一种功率最优的通用GIS气室微水处理加热装置的制作方法

本发明涉及一种GIS气室微水处理装置，尤其是涉及一种功率最优的通用GIS气室微水处理加热装置。

背景技术：

超高压气体绝缘开关设备(GIS)气室微水来源较多，随着运行时间的增长，容易出现气室微水超标的现象，尤其是内部设备负载的气室如电流互感器、断路器气室等；微水超标降低了气室内部的绝缘强度，SF₆在微水的影响下电解产物腐蚀性较强，对设备损坏性较大。GIS气室微水处理对维护设备安全、保证设备正常运行意义重大。

现有GIS开关设备的加热装置作为开关设备的重要部件，是开关能否正常运行的重要保证。其作用有以下3个方面：1)防止SF₆断路器内的SF₆气体由于低温而发生液化，造成在开关分闸过程中，灭弧室的吹弧压力不够，引起开关不能正常灭弧；2)防止冬季开关操作机构内传动，分、合闸动作和储能电机齿轮等部件加注的润滑油凝固，造成摩擦力增大，影响开关的正确动作；3)防止开关设备内部发生凝露引起放电、闪络事故，以及二次端子锈蚀现象的发生。但是现有加热装置尚无针对GIS气室微水处理的相关设计，且加热效果差，能耗较高，与GIS设备兼容性差，安全性能得不到保障。

GIS设备气室微水超标加热处理是在现有的以循环氮洗为主的检修工艺的基础上，通过加热模块对GIS设备壳体进行局部加热，从而提高GIS气室内部温度，气化设备内壁凝露，析出设备表面材料吸附的水分，提高高纯氮气冲洗干燥过程带走的水分，减少循环氮洗的操作次数，提升现场检修工艺的效率。不同GIS设备的参数规格不同，因而需要设计不同规格的加热装置。加热过程从SF₆气体回收工作开始，到循环氮洗干燥处理结束为止。GIS设备正常工作温度有限制，温度不能过高。设计一款通用性强、简单合理、节能高效、加热功率最优的GIS气室微水处理用壳体外加热装置可明显减少检修时间，缩短设备停电时间，保障电力系统的安全稳定。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功率最优的通用GIS气室微水处理加热装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种功率最优的通用GIS气室微水处理加热装置，该装置包括加热层、保温层和固定层，所述的加热层贴合GIS设备壳体设置，加热层引出电源接线并连接供电电源，所述的保温层包裹在加热层外表面，所述的固定层将加热层和保温层固定在GIS设备壳体上，加热层的加热功率配置为在采用该加热装置进行加热时GIS设备内部部件的正常运行温度不超过设定值时的最大加热功率。

所述的加热层包括多块加热板和保温隔板，所述的加热板的个数根据加热层的加热功率进行配置，所述的加热板均匀分布在GIS设备壳体周围，相邻两块加热板之间嵌入保温隔板进行隔离，每块加热板均引出电源接线并连接供电电源。

所述的加热板和保温隔板均为弧状柔性材料。

所述的固定层为圆柱形半径可调的箍体结构，固定层侧面开口端通过螺丝紧扣部件进行固定。

该装置还包括控制单元和执行单元，所述的控制单元通过执行单元连接所述的加热层，所述的执行单元包括控制该装置工作与否的继电器、对加热装置进行故障切除的熔断器和对加热装置进行加热计时的计时器，进而所述的控制单元包括电源开关、继电器启停开关和加热时间输入按钮。

加热层引出的电源接线连接的供电电源为GIS操作柜中的电源。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明加热装置用作GIS气室微水处理，安装在GIS设备壳体外表面并对GIS设备气室进行加热，可有效提高GIS设备气室气体和内部设备温度，有利于GIS设备内部凝露的气化和表面吸附水分的析出，从而提高一次氮洗的干燥水量，减少循环氮洗干燥的次数，提升现场检修工艺的效率；

(2)本发明加热装置分为三层可拆卸形式，结构简单，安装方便，最里层为加热层，与GIS壳体表面紧密贴合，保证加热的有效性，加热层由保温层进行包裹，保温层减少了加热层的热量流失，提高了加热效率，减少了能源消耗，固定层将加热层和保温层固定在GIS壳体上，通过螺丝紧扣进行固定，保证适当的紧固力度，并对内层装置进行保护，防止雨水和杂物的进入；

(3)GIS设备气室微水析出特性知，温度越高，微水析出速率越大，析出量越多，但是GIS设备内部部件的正常运行温度不能超过设定值，因此本发明对加热层的加热功率进行了优化配置，能够在实现最优加热的情况下不会影响GIS设备的正常运行，且加热功率的配置可以通过加热板的个数进行自行配置，通用性强，适用于GIS断路器、电流互感器、隔离开关等气室设备；

(4)本发明加热层加热板个数可以自行配置，同时相邻的加热板之间通过保温隔板进行隔离，进一步地增强了保温性能；

(5)本发明固定层为圆柱形半径可调的箍体结构，从而可以针对不同设备气室和不同型号设备，均可以进行安装加热，操作简单，便于拆卸和维修，方便运输，不用时可拆分放置；

(6)本发明设置控制单元和执行单元对加热装置进行控制和保护，实现加热装置的可靠控制，同时能够在故障时自动切断，安全性能好；

(7)本发明加热装置供电电源取自GIS操作柜，无需额外电源。

附图说明

图1为本发明通用GIS气室微水处理加热装置的整体结构示意图；

图2为发明通用GIS气室微水处理加热装置的拆分示意图；

图3为实施例中断路器加热功率优化计算结果；

图4为实施例中电流互感器加热功率优化计算结果。

图中，1为加热板，2为电源接线，3为保温隔板，4为保温层，5为固定层，6为螺丝紧扣部件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种功率最优的通用GIS气室微水处理加热装置，该装置包括加热层、保温层4和固定层5，加热层贴合GIS设备壳体设置，加热层引出电源接线2并连接供电电源，保温层4包裹在加热层外表面，固定层5将加热层和保温层4固定在GIS设备壳体上，加热层的加热功率配置为在采用该加热装置进行加热时GIS设备内部部件的正常运行温度不超过设定值时的最大加热功率，本实施例中GIS设备内部部件的正常运行温度设定值为60℃，这里的GIS设备内部部件及GIS设备中包裹的开关设备，如短路器、电流互感器等等。

其中，加热层包括多块加热板1和保温隔板3，加热板1和保温隔板3均为弧状柔性材料，加热板1的个数根据加热层的加热功率进行配置，加热板1均匀分布在GIS设备壳体周围，相邻两块加热板1之间嵌入保温隔板3进行隔离，每块加热板1均引出电源接线2并连接供电电源，加热层引出的电源接线2连接的供电电源为GIS操作柜中的电源。固定层5为圆柱形半径可调的箍体结构，固定层5侧面开口端通过螺丝紧扣部件6进行固定，该实施例中螺丝紧扣部件6包括螺杆和螺母以及对应设置在固定层5侧面开口端的固定孔，所述的螺杆穿过所述的固定孔并通过螺母进行固定，通过改变螺母拧入螺杆的长度来改变圆柱形箍体的半径。

该装置还包括控制单元和执行单元，控制单元通过执行单元连接加热层，执行单元包括控制该装置工作与否的继电器、对加热装置进行故障切除的熔断器和对加热装置进行加热计时的计时器，进而控制单元包括电源开关、继电器启停开关和加热时间输入按钮。

根据GIS设备气室微水析出特性知，温度越高，微水析出速率越大，析出量越多。但是GIS内部设备的正常运行温度不超过60℃，对加热温度做出了限制。通过GIS设备气室微水超标加热处理热流固耦合仿真计算进行优化，通过建立加热情况下的热流固耦合模型，设置加热模块内部发热功率的热源，壳体外部与空气的热对流，加热模块与壳体、壳体与氮气、氮气与内部部件之间的热传导和环境温度等相关条件，基于ANSYS Fluent流体热力学仿真软件，进行GIS设备微水加热处理的解耦计算，其计算数学模型包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程等4个方程构成的封闭方程组。

1)质量守恒方程；根据质量守恒定律，在流动过程中，系统内的总质量保持不变，即质量在系统中体积分的随体导数等于零，写为：

2)动量守恒方程；流场中任意系统的总动量变化率应等于作用于该系统上所有外力的合力：

3)能量守恒方程；根据能量守恒定率，在流动过程中，系统总能量的增量等于外力对系统作的功与外界传进的热量之和，可表达为：

4)状态方程；粘性流体运动的基本变量是速度，压力、温度和密度，因此三个基本方程(连续方程、动量方程和能量方程)不足以建立封闭方程组、需补充状态方程来建立压力、密度和温度之间的关系。通常描述平衡状态流体的物理量是压力体积V和温度T，联系这三个变量之间的关系式称为状态方程，可表示为：

其中：ρ为密度；V为体积；T为温度；t为时间；p为压力；c_p为比热容；λ为流体传热系数；F_i为单位质量在某方向上的质量力；u_i,u_j(i,j＝1,2,3)为速度矢量在x₁、x₂、x₃方向的分量；表示固体由于平移或旋转而引起的对流传热，是由于传导引起的热流；R₀为气体普适常数。四个未知数是v、p、T和F，三个基本方程加上状态方程正好封闭，可以求解。采用分区计算、边界耦合的方法，假定耦合边界上的温度分布，对其中一个区域进行求解，得出耦合边界上的局部热流密度和温度梯度，然后利用上面的式子求解另一个区域，得出耦合边界上的新的温度分布，再以此分布作为前一区域的输入，重复上述计算直到收敛。计算得到了加热作用下GIS设备的整体稳态温升和气密分布。

根据热流固耦合仿真结果，建立加热功率的优化设计实验，加热装置的功率设置为2400、4800、7200、9600W，断路器采用两套加热装置，电流互感器采用一套加热装置，得到在不同加热功率下断路器、电流互感器气室不同结构的温升分布，实验结果如附图3和4所示，图3和图4中横轴加热模块功率即为加热层的功率，纵轴稳态最高温度即在加热层采用对应的加热功率进行加热时GIS设备中各部件的最高温度。为最大提升气室温度且断路器、电流互感器本体设备最高温度不超过60℃，从图3得到断路器单个加热装置最优加热功率7200W，加热层分为三块加热板1，每块2400W，两组加热装置加热，由于绝缘层是电流互感器最外一层，所以选取电流互感器绝缘层温度不超过60℃，从图4可以看出，电流互感器绝缘层温度不超过60℃时，电流互感器单个加热装置最优加热功率4800W，加热层分为两块加热板1，一组加热装置加热，隔离开关同电流互感器。

本实施例中加热层采用弧形可弯曲模块，每块加热板1宽800mm，厚5mm，采用硅橡胶加热板1，每块加热功率2400W，额定电压220V，侧面导出电源接线2端。保温隔板3将加热板1分隔，保温隔板3长度可调，可分别将多块加热板1进行隔离，从而调节GIS壳体加热范围和功率。在保证最高温升不超过GIS设备正常运行温度60℃的条件下，其加热效果经热流固耦合仿真计算得到优化，具体计算结果如图3和图4所示。分析计算结果得到断路器最优功率7200W，在额定压力0.5MPa下，气室氮气密度最高5.64kg/m3，最低4.51kg/m3，靠近加热模块附近的氮气密度较低，远离加热模块的氮气密度较高；断路器本体在加热情况下由于散热条件的局限性，温升最高，可达到59.95℃左右，极大提高了断路器本体表面材料微水的析出。电流互感器、隔离开关加热功率最优4800W，电流互感器气室体积较小，流动范围较窄，氮气密度分布最高5.60kg/m3，最低5.46kg/m3，气密分布变化范围较小；电流互感器气室最高温度57.39℃，为绝缘侧和二次绕组部分，最低温度为母线部分，基本无温升。

保温板将加热板1和保温隔板3包裹并固定，确保加热板1不产生位移，厚度10mm，宽度800mm，目的在于减少热量的散失，提高加热层的加热效果。

固定层5为全包裹带，侧面设置了护板装置，进一步对加热层和保温层4进行保护，防止雨水、杂物进入，固定层5宽度800mm，厚度5mm，连接处采用三个螺丝紧固装置，紧固范围设有裕量，保证加热层与GIS壳体紧密贴合和保温层4的保温效果。

该加热装置通用性强，加热功率最优，加热效果良好，能耗较低，工作稳定，安装拆卸方便，利于GIS设备现场检修工作的展开。