高壓開關(guān)室內(nèi)SF6氣體濃度在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

周麗榮

【摘要】 SF6 氣體在高壓電力設(shè)備絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，通常是被用作優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)。隨著封閉式組合電器（GIS）設(shè)備的運行，SF6 氣體中的水分含量會增多，而SF6 氣體會在電弧下分解，其分解物遇水會生成具有強腐蝕性的HF 和H2SO3 等，會損壞絕緣件，并降低絕緣件的阻值。這嚴(yán)重影響到GIS 的安全運行，會出現(xiàn)由絕緣性能下降而引起GIS故障的情況，那么在線監(jiān)測GIS 的微水含量就非常重要，可以減少由計劃檢修對GIS 造成的損失，實現(xiàn)對GIS的維修。根據(jù)國家和電力行業(yè)內(nèi)關(guān)于六氟化硫電氣設(shè)備中氣體濕度管理標(biāo)準(zhǔn)，提出一種適合在線監(jiān)測SF6氣體微水含量的方案。

【關(guān)鍵詞】 GIS SF6 氣體 在線監(jiān)測

一、引言

《國家電網(wǎng)安全規(guī)程》規(guī)定SF6監(jiān)測系統(tǒng)是電力開關(guān)室監(jiān)測必需用具，而近些年來供、發(fā)電企業(yè)采用SF6電氣設(shè)備的變電所或配電裝置室數(shù)量巨大，銷售額大約在1.0～2.0億人民幣之間，其市場前景非常廣闊。未來20余年里我國高壓開關(guān)行業(yè)會在較長時間內(nèi)保持20-30%的高速增長。同時順應(yīng)國網(wǎng)公司發(fā)展做強做大的指導(dǎo)思想，GIS設(shè)備相關(guān)監(jiān)測產(chǎn)品在國內(nèi)市場的發(fā)展前景也有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。鑒于GIS設(shè)備具有易于安裝建設(shè)、成套性強、可靠性高、抗嚴(yán)酷環(huán)境、維護量小等優(yōu)點，在濕熱、高海拔、高寒等特殊環(huán)境條件下建高壓、超高壓變電站，GIS設(shè)備將是首選產(chǎn)品。

二、研究背景

高壓開關(guān)設(shè)備中已廣泛使用SF6 氣體，因為其具有理想的絕緣和滅弧性能。但由于SF6氣體制造、安裝等質(zhì)量差異以及材料老化等原因引發(fā)高壓開關(guān)設(shè)備泄漏很常見。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院統(tǒng)計，1990-1997年國內(nèi)高壓開關(guān)設(shè)備共發(fā)生故障1500次，1997-2004年共發(fā)生2412次[1]，SF6氣體發(fā)生泄漏是故障的主要原因之一。高壓開關(guān)設(shè)備一旦發(fā)生SF6氣體泄漏，將給電力設(shè)備的安全運行和室內(nèi)工作人員的安全帶來嚴(yán)重的威脅，因此，實現(xiàn)對開關(guān)室內(nèi)環(huán)境的在線監(jiān)測、實時報警和通風(fēng)控制就很重要[2]。

三、SF6氣體濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)的功能

根據(jù)電力用戶的需求，SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計如下：1、具有實時采集氧氣、溫度、濕度、SF6等數(shù)據(jù)的功能；2、有效延長SF6傳感器的使用壽命；3、氧氣、溫度、濕度、SF6衍生物及SF6等數(shù)據(jù)的實時顯示[3]；4、具有數(shù)據(jù)自動存儲和報警數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢功能；5、具有歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、報警數(shù)據(jù)曲線顯示等功能；6、具有靈活的參數(shù)設(shè)置功能；7、具有聲光雙控報警功能；8、有繼電器輸出，可與現(xiàn)有的消防報警系統(tǒng)連接，提供預(yù)警信號（可擴展）；9、有良好的數(shù)據(jù)傳輸性能和抗干擾性能；10、主機及傳感器具有自檢功能，一旦主機或傳感器發(fā)生故障時應(yīng)能發(fā)出故障報警信號并傳送到集控中心的監(jiān)控計算機上。

3.2系統(tǒng)的設(shè)計方案

由于現(xiàn)場應(yīng)用范圍廣泛且多樣化，SF6使用級聯(lián)方式和分布式監(jiān)控來構(gòu)成在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，第一級的設(shè)計是RTU，第二級是DI和UI，第三級是PC，各級并行工作，相互協(xié)作。整個系統(tǒng)的設(shè)計思路如圖1所示，由數(shù)據(jù)集中器（DI）、現(xiàn)場終端（RTU）、現(xiàn)場顯示控制器（UI）、遠程監(jiān)控中心PC機和通信鏈路五大塊組成。

RTU利用負電暈放電技術(shù)測試SF6氣體濃度，同時檢測O2氣體濃度、SO2氣體濃度、H2S氣體濃度，采集溫度和濕度等與SF6氣體濃度間接相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，在高壓變電站開關(guān)室內(nèi)的監(jiān)測點位上把原始數(shù)據(jù)傳給DI是利用通信鏈路；DI收集各RTU的數(shù)據(jù)，并且對RTU中各傳感器的數(shù)據(jù)進行融合處理和保存，然后再判斷報警與否；UI與DI通過RS- 485總線連接，也方便工作人員實時的進入開關(guān)室前了解情況； PC機對各開關(guān)室實現(xiàn)遠程監(jiān)控，其內(nèi)部安裝了數(shù)據(jù)庫和專用應(yīng)用軟件，與各開關(guān)室通過光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與DI連接。

3.2.1數(shù)據(jù)集中器（DI）

DI的結(jié)構(gòu)組成為：選用具有ARM7內(nèi)核的32位微處理器LPC2292作為控制器；利用實時時鐘SD2200提供精確時間；有兩種通信模式可供選擇： CAN和無線；LPC2292帶有兩個RS-232接口，被用在與UI通信和控制中心的PC機通信中；聲、光報警和風(fēng)機控制由LPC2292的I/O口經(jīng)繼電器隔離實現(xiàn)。

實時性較好的μCOS-II操作系統(tǒng)為DI完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制管理任務(wù)。DI對每個RTU數(shù)據(jù)的處理采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，較好地克服以前利用負電暈放電技術(shù)完成SF6氣體監(jiān)控系統(tǒng)誤報警率高的缺點。

3.2.2現(xiàn)場終端RTU

RTU采用PIC18LF4580 MCU作為主控制器，RTU的ID用8位撥碼開關(guān)設(shè)置，內(nèi)部有SRAM、FLASH、EEROM、CAN總線控制器、10位多通道A/D模塊、PWM定時器、看門狗等資源，這樣設(shè)計可以簡化外圍電路。溫度傳感器直接與MCU的數(shù)字I/O口連接，濕度傳感器、SO2氣體傳感器、O2氣體傳感器、SF6氣體傳感器和H2S氣體傳感器與MCU的A/D口連接是經(jīng)調(diào)理電路后連接的。

在RTU的主程序中，數(shù)字濾波、溫濕度補償技術(shù)、負高壓自適應(yīng)控制和雙傳感器工作方式控制為數(shù)據(jù)采集與處理模塊[4]。為了延長傳感器的使用壽命采用雙傳感器的工作方式控制，也可以提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，也可以改善因傳感器放電特性變差而引起的誤報警的問題，可以提升系統(tǒng)整體指標(biāo)。

3.2.3 現(xiàn)場顯示控制器（UI）

UI的控制核心使用的是有ARM9內(nèi)核的S3C2440，外部擴展512MB NAND FLASH、16MB NOR FLASH和512MB SRAM存儲器；帶有EEPROM和RTC實時時鐘；預(yù)留USB設(shè)備接口和SD卡接口電路；8寸真彩色液晶觸摸屏，用于人機交互；人體接近自動提示功能是通過紅外熱釋傳感器和語音電路完成的。

3.2.4遠程監(jiān)控中心

開發(fā)控制中心SQL數(shù)據(jù)庫和客戶端軟件來實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)提供用戶、DI、RTU等管理功能，實現(xiàn)RTU數(shù)據(jù)的管理、維護和數(shù)據(jù)備份。此系統(tǒng)可以顯示各個監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的圖表、報警日志和終端工作日志等。

四、 結(jié)論

本設(shè)計利用雙SF6傳感器、多種傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)和負高壓自適應(yīng)技術(shù)對以前的監(jiān)測系統(tǒng)進行改進，很好的解決了以往在SF6傳感器壽命和工作穩(wěn)定性上的問題；采用DI與UI分離，應(yīng)用場合變得更靈活，可以達到一個變電站多個開關(guān)室或一個開關(guān)室多個進出口。

參 考 文 獻

[1] 孟忠. SF6開關(guān)室環(huán)境中SF6及氧氣含量在線監(jiān)測的應(yīng)用研究[J]. 華北電力技術(shù)， 2005（增刊）： 1-5.

[2] 田勇. 利用激光成像技術(shù)定位檢測SF6設(shè)備氣體泄漏[J]. 東北電力技術(shù)， 2005（12）： 35-37.

[3]蔡聲鎮(zhèn)， 吳允平， 鄭志遠等. 高壓變電站室內(nèi)分布式SF6監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J]. 儀器儀表學(xué)報， 2006（9）： 1033-1036.

[4]William Stallings. 無線通信與網(wǎng)絡(luò)[M]. 何軍譯. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.