Высоковольтные выключатели SF₆ являются наиболее широко используемым коммутационным оборудованием в подстанциях. Регулярная проверка и обслуживание этих устройств критически важны для обеспечения стабильной работы энергосистемы. Однако в области технического обслуживания подстанций, особенно при ремонте высоковольтных выключателей SF₆, существует множество опасных точек (например, отравление, поражение электрическим током и т.д.), которые серьезно угрожают безопасности персонала. На основе этого данная статья анализирует проблему с точки зрения расположения и технологий контроля безопасности, стремясь повысить безопасность операций по техническому обслуживанию подстанций и снизить уровень аварийности.
1 Анализ принципов работы и характеристик
1.1 Физико-химические свойства газа SF₆
Молекула SF₆ состоит из одного атома серы и шести атомов фтора, с молекулярным весом 146,06, что в 5,135 раза тяжелее воздуха. При температуре ниже 150°C газ SF₆ обладает хорошей химической инертностью и не вступает в химические реакции с обычными металлами, пластиками и другими материалами, используемыми в выключателях. Поэтому он считается бесцветным, безвкусным, нетоксичным и прозрачным негорючим газом, который обычно трудно разлагается (нерастворим в масле трансформатора и слаборастворим в воде). Однако при операциях включения и отключения выключателей, под воздействием разрядов и дуг, газ SF₆ частично разлагается, образуя продукты разложения в виде газов или пыли, таких как металлофториды, SOF₂, SO₂F₄ и т.д., которые крайне вредны для человеческого организма. В частности, при воздействии дуги (при распаде молекул с полиядерной структурой на атомы или заряженные частицы) внутренние изменения усиливают теплопроводность и электропроводность газа.
1.2 Принцип работы высоковольтных выключателей SF₆
Выключатель SF₆ состоит из трех вертикальных фарфоровых изоляторов, каждый из которых имеет камеру дугогашения с продувкой газом. Такая конструкция делает выключатель компактным, при этом обеспечивая хорошую изоляцию и дугогасящие свойства. Камера дугогашения с продувкой газом является ключевым элементом высоковольтного выключателя SF₆ и заполняется газом SF₆ через трубопроводы, соединенные с тремя камерами дугогашения. Когда выключатель открывается, управляемый контакт отделяется от неподвижного контакта, создавая дугу. В этот момент газ SF₆ в камере дугогашения быстро продувается через трубопроводы к дуге, используя изоляционные и дугогасящие свойства газа для быстрого погашения дуги. Кроме того, пружинный механизм управления и его однокорпусное оборудование управления являются ключевыми компонентами для привода и управления движением контактов высоковольтного выключателя SF₆. Обычно они состоят из пружин, штоков, передаточных механизмов, микропроцессоров или программируемых логических контроллеров. Когда требуется открыть или закрыть выключатель, оборудование управления выдает команду, чтобы пружинный механизм действовал и перемещал подвижный контакт соответствующим образом.
1.3 Характеристики производительности высоковольтных выключателей SF₆
По сравнению с воздухом и маслом трансформатора, газ SF₆ обладает высокой изоляционной прочностью, отличными дугогасящими свойствами и малым объемом, что делает его перспективным для применения в высоковольтном электроэнергетическом секторе.
- Эффект блокировки: полностью используется эффект продувки дуги потоком газа. Камера дугогашения имеет небольшие размеры, простую конструкцию, способна прерывать большие токи, время горения дуги короткое, нет повторного зажигания при прерывании емкостных или индуктивных токов, и уровень перенапряжения низкий.
- Долгий электрический срок службы: может непрерывно прерывать 19 раз при полной мощности 50 кА, суммарный ток прерывания составляет 4200 кА, длительный цикл обслуживания, подходит для часто используемых сценариев.
- Высокая изоляционная прочность: газ SF₆ может проходить различные испытания на изоляцию с большим запасом при давлении 0,3 МПа. После достижения суммарного тока прерывания 3000 кА каждое место прерывания может выдерживать сетевое напряжение 250 кВ в течение 1 минуты при давлении 0,3 МПа, и все еще может выдерживать сетевое напряжение 166,4 кВ, когда давление газа SF₆ снижено до нуля.
- Хорошая герметичность: содержание воды в газе SF₆ относительно низкое. Камеры дугогашения, резисторы и опоры могут быть разделены на независимые газовые отсеки, чтобы предотвратить попадание грязи и влаги внутрь выключателя.
- Низкая потребляемая мощность и плавное демпфирование: передаточное отношение между рабочим цилиндром механизма и дугогасящим контактом составляет 1:1, и механизм обладает стабильными характеристиками. Стабильность характеристик механизма может достигать 3000 циклов (10000 циклов в условиях испытаний), а уровень шума при работе менее 90 дБ.
2 Анализ опасных точек на местах технического обслуживания подстанций
2.1 Типы и характеристики опасных точек
Опасные точки на местах технического обслуживания подстанций в основном включают четыре типа: электрические опасности, механические опасности, химические опасности и факторы окружающей среды. Эти опасные точки могут прямо или косвенно угрожать личной безопасности ремонтного персонала.
- Электрические опасности: вызваны повреждением изоляции оборудования или ошибками в эксплуатации, главным образом проявляются в виде высокого напряжения и дуг. Поскольку выключатель работает под высоким напряжением и имеет емкостные и индуктивные эффекты, остаточные заряды могут сохраняться даже в отключенном состоянии, что может привести к поражению электрическим током. Дуги могут вызвать высокие температуры и возгорание.
- Механические опасности: опасности в основном исходят от механических компонентов оборудования. Если оборудование не используется и не обслуживается правильно, можно получить травмы, защемления или удары от вращающихся или движущихся частей.
- Химические опасности: газ SF₆ стабилен при комнатной температуре, но начинает разлагаться под воздействием дуг, коронного разряда и т.д. Вдыхание образующегося газа может вызвать головокружение, отек легких или даже смерть.
- Опасности окружающей среды: выполнение технического обслуживания в условиях погоды, такой как грозы и сильный ветер, не только увеличивает сложность работ, но и создает непредсказуемые риски для ремонтного персонала. Кроме того, проблемы, такие как плохая вентиляция и ограниченное пространство в условиях технического обслуживания, также могут увеличивать опасность на месте проведения работ.
2.2 Анализ причин возникновения опасных точек
Причины возникновения опасных точек на местах технического обслуживания подстанций включают оборудование, человеческий фактор и факторы окружающей среды. С увеличением количества операций по техническому обслуживанию степень износа оборудования возрастает, что приводит к снижению электрических характеристик и увеличению риска аварий.
Из-за неравномерного качества подготовки ремонтного персонала некоторые из них недостаточно хорошо понимают структуру и принципы работы оборудования, и могут допускать небрежность при фактическом выполнении операций. Например, из-за недостаточной бдительности персонал может случайно коснуться живых частей или неправильно использовать инструменты, что может непосредственно вызвать аварии.
Для выключателей SF₆ основные опасности связаны с их химическими свойствами. Токсичные вещества, образующиеся в определенных условиях, могут накапливаться в помещениях из-за ограничений окружающей среды, что еще больше увеличивает уровень опасности.
3 Методы определения местоположения опасных точек и технологии контроля безопасности
3.1 Методы определения местоположения опасных точек
- Технология оптоволоконных датчиков: технология оптоволоконных датчиков обладает отличными изоляционными свойствами и устойчивостью к электромагнитным помехам. Она может эффективно мониторить состояние здоровья структуры и электрические параметры выключателей SF₆, собирать и анализировать данные в реальном времени, а также своевременно обнаруживать потенциальные неисправности и опасности.
- Беспроводные сети датчиков: беспроводная сеть датчиков состоит из большого числа датчиков. Ее основная цель - мониторинг параметров окружающей среды, состояния оборудования и информации о местоположении ремонтного персонала в реальном времени. Сеть обладает характеристиками самоорганизации, самонастройки и устойчивости к помехам, и может адаптироваться к сложным и изменяющимся условиям на месте, обеспечивая реальное мониторинг и определение местоположения опасных точек.
- Технологии машинного зрения и инфракрасного термографирования: технологии машинного зрения могут идентифицировать и локализовать потенциальные опасные точки, такие как открытые кабели и поврежденное оборудование, путем захвата и анализа изображений на месте; в то время как технологии инфракрасного термографирования могут в реальном времени мониторить распределение температуры оборудования и точно определять места неисправностей и потенциальных рисков.
3.2 Модель прогнозирования опасных точек на основе анализа данных
В настоящее время интеллектуализация, цифровизация, автоматизация и интеграция являются основными трендами развития энергосистемы Китая, и применение технологий искусственного интеллекта и больших данных ускорило этот процесс. Во время технического обслуживания выключателей SF₆ создается модель прогнозирования опасных точек на основе анализа данных, которая включает четыре этапа: сбор данных, предварительная обработка данных, инженерия признаков и обучение модели.
- Сбор данных: данные собираются с помощью различных датчиков, записей операций мониторингового оборудования и т.д. Для повышения точности модели следует собирать как можно больше комплексных данных.
- Предварительная обработка данных: исходные данные предварительно обрабатываются (обнаружение и обработка выбросов, преобразование данных и т.д.) для улучшения качества данных и создания основы для последующей инженерии признаков и обучения модели.
- Инженерия признаков: после завершения предварительной обработки необходимо выбрать полезные признаки для прогнозирования опасных точек из большого объема данных. Эти признаки должны обладать хорошей дискриминационной и прогностической способностью, чтобы улучшить точность модели.
- Обучение модели: SVM (метод опорных векторов) - это широко используемый метод классификации и регрессионного анализа. Он разделяет данные разных категорий, находя оптимальную гиперплоскость, максимизируя интервал между двумя типами данных.
3.3 Стратегии технологий контроля безопасности
Для повышения точности и практической применимости технологий определения местоположения следует использовать большие данные и технологии искусственного интеллекта, применяя алгоритмы машинного обучения для интеллектуальной идентификации и прогнозирования опасных точек на местах технического обслуживания подстанций, предоставляя более точную информацию о местоположении для ремонтного персонала и снижая риск аварий. На местах технического обслуживания подстанций следует объединять данные с различных датчиков, чтобы улучшить точность определения местоположения и точность модели. Применение технологии дополненной реальности (AR), которая интегрирует виртуальную информацию с реальным миром, может помочь ремонтному персоналу лучше понять структуру оборудования, таким образом решая проблему ошибок в эксплуатации. Соответствующие стороны должны усилить управление работами по техническому обслуживанию на месте и строго следовать процедурам эксплуатации (см. рисунок 1). Одновременно следует разрабатывать интеллектуальные носимые устройства для ремонтного персонала, чтобы получать информацию о их местоположении в реальном времени и осуществлять мониторинг в реальном времени, обеспечивая безопасность.
4 Заключение
На местах технического обслуживания подстанций точное определение и локализация опасных точек являются ключевыми для обеспечения безопасности при техническом обслуживании выключателей SF₆. Благодаря глубокому исследованию принципов работы и характеристик выключателей SF₆ было установлено, что химические факторы являются основными значимыми опасными точками в процессе их обслуживания. Для эффективного противодействия рискам следует использовать новые технологии, концепции и методы для предупреждения событий, предсказывая потенциальные риски заранее и предоставляя раннее предупреждение для ремонтного персонала, чтобы гарантировать успешное выполнение операций по техническому обслуживанию.
