牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李彥吉， 齊利軍

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 石家莊供電段， 石家莊 050000)

京廣高速鐵路采用了許多新技術(shù)、新工藝，但是在牽引供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，由于缺少必要的監(jiān)測手段，不能掌握運(yùn)行檢修人員工作環(huán)境的實(shí)時狀態(tài)、遠(yuǎn)程監(jiān)控關(guān)鍵項(xiàng)目偏少、現(xiàn)場實(shí)用性不足，不能滿足鐵路總公司、北京局集團(tuán)公司規(guī)程的有關(guān)要求，存在安全隱患。

1 運(yùn)行中存在的問題

1.1 存在誤入禁入系統(tǒng)的危險

現(xiàn)階段牽引變電所(含分區(qū)所、開閉所、AT所)均采用了HFC-227ea(七氟丙烷)自動滅火系統(tǒng)。這是一種以化學(xué)滅火為主、兼有物理滅火作用的潔凈氣體滅火系統(tǒng)。其主要原理是當(dāng)火警發(fā)生時，七氟丙烷從罐的出氣口排出、迅速把火警發(fā)生場所的氧氣排走并冷卻火警發(fā)生處，從而達(dá)到滅火的目的。即系統(tǒng)噴發(fā)時、如若周圍有人意外闖入、將會窒息或者凍傷。

2015年9月23日北陽村AT所的自動滅火系統(tǒng)就出現(xiàn)了誤動作問題，供電調(diào)度通知調(diào)度臺顯示有煙感動作信號，要求邢臺東網(wǎng)電運(yùn)行工區(qū)進(jìn)行巡視。此過程存在極大的安全風(fēng)險，倘若控制室內(nèi)O2含量不達(dá)標(biāo)或者在七氟丙烷噴發(fā)過程中意外進(jìn)入、將造成人員的人身傷害。

1.2 SF6配電裝置低位區(qū)的電纜夾層巡視檢修危及人身安全

牽引變電所2×27.5 kV側(cè)設(shè)備均采用了GIS柜，作為主變壓器低壓側(cè)和饋線設(shè)備。此類設(shè)備在10 kV配電室也多有應(yīng)用。配合GIS柜的應(yīng)用，其進(jìn)、饋線采用高壓電纜從其底部進(jìn)出，這樣在GIS柜下部均修建了一個電纜夾層、位于SF6配電裝置低位區(qū)。

中國鐵路總公司《高速鐵路牽引變電所安全工作規(guī)則》[1]第111條規(guī)定，“高壓室、電纜夾層入口處應(yīng)裝設(shè)SF6氣體含量顯示器”“進(jìn)入SF6配電裝置低位區(qū)或電纜溝進(jìn)行工作應(yīng)先檢測含氧量(不低于18%)和SF6氣體含量不超過1 000 μL/L”。

《電力安全工作細(xì)則》[2]對電力專業(yè)也有類似的規(guī)定。第112條：“在SF6配電裝置室低位區(qū)應(yīng)安裝能報警的氧量儀和SF6氣體泄漏報警儀，在工作人員入口處應(yīng)裝設(shè)顯示器?！?/p>

而這些SF6配電裝置低位區(qū)的要求在京廣高鐵各變電所、配電室均沒有任何監(jiān)測手段。

為了保證巡視檢修人員的人身安全，現(xiàn)場采用便攜式含氧量測試儀和SF6氣體含量測試儀手動測試，以做到對牽引變電所有限空間環(huán)境的掌握。雖然這類儀器可以測得SF6配電裝置低位區(qū)(如電纜夾層)的O2、SF6的含量，但必須得有人將儀器放置進(jìn)有限空間內(nèi)、并讀取含量數(shù)值，如若真的環(huán)境有問題、那對放置和讀取數(shù)值人員將造成人身傷害。

1.3 不能實(shí)時掌握高壓電纜狀態(tài)

《牽引供電高壓電纜管理辦法》[3]要求，“電纜室內(nèi)部無積水、水浸探頭狀態(tài)良好”。而現(xiàn)場電纜夾層沒有安裝任何水浸遠(yuǎn)程報警裝置，對現(xiàn)場電纜的狀態(tài)掌握只能靠“有人值班變電所值班人員每天對所內(nèi)電纜設(shè)備1次”“無人值班的開閉所、分區(qū)所、AT所、接觸網(wǎng)開關(guān)站所內(nèi)高壓電纜設(shè)備每月1次”的巡視。在巡視間隔期間，特別是無人所、將有可能造成高壓電纜最多2個月的水中浸泡。

在京廣高鐵崔曲、延康A(chǔ)T所就曾經(jīng)發(fā)生過電纜夾層積水超過60 cm的現(xiàn)象。

1.4 不能實(shí)時掌握設(shè)備現(xiàn)場的狀況

以上問題的檢查確認(rèn)都是靠人實(shí)現(xiàn)，必須等待人員到達(dá)現(xiàn)場后才能檢查確認(rèn)，一旦確認(rèn)失誤或者疏忽將釀成檢查確認(rèn)人員的人身傷害，或者貽誤最佳的故障處理時機(jī)。

2 解決方案

針對上述問題，研制開發(fā)了“牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”，方案定位于滿足規(guī)程的要求、實(shí)時監(jiān)控有限空間的即時狀態(tài)并遠(yuǎn)傳測量值、自動遠(yuǎn)端報警和隱患的及時發(fā)現(xiàn)處理，確保牽引變電所有限空間作業(yè)的安全。

該系統(tǒng)硬件上由SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)、O2檢測系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)、強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)、實(shí)時通信報警系統(tǒng)、遠(yuǎn)傳通信告警系統(tǒng)組成。以崔曲AT所為例，如圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)安裝示意圖

2.1 電纜夾層

分別在處于SF6低位區(qū)的電纜夾層設(shè)置SF6傳感器、O2傳感器和壓力(水位)傳感器，監(jiān)控主機(jī)對傳感器輸出信號進(jìn)行采集。

圖2 監(jiān)控通訊系統(tǒng)示意圖

當(dāng)檢測到電纜夾層的SF6含量超過規(guī)程要求的1 000 μL/L 或者O2含量低于18%、水位高于10 cm時(以上數(shù)據(jù)可根據(jù)需要設(shè)定)，裝置告警，按既定程序啟動強(qiáng)排風(fēng)裝置，以短信息的方式將結(jié)果發(fā)送給負(fù)責(zé)維護(hù)人員的手機(jī)、并可選擇以485方式連接綜合自動化裝置通信管理機(jī)(既有)送往供電調(diào)度端、或者連接辦公電腦、巡檢筆記本顯示。

2.2 高壓室

高壓室內(nèi)僅布置SF6傳感器、O2傳感器，工作過程同上。

2.3 控制室

控制室內(nèi)設(shè)置O2傳感器、為配合HFC-227ea自動滅火系統(tǒng)，僅選擇報警、手動啟動通風(fēng)系統(tǒng)的功能。

2.4 監(jiān)視控制

按規(guī)程要求分別在控制室、高壓室、電纜夾層入口處裝設(shè)LED顯示屏，即時顯示各種氣體含量、水位高度。

當(dāng)用于有人值班的變電所時，可不再設(shè)置室外LED顯示，而將裝置顯示報警功能以485的方式與辦公電腦連接、在電腦上可以實(shí)時監(jiān)測各處的氣體含量和水位。

檢修人員在設(shè)備巡視檢修時，開啟防火門前、室外LED即可看到即時的氣體含量和水位，或者巡檢人員用個人的手機(jī)連接當(dāng)?shù)芈酚善鞑榭础⒖刂茊优棚L(fēng)，防止誤入禁入?yún)^(qū)域危及人身安全的問題發(fā)生。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于CAN現(xiàn)場總線，CANOPEN協(xié)議，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、排風(fēng)控制、主控制器4部分構(gòu)成。

主控制器為CANOPEN主站，各數(shù)據(jù)采集器、LED數(shù)碼顯示屏、排風(fēng)控制器為CANOPEN從站。數(shù)據(jù)采集包括六氟化硫含量采集，氧氣含量采集，水位采集；數(shù)據(jù)顯示為LED數(shù)碼顯示屏，顯示采集到的各空間數(shù)據(jù)；排風(fēng)控制根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)，當(dāng)采集到的數(shù)值超過警戒值時自動控制排風(fēng)系統(tǒng)開啟排風(fēng)；主控制器控制各部分工作，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。

各部分均采用32位的Cortex-M3 ARM微控制器，模數(shù)轉(zhuǎn)換為24位AD芯片。通訊部分采取隔離結(jié)構(gòu)。采集器使用鋁合金外殼，美觀，屏蔽性能好。這樣的硬件架構(gòu)性能優(yōu)良，分辨率高，抗干擾性好。

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

(1)SF6含量采集所用的前端傳感器為紅外擴(kuò)散式模組，信號接口為UART輸出，MODBUS協(xié)議。經(jīng)采集器采集轉(zhuǎn)換為CANOPEN協(xié)議。測量范圍0～1 500 μL/L，檢測分辨率1 μL/L，檢測誤差±2% FS。

(2)O2傳感器采用采用電化學(xué)原理，其信號輸出為微電流信號，經(jīng)采集器的24位高精度AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。檢測濃度范圍0～30% VOL(電化學(xué)原理，壽命兩年)，檢測精度0.5%。

(3)以往的水位監(jiān)測往往采用水浸探頭或者浮球開關(guān)的方法，在水面浸沒探頭導(dǎo)通或者使浮球浮起引起行程開關(guān)動作后，給出信號報警。此類設(shè)備原理非常簡單、也較為可靠，但僅僅能說明水位淹沒了探頭、并不能將實(shí)時的水位進(jìn)行遠(yuǎn)方傳遞，調(diào)度端、維護(hù)人員對于電纜夾層到底被水淹沒了多深，無從得知。

設(shè)計(jì)中采用了壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測水位高度變化的方案，根據(jù)壓力傳感器傳送的數(shù)據(jù)，按照P=ρgh公式，計(jì)算出具體的水位高度h。測量范圍0～1 m(壓力式)，測量精度 0.5%，防護(hù)等級IP68。

(4)設(shè)計(jì)中，遵循日常進(jìn)行設(shè)備巡視檢修的順序、值班人員的習(xí)慣，設(shè)置LED。進(jìn)入控制室前要觀看室外LED，其顯示內(nèi)容為控制室的O2含量；從控制室進(jìn)入高壓室前，要觀看高壓室SF6和O2含量；從高壓室下到電纜夾層前，需要了解電纜夾層SF6、O2含量和電纜夾層內(nèi)的水位高低。3塊LED顯示的內(nèi)容是有區(qū)別的，為了生產(chǎn)的方便，將LED設(shè)計(jì)為同樣的結(jié)構(gòu)，在安裝時、將內(nèi)部的撥碼開關(guān)分別置于不同的位置，顯示不同的對應(yīng)內(nèi)容。

(5)設(shè)計(jì)中，檢測到電纜夾層、高壓室SF6、O2含量超標(biāo)后自動啟動通風(fēng)系統(tǒng)。也可通過后臺關(guān)閉，但在設(shè)備巡檢時、必須將其置于自動狀態(tài)、確保作業(yè)人員的人身安全。為配合HFC-227ea滅火系統(tǒng)，控制室內(nèi)僅選擇報警、手動啟動通風(fēng)系統(tǒng)的功能。

排風(fēng)控制前端為一固態(tài)繼電器，由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的條件控制排風(fēng)系統(tǒng)的電源開關(guān)，和原來的手動控制部分并行工作，手動控制部分作為備用控制。

(6)系統(tǒng)使用交流220 V供電，前端經(jīng)過一臺長延時不間斷電源，保證了系統(tǒng)供電安全和供電質(zhì)量。交流停電的情況下，使用一只38 Ah閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池供電，供電時長不少于54 h。系統(tǒng)也可以選擇DC 110-DC 220供電。

3.2 客戶端的使用

使用手機(jī)連接上主控制器的WIFI后，打開瀏覽器，輸入地址：192.168.0.2打開客戶端界面，即可看到系統(tǒng)主界面。

該界面從上到下為按照實(shí)際區(qū)域分為3部分，控制室，高壓室，電纜夾層。每列數(shù)據(jù)從左到右順序?yàn)閿?shù)據(jù)名稱，數(shù)據(jù)采集器和排風(fēng)控制器狀態(tài)，若數(shù)據(jù)采集器或者排風(fēng)控制器有故障，相應(yīng)位置會出現(xiàn)紅色報警圖標(biāo)。以數(shù)字方式顯示檢測數(shù)據(jù)值，以圖形方式顯示檢測數(shù)據(jù)值狀態(tài)，其中自動排風(fēng)開關(guān)，手動排風(fēng)開關(guān)以及排風(fēng)狀態(tài)值以文字顯示。

輸入用戶名和密碼后進(jìn)入系統(tǒng)后臺管理界面，可根據(jù)需要更改設(shè)置新的密碼。系統(tǒng)后臺管理包括手動排風(fēng)，參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)校正，密碼修改4個功能區(qū)。

4 結(jié)束語

2016年6月19日牽引變電所室內(nèi)氣體和積水狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在京廣高鐵崔曲AT所投入運(yùn)行；2018年1月11日通過了中國鐵路北京局集團(tuán)公司的技術(shù)評審。

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到了監(jiān)控系統(tǒng)距離高壓電纜較近和運(yùn)行中牽引供電系統(tǒng)強(qiáng)大的電磁干擾、較大的地回流等因素，進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)、電磁兼容性強(qiáng)。所有元器件進(jìn)行了防潮設(shè)計(jì)，在較為潮濕的電纜溝、電纜井、電纜夾層內(nèi)、甚至野外系統(tǒng)均能夠可靠運(yùn)行。

(2)增加了現(xiàn)場WIFI、短信報警等適用性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)除了預(yù)留有485接口，可方便地接入既有遠(yuǎn)動系統(tǒng)外，增加了WIFI連接查看和短信報警功能。在進(jìn)行無人所巡視時，巡檢人員利用自身手機(jī)連接當(dāng)?shù)豔IFI，通過內(nèi)嵌WEB服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁訪問和設(shè)備的控制。在不構(gòu)建復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的情況下、利用手機(jī)短信息就可以做到涉及人身安全的信息報警、幾乎沒有通信費(fèi)用。

(3)現(xiàn)場安裝和后期維護(hù)方便。系統(tǒng)基于CAN現(xiàn)場總線，CANOPEN協(xié)議，一根5芯電纜連接所有變送器及主機(jī)、控制器，可分立可組合，現(xiàn)場安裝非常方便、具有很高的現(xiàn)場適應(yīng)性。利用手持式校驗(yàn)儀或者在現(xiàn)場排風(fēng)后較為潔凈的環(huán)境下，可方便地進(jìn)行自動校正。為了后期維護(hù)的方便，進(jìn)行了積木式設(shè)計(jì)，打開控制盒、只需更換相應(yīng)壽命到期或者故障或者需要檢測的SF6、O2傳感器即可。