekula SF₆ se skládá z jednoho atomu síry a šesti atomů fluoru, s atomovou hmotností 146,06, což je 5,135 krát těžší než vzduch. Při teplotách pod 150°C má plyn SF₆ dobré chemické inertní vlastnosti a nereaguje chemicky s běžnými kovy, plastem a jinými materiály používanými v přerušovačích. Proto je považován za bezbarvý, bezzáporný, netoxický a průhledný nespálitelný plyn, který je obecně obtížně rozložitelný (nerozpustný v transformátorovém oleji a malo rozpustný ve vodě). Nicméně, při otevírání a zavírání spínačů dochází k částečnému rozkladu plynu SF₆ pod vlivem výboje a oblouku, vytvářejícího rozkladové produkty v plynné nebo práškové formě, jako jsou kovové fluoridy, SOF₂, SO₂F₄ atd., které jsou velmi škodlivé pro lidské zdraví. Mezi nimi se plyn SF₆ rozkládá a disociuje pod vlivem oblouku (molekuly s víceatomovou strukturou se rozpadají na jednotlivé atomy nebo nabité částice), což zvyšuje jeho tepelnou a elektrickou vodivost.
1.2 Princip fungování vysokonapěťových přerušovačů SF₆
Přerušovač SF₆ se skládá ze tří svislých porcelánových izolačních jednotek, každá s výfukovou komorou pro uhašení oblouku. Tento design umožňuje kompaktní konstrukci přerušovače, přičemž má dobré izolační a uhašovací vlastnosti. Výfuková komora pro uhašení oblouku je klíčovou součástí vysokonapěťového přerušovače SF₆ a je naplněna plynem SF₆ prostřednictvím potrubí spojujících tři komory pro uhašení oblouku. Když je přerušovač otevřen, oddělí se kontaktní plocha od pevného kontaktu, vytvářející oblouk. V této chvíli plyn SF₆ v komoře pro uhašení oblouku rychle proudí směrem k oblouku, využívaje izolační a uhašovací vlastnosti plynu k rychlému uhašení oblouku. Kromě toho jsou pružinové mechanismy a jejich jednotkové řídící zařízení klíčovými komponentami pro pohon a kontrolu pohybu kontaktů vysokonapěťového přerušovače SF₆. Obvykle se skládají z pružin, spojovacích tyčí, přenosových mechanismů, mikroprocesorů nebo programovatelných logických kontrolérů. Když je třeba přerušovač otevřít nebo zavřít, řídící zařízení vydá příkaz, aby pružinový mechanismus působil a pohnul pohyblivým kontaktem odpovídajícím způsobem.
1.3 Výkonnostní charakteristiky vysokonapěťových přerušovačů SF₆
V porovnání s vzduchem a transformátorovým olejem má plyn SF₆ výkonnostní charakteristiky, jako jsou vysoká izolační síla, vynikající schopnost uhašovat oblouky a malý objem, což mu dává široké uplatnění v oblasti vysokého napětí.
- Zabrzdění: Plně využívá efekt výfuku plynu. Komora pro uhašení oblouku má malé rozměry, jednoduchou konstrukci, velkou kapacitu pro uhašení proudu, krátkou dobu hoření oblouku, žádné znovu zapalování při uhašování kapacitního nebo induktivního proudu a nízké přepětí.
- Dlouhý elektrotechnický život: Může nepřetržitě uhasit 19krát plnou kapacitu 50kA, s celkovým uhašením proudu 4200kA, dlouhou dobou mezi údržbami a je vhodný pro často provozované scénáře.
- Vysoká izolační síla: Plyn SF₆ může projít různými izolačními testy s velkým zásobníkem při 0,3MPa. Po dosažení celkového uhašeného proudu 3000kA může každé místo uhašení vydržet sílu střídavého napětí 250kV po dobu 1 minuty při 0,3MPa a stále může vydržet sílu střídavého napětí 166,4kV, když je tlak plynu SF₆ snížen na nulový manometrický tlak.
- Dobrá uzavřenost: Obsah vody v plynu SF₆ je relativně nízký. Komora pro uhašení oblouku, odporové členy a nosné prvky mohou být rozděleny do samostatných plynových komor, aby se zabránilo vniknutí špíny a vlhkosti dovnitř přerušovače.
- Nízký výkon a hladké tlumení: Poměr mezi pracovní válcem mechanismu a kontaktem pro uhašení oblouku je 1:1 a mechanismus má stabilní vlastnosti. Stabilita vlastností mechanismu může dosáhnout 3000 cyklů (10000 cyklů v testovacím prostředí) a hlučnost provozu je nižší než 90dB.
2 Analýza ohrožujících faktorů na místech údržby elektráren
2.1 Typy a charakteristiky ohrožujících faktorů
Ohrožující faktory na místech údržby elektráren se dělí do čtyř hlavních kategorií: elektrické ohrožení, mechanické ohrožení, chemické ohrožení a environmentální faktory. Tyto ohrožující faktory mohou přímo nebo nepřímo ohrozit osobní bezpečnost údržbářů.
- Elektrické ohrožení: Způsobené poškozením izolace zařízení nebo operačními chybami, především se projevují vysokým napětím a oblouky. Protože přerušovač nese vysoké napětí během provozu a má kapacitní a induktivní efekty, mohou i v otevřeném stavu zůstat reziduální náboje, což může vést k elektrickému šoku. Oblouky mohou vyvolat vysoké teploty a způsobit požár.
- Mechanické ohrožení: Ohrožení přichází především z mechanických částí zařízení. Pokud nejsou správně obsluhovány a udržovány, mohou být osoby stlačeny nebo udeřeny otáčejícími se nebo pohybujícími se částmi.
- Chemické ohrožení: Plyn SF₆ je stabilní při pokojové teplotě, ale začíná se rozkládat pod vlivem oblouku, koruny atd. Vdechnutí vzniklých plynů může způsobit závratě, plicní edém nebo dokonce smrt.
- Environmentální ohrožení: Provádění údržby za počasí jako bouře a silné větry nejen zvyšuje obtížnost údržbové práce, ale také přináší nekontrolovatelná rizika pro údržbáře. Kromě toho, problémy jako špatná ventilace a malý prostor v prostředí údržby mohou také zvýšit nebezpečí při práci na místě.
2.2 Analýza příčin ohrožujících faktorů
Příčiny ohrožujících faktorů na místech údržby elektráren zahrnují faktory související s zařízením, lidmi a prostředím. S nárůstem počtu údržbových operací se stupňuje opotřebení zařízení, což vede ke snížení elektrotechnických vlastností a vyššímu riziku vzniku nehod.
Kvalita údržbářů je nerovnoměrná, někteří z nich nemají dostatečné pochopení struktury a principů fungování zařízení a mohou být nedbalí během skutečných operací. Například kvůli nedostatečnému bdělosti mohou osoby náhodně dotknout živé části nebo nevhodně použít nástroje, což může přímo vyvolat bezpečnostní incidenty.
U přerušovačů SF₆ jsou ohrožující faktory hlavně způsobeny jejich chemickými vlastnostmi. Látka toxická pod specifickými podmínkami může v důsledku omezení prostředí akumulovat uvnitř budov, což dále zvyšuje stupeň nebezpečí.
3 Lokalizace ohrožujících faktorů a technologie pro řízení bezpečnosti
3.1 Metody lokalizace ohrožujících faktorů
- Technologie senzorů na optických vláknech: Technologie senzorů na optických vláknech má vynikající izolační vlastnosti a odolnost proti elektromagnetickému rušení. Může efektivně monitorovat strukturní zdraví a elektrické parametry přerušovačů SF₆, shromažďovat a analyzovat data v reálném čase a včas detekovat potenciální poruchy a bezpečnostní rizika.
- Bezdrátové senzorové sítě: Bezdrátová senzorová síť se skládá z velkého množství senzorových uzlů. Její hlavním cílem je monitorovat v reálném čase environmentální parametry, stav zařízení a informace o poloze údržbářů. Síť má vlastnosti samoorganizace, samoadaptace a odolnosti proti rušení a může se adaptovat na složité a proměnlivé podmínky na místě, realizující reálné časové monitorování a lokalizaci ohrožujících faktorů.
- Počítačové vidění a infračervená termografie: Počítačové vidění může identifikovat a lokalizovat potenciální ohrožující faktory, jako jsou expozované kabely a poškozené zařízení, zachycováním a analýzou obrazů na místě; zatímco infračervená termografie může v reálném čase sledovat distribuci teploty zařízení a přesně lokalizovat body poruch a potenciální rizikové body.
3.2 Prediktivní model ohrožujících faktorů založený na analýze dat
V současné době jsou inteligence, digitalizace, automatizace a integrace hlavními trendy v čínské elektrizační síti, a aplikace umělé inteligence a technologií big data zrychlila tento vývojový proces. Během údržby přerušovačů SF₆ byl vytvořen prediktivní model ohrožujících faktorů založený na analýze dat, který zahrnuje čtyři hlavní kroky: sběr dat, předzpracování dat, inženýrství funkcí a trénink modelu.
- Sběr dat: Získává se prostřednictvím různých senzorů, záznamů o provozu monitorovacího zařízení atd. Pro zlepšení přesnosti modelu by měla být shromážděna co nejvíce komplexních dat.
- Předzpracování dat: Původní data jsou předzpracována (detekce a zpracování odlehlých hodnot, transformace dat atd.) pro zlepšení kvality dat a založení základu pro následné inženýrství funkcí a trénink modelu.
- Inženýrství funkcí: Po dokončení předzpracování je třeba vybrat užitečné funkce pro predikci ohrožujících faktorů z velkého množství dat. Tyto funkce by měly mít dobré diskriminační a prediktivní schopnosti pro zlepšení přesnosti modelu.
- Trénink modelu: SVM (Support Vector Machine) je běžně používaná metoda pro klasifikaci a regresní analýzu. Odděluje různé kategorie dat nalezením optimální hyperroviny, maximalizující mez mezi dvěma typy dat.
3.3 Strategie technologií pro řízení bezpečnosti
Pro zlepšení přesnosti a praktickosti lokálních technologií by měly být využity technologie big data a umělé inteligence, a algoritmy strojového učení by měly být použity k inteligentní identifikaci a predikci ohrožujících faktorů na místech údržby elektráren, poskytujíce údržbářům přesnější informace o poloze a snižují riziko vzniku nehod. V místech údržby elektráren by měla být fúzována data z různých senzorů pro zlepšení přesnosti lokálních technologií a přesnosti modelu. Aplikace rozšířené reality (AR), která integruje virtuální informace s reálným světem, může pomoci údržbářům lépe porozumět struktuře zařízení a tak řešit problémy s operačními chybami. Relevantní strany by měly zesílit správu údržbových prací na místě a striktně dodržovat postupy pro údržbu (viz obrázek 1). Zároveň by měly být vyvinuty inteligentní nositelné zařízení pro údržbáře, která jim umožní získat informace o jejich poloze v reálném čase a sledovat je v reálném čase, aby zajistily bezpečnost.
4 Závěr
Na místech údržby elektráren je klíčové přesně identifikovat a lokalizovat ohrožující faktory pro zajištění bezpečnosti míst údržby přerušovačů SF₆. Prohloubeným výzkumem principů fungování a charakteristik přerušovačů SF₆ bylo zjištěno, že chemické faktory jsou hlavními nenegligovatelnými ohrožujícími faktory během jejich údržby. Pro efektivní řešení rizik by měly být využity nové technologie, koncepty a metody pro preventivní opatření před událostí, předpovídání potenciálních rizik a poskytování varovných informací údržbářům, aby byl zajištěn hladký průběh údržbových operací.
