Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräte sind die am häufigsten verwendeten Schaltanlagen in Umspannwerken. Regelmäßige Inspektion und Wartung sind entscheidend, um den stabilen Betrieb des Stromnetzes sicherzustellen. Allerdings gibt es im Bereich der Umspannwerk-Wartung, insbesondere bei der Wartung von Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräten, zahlreiche Gefahrenstellen (wie Vergiftungen, elektrische Schläge usw.), die die persönliche Sicherheit der Arbeiter ernsthaft bedrohen. Basierend darauf analysiert dieser Artikel die Lage und Sicherheitskontrolltechnologien, um die Sicherheit der Wartungsarbeiten in Umspannwerken zu verbessern und die Unfallrate zu senken.
1 Analyse der Arbeitsprinzipien und Eigenschaften
1.1 Physikalische und chemische Eigenschaften von SF₆-Gas
Das SF₆-Molekül besteht aus einem Schwefelatom und sechs Fluoratomen, mit einem Atomgewicht von 146,06, was 5,135 Mal schwerer als Luft ist. Bei Temperaturen unter 150°C zeigt SF₆-Gas gute chemische Inertie und reagiert nicht chemisch mit gängigen Metallen, Kunststoffen und anderen Materialien in Schaltgeräten. Daher wird es als farbloses, geruchloses, nicht giftiges und transparentes, nicht brennbares Gas angesehen, das im Allgemeinen schwer zu zerlegen ist ( unlöslich in Transformatorenöl und wenig löslich in Wasser). Durch die Öffnen- und Schließenoperationen von Schaltern kommt es jedoch zur partiellen Zersetzung von SF₆-Gas unter dem Einfluss von Entladungen und Bögen, wodurch gasförmige oder pulverförmige Zersetzungsprodukte wie metallische Fluoride, SOF₂, SO₂F₄ usw. entstehen, die äußerst schädlich für den menschlichen Körper sind. Dabei zersetzt sich SF₆-Gas unter dem Einfluss von Bögen (Moleküle mit polyatomarer Struktur zersetzen sich in einzelne Atome oder geladene Teilchen), und die internen Veränderungen erhöhen seine thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten.
1.2 Arbeitsprinzip von Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräten
Das SF₆-Schaltgerät besteht aus drei vertikalen Porzellanisolatoren, jeder mit einer Gasstrahl-Löschkammer. Dieses Design macht das Schaltgerät kompakt, während es über gute Isolations- und Löschleistungen verfügt. Die Gasstrahl-Löschkammer ist das Kernkomponenten des Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräts und wird durch Rohre mit SF₆-Gas gefüllt, die mit den drei Löschkammern verbunden sind. Wenn das Schaltgerät geöffnet wird, trennt sich der steuerbare Kontakt vom festen Kontakt, wodurch ein Bogen erzeugt wird. In diesem Moment wird das SF₆-Gas in der Löschkammer schnell durch die Rohre auf den Bogen geblasen, um dessen Isolations- und Löschleistungen zu nutzen, um den Bogen schnell zu löschen. Darüber hinaus sind die Federeinrichtung und ihre Einzelkastensteuerungssysteme wichtige Komponenten, um die Bewegung der Kontakte des Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräts anzutreiben und zu steuern. Sie bestehen in der Regel aus Federn, Stangen, Übertragungseinrichtungen, Mikroprozessoren oder programmierbaren Logiksteuerungen. Wenn das Schaltgerät geöffnet oder geschlossen werden muss, gibt die Steuereinrichtung eine Anweisung, um die Federeinrichtung zum Handeln zu bewegen und den beweglichen Kontakt entsprechend zu bewegen.
1.3 Leistungseigenschaften von Hochspannungs-SF₆-Schaltgeräten
Im Vergleich zu Luft und Transformatorenöl hat SF₆-Gas die Eigenschaften hoher Isolationsstärke, ausgezeichneter Löschleistung und kleiner Volumina und hat breite Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Hochspannungstechnik.
- Sperrwirkung: Es nutzt die Gasstrahlwirkung optimal aus. Die Löschkammer ist klein, einfach konstruiert, hat eine große Auslöschstromstärke, kurze Bogenzeit, kein Wiederentzünden beim Unterbrechen von kapazitiven oder induktiven Strömen und geringe Überspannung.
- Lange elektrische Lebensdauer: Es kann 19-mal hintereinander bei voller Kapazität von 50 kA unterbrochen werden, mit einem kumulierten Unterbrechungsstrom von 4200 kA, langer Wartungsintervalle und ist für häufige Operationen geeignet.
- Hohe Isolationsstärke: SF₆-Gas kann bei 0,3 MPa verschiedene Isolationsprüfungen mit großem Spielraum bestehen. Nachdem der kumulierte Unterbrechungsstrom 3000 kA erreicht hat, kann jedes Unterbrechungssegment innerhalb von 1 Minute bei 0,3 MPa eine Netzfrequenzspannung von 250 kV aushalten und kann auch noch eine Netzfrequenzspannung von 166,4 kV aushalten, wenn der SF₆-Gasdruck auf Null abgesenkt wird.
- Gute Dichtigkeit: Das Feuchtigkeitsgehalt von SF₆-Gas ist relativ niedrig. Die Löschkammer, Widerstände und Träger können in unabhängige Gaskammern geteilt werden, um Dreck und Feuchtigkeit daran zu hindern, in das Innere des Schaltgeräts einzudringen.
- Niedriger Betriebsverbrauch und sanfte Dämpfung: Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Arbeitszylinder der Einrichtung und dem Löschkontakt beträgt 1:1, und die Einrichtung hat stabile Eigenschaften. Die Stabilität der Mechanikeigenschaften kann 3000-mal (10.000-mal in der Testumgebung) erreichen, und der Betriebslärm liegt unter 90 dB.
2 Analyse der Gefahrenpunkte an Umspannwerk-Wartungsstandorten
2.1 Arten und Eigenschaften der Gefahrenpunkte
Die Gefahrenpunkte an Umspannwerk-Wartungsstandorten umfassen hauptsächlich vier Arten: elektrische Gefahren, mechanische Gefahren, chemische Gefahren und Umweltfaktoren. Diese Gefahrenpunkte können direkt oder indirekt die persönliche Sicherheit der Wartungspersonal bedrohen.
- Elektrische Gefahren: Verursacht durch Beschädigung der Geräteisolierung oder Bedienfehler, hauptsächlich in Form von Hochspannung und Bögen. Da das Schaltgerät während des Betriebs Hochspannung führt und kapazitive und induktive Effekte hat, können selbst im offenen Zustand Restladungen vorhanden sein, was zu Stromschlägen führen kann. Bögen können hohe Temperaturen erzeugen und Brände verursachen.
- Mechanische Gefahren: Die Gefahren stammen hauptsächlich von den mechanischen Komponenten der Ausrüstung. Bei fehlerhafter Bedienung und Wartung kann man durch rotierende oder bewegliche Teile eingeklemmt oder gestoßen werden.
- Chemische Gefahren: SF₆-Gas ist bei Raumtemperatur stabil, beginnt aber unter dem Einfluss von Bögen, Korona usw. zu zersetzen. Das Einatmen des entstehenden Gases kann zu Benommenheit, Lungenödem oder sogar Tod führen.
- Umweltbedingte Gefahren: Wartungsarbeiten bei Wetterbedingungen wie Gewitter und starken Winden erhöhen nicht nur die Schwierigkeit der Wartungsarbeit, sondern bringen auch unkontrollierbare Risiken für das Wartungspersonal mit. Darüber hinaus können Probleme wie schlechte Belüftung und enger Raum in der Wartungsumgebung die Gefahr vor Ort weiter erhöhen.
2.2 Analyse der Ursachen der Gefahrenpunkte
Die Ursachen der Gefahrenpunkte an Umspannwerk-Wartungsstandorten umfassen hauptsächlich gerätebezogene, menschengemachte und umweltbedingte Faktoren. Mit zunehmender Anzahl von Wartungsarbeiten nimmt der Verschleiß der Geräte zu, was zu einem Rückgang der elektrischen Leistung und einer höheren Unfallgefahr führt.
Aufgrund der unterschiedlichen Qualität des Wartungspersonals haben einige von ihnen nicht genug Verständnis für die Gerätestruktur und Arbeitsprinzipien und können während der tatsächlichen Arbeit nachlässig sein. Beispielsweise kann durch mangelnde Aufmerksamkeit Personal versehentlich lebende Teile berühren oder Werkzeuge falsch verwenden, was direkt zu Unfällen führen kann.
Für SF₆-Schaltgeräte stammen die Gefahren hauptsächlich aus ihren chemischen Eigenschaften. Toxische Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen entstehen, können aufgrund umweltbedingter Einschränkungen in Räumen anreichern, was die Gefahr weiter erhöht.
3 Lokalisierung von Gefahrenpunkten und Sicherheitskontrolltechnologien
3.1 Methoden zur Lokalisierung von Gefahrenpunkten
- Faseroptische Sensortechnologie: Faseroptische Sensortechnologie hat exzellente Isolationseigenschaften und elektromagnetische Störungsfestigkeit. Sie kann die strukturelle Integrität und elektrischen Parameter von SF₆-Schaltgeräten effektiv überwachen, Daten in Echtzeit sammeln und analysieren und potenzielle Fehler und Sicherheitsrisiken rechtzeitig erkennen.
- Wireless Sensor Network (WSN): Ein WSN besteht aus einer großen Anzahl von Sensorknoten. Sein Hauptzweck ist die Echtzeitüberwachung von Umweltparametern, Gerätestatus und Standortinformationen des Wartungspersonals. Das Netzwerk hat die Eigenschaften der Selbstorganisation, Selbstanpassung und Störungsresistenz und kann sich an die komplexen und wechselnden Umweltbedingungen vor Ort anpassen, um die Echtzeitüberwachung und -lokalisierung von Gefahrenpunkten zu ermöglichen.
- Maschinelles Sehen und Infrarot-Thermografietechnologie: Maschinelles Sehen kann potenzielle Gefahrenpunkte, wie freiliegende Kabel und beschädigte Geräte, durch Erfassung und Analyse von Ortsszenen identifizieren und lokalisieren; während Infrarot-Thermografietechnologie die Temperaturverteilung der Geräte in Echtzeit überwachen und potenzielle Fehler- und Risikopunkte präzise lokalisieren kann.
3.2 Vorhersagemodell für Gefahrenpunkte basierend auf Datenanalyse
Derzeit sind Intelligenz, Digitalisierung, Automatisierung und Integration die Haupttrends des chinesischen Stromnetzes, und die Anwendung von Künstlicher Intelligenz und Big-Data-Technologien hat diesen Entwicklungsvorgang beschleunigt. Während der Wartung von SF₆-Schaltgeräten wird ein Vorhersagemodell für Gefahrenpunkte basierend auf Datenanalyse erstellt, das hauptsächlich aus vier Schritten besteht: Datensammlung, Datenvorverarbeitung, Feature Engineering und Modelltraining.
- Datensammlung: Erhalten durch verschiedene Sensoren, Betriebsaufzeichnungen von Überwachungsgeräten usw. Um die Genauigkeit des Modells zu verbessern, sollten so viele umfassende Daten wie möglich gesammelt werden.
- Datenvorverarbeitung: Vorverarbeitung der rohen Daten (Ausreißererkennung und -behandlung, Datentransformation usw.) zur Verbesserung der Datenqualität und zur Grundlage für nachfolgendes Feature Engineering und Modelltraining.
- Feature Engineering: Nach Abschluss der Vorverarbeitung müssen nützliche Merkmale für die Vorhersage von Gefahrenpunkten aus einer großen Menge an Daten ausgewählt werden. Diese Merkmale sollten eine gute Diskriminations- und Vorhersagefähigkeit haben, um die Genauigkeit des Modells zu verbessern.
- Modelltraining: Support Vector Machine (SVM) ist eine häufig verwendete Methode zur Klassifikation und Regressionsanalyse. Sie trennt verschiedene Kategorien von Daten, indem sie die optimale Hyperebene findet und die Klassifizierungslücke zwischen den beiden Datentypen maximiert.
3.3 Strategien für Sicherheitskontrolltechnologien
Um die Genauigkeit und Praktikabilität der Lokalisierungstechnologien zu verbessern, sollten Big-Data- und KI-Technologien eingesetzt und maschinelles Lernen angewendet werden, um Gefahrenpunkte an Umspannwerk-Wartungsstandorten intelligent zu identifizieren und vorherzusagen, um dem Wartungspersonal genauere Standortinformationen bereitzustellen und die Unfallgefahr zu reduzieren. An Umspannwerk-Wartungsstandorten sollten Daten verschiedener Sensoren fusioniert werden, um die Genauigkeit der Lokalisierung und des Modells zu verbessern. Durch die Anwendung von Augmented Reality (AR)-Technologie, die virtuelle Informationen mit der realen Welt integriert, können Wartungspersonal die Gerätestruktur besser verstehen und damit das Problem der Bedienfehler lösen. Die beteiligten Parteien sollten die Verwaltung der Wartungsarbeiten vor Ort stärken und strikt die Wartungsprozeduren befolgen (siehe Abbildung 1). Gleichzeitig sollten intelligente tragbare Geräte für Wartungspersonal entwickelt werden, um deren Standortinformationen in Echtzeit zu erhalten und sie in Echtzeit zu überwachen, um die Sicherheit zu gewährleisten.
4 Schlussfolgerung
An Umspannwerk-Wartungsstandorten ist die genaue Identifizierung und Lokalisierung von Gefahrenpunkten der Schlüssel, um die Sicherheit der Wartungsarbeiten an SF₆-Schaltgeräten zu gewährleisten. Durch eine tiefgehende Untersuchung der Arbeitsprinzipien und Eigenschaften von SF₆-Schaltgeräten wurde festgestellt, dass chemische Faktoren die wichtigsten nicht zu vernachlässigenden Gefahrenpunkte während ihres Wartungsprozesses sind. Um Risiken effektiv zu bewältigen, sollten neue Technologien, Konzepte und Methoden zur Vorbeugung eingesetzt werden, um potenzielle Risiken im Voraus vorherzusagen und frühzeitige Warninformationen für das Wartungspersonal bereitzustellen, um einen reibungslosen Ablauf der Wartungsarbeiten sicherzustellen.
