密度繼電器校驗平臺研制

秦任鵬 牛衛(wèi)光 李景生 王大鵬 李基康 國網(wǎng)東營供電公司

一、小組/人員概況

國網(wǎng)東營供電公司變電一次檢修班，先后獲得山東電力首批“雙無”班組、山東省質(zhì)量信得過班組、國網(wǎng)公司先進班組等榮譽。班組現(xiàn)有員工10人，高級職稱1人，中級職稱3人。目前班組承擔(dān)東營地區(qū)22座220千伏、34座110千伏以及3座35千伏變電站的組合電器、斷路器、隔離開關(guān)等6088組主設(shè)備及其附件的日常維護、事故搶修工作。班組堅持以“小、實、活、新”為基礎(chǔ)，充分利用QC理念，不斷創(chuàng)新，解決了許多生產(chǎn)、工作中的實際問題，完成了ZS3.2型開關(guān)柜活門專用開啟裝置的研制、GIS刀閘操作電機保護裝置的研制、SF6氣體成套充氣裝置的研制等優(yōu)秀QC成果，并多次獲得市公司及省公司優(yōu)秀質(zhì)量管理小組稱號。

團隊成員具有一定的專業(yè)技術(shù)水平，并且在實際工作中積累了比較多的工作經(jīng)驗，對問題有較高的解決能力。近年來，小組以科技創(chuàng)新為主線，大力開展技術(shù)革新、管理創(chuàng)新等活動，在建設(shè)智能電網(wǎng)、維護配網(wǎng)運行過程中，發(fā)現(xiàn)并解決了配網(wǎng)運行檢修中的許多難題，為公司做出了較大貢獻。

二、方案的必要性

SF6斷路器和GIS組合電器設(shè)備作為重要必備的一次高壓設(shè)備，承擔(dān)著供電系統(tǒng)可靠帶負(fù)荷開斷和閉合的重要作用?？紤]開閉類設(shè)備合分閘的可靠性，必須要求其內(nèi)部具有良好的絕緣性能和滅弧性能，目前國內(nèi)外均采用在一次高壓電氣設(shè)備內(nèi)部充裝一定密度的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。即使是全密閉設(shè)備內(nèi)充裝的SF6氣體日積月累后也會發(fā)生微量的泄露，為保證高壓電氣設(shè)備運行安全，因此必須對高壓電氣設(shè)備內(nèi)SF6氣體的密度進行在線式監(jiān)測。保證高壓設(shè)備的SF6氣體的密度在合格范圍以內(nèi)，并經(jīng)常觀察其密度讀數(shù)，了解其變化趨勢。安裝在現(xiàn)場高壓一次設(shè)備之上的SF6氣體密度繼電器因長期處于運行不動作狀態(tài)，所以有可能出現(xiàn)動作不靈活、觸點接觸不良等潛在故障問題，而這一切我們不用儀器測試單憑肉眼是很難發(fā)現(xiàn)的。更嚴(yán)重的情況還可能出現(xiàn)密度繼電器溫度補償性能變差，當(dāng)環(huán)境溫度突變或出現(xiàn)極端天氣時可能導(dǎo)致SF6密度繼電器誤動作。因此DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》規(guī)定：各SF6開關(guān)使用單位應(yīng)定期對SF6氣體密度繼電器進行校驗。從近年來實際運行情況看，對現(xiàn)場運行中的SF6密度繼電器、壓力表定期進行在線式校驗，確實發(fā)現(xiàn)了不少潛在的問題，進行更換或維修后避免了故障發(fā)生，是保障SF6充氣式一次電力設(shè)備可靠運行的有力手段。

鑒于此本文根據(jù)SF6密度繼電器在高壓電氣設(shè)備應(yīng)用環(huán)境中的特點，并分析借鑒市面同類型相關(guān)校驗設(shè)備，運用現(xiàn)代電子信息技術(shù)、氣動壓力控制技術(shù)和嵌入式計算機軟件開發(fā)，研發(fā)出新一代智能型密度繼電器校驗平臺。該新型智能SF6密度繼電器校驗儀壓力測量準(zhǔn)確度0.02級、露點測量誤差優(yōu)于0.5℃、壓力加減的速度可以控制在0.001 MPa/s以內(nèi)，且能將其他溫度下SF6氣體壓力換算為20℃時標(biāo)準(zhǔn)壓力值，該智能型SF6密度繼電器校驗儀具備了對現(xiàn)場運行中的SF6氣體密度繼電器進行高精度定期檢定的能力。

三、設(shè)計方案

本方案設(shè)計的智能化全自動SF6氣體密度繼電器校驗平臺，MCU采用的是歐洲意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M4內(nèi)核的32位STM32F429ZGT6微處理器，主頻最高180M，運行速度是傳統(tǒng)51單片機的幾十倍，能對目前市面上的所有機械和智能型SF6密度繼電器進行現(xiàn)場快速校驗。系統(tǒng)軟件采用多線程定時器中斷方式，高速MCU控制SF6密度繼電器進行程序化動作，配備的大容量SDROM高速緩存處理，實時采集動作過程，緩存的大量數(shù)據(jù)加以計算分析，快速準(zhǔn)確的測量出結(jié)果。

本校驗裝置能在設(shè)備運行環(huán)境溫度下對各類型SF6密度表、壓力表進行準(zhǔn)備校驗。校驗的原理：因為SF6氣體壓力在密閉在容器中的是隨著溫度的變化而變化的。為了有個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行比對，國標(biāo)規(guī)定在密閉容器中，把20℃時SF6氣體相對壓力值作為標(biāo)準(zhǔn)值。密度表校驗的時候就是根據(jù)壓力和溫度的對應(yīng)關(guān)系，將所測壓力轉(zhuǎn)換成20℃時的等效壓力值，表示SF6氣體的密度，用這個指標(biāo)來評價SF6密度繼電器的性能。本款密度繼電器校驗裝置可全自動完成校驗過程，完成以下幾個參數(shù)值的精確測量。

閉鎖回復(fù)值：在SF6密度繼電器指針或讀數(shù)為零位時，給繼電器緩慢勻速進行充氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出閉鎖動作，此時記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并轉(zhuǎn)換成20℃時的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，此壓力值即為SF6密度繼電器的閉鎖回復(fù)值。

報警回復(fù)值：給SF6密度繼電器緩慢勻速進行充氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出報警動作時，記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并轉(zhuǎn)換成20℃時的等效壓力值，此等效壓力值即為SF6密度繼電器的報警回復(fù)值。

超壓回復(fù)值：給SF6密度繼電器緩慢勻速進行充氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出超壓信號后，開始緩慢勻速的給SF6密度繼電器進行放氣當(dāng)繼電器超壓報警信號發(fā)出時，記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并轉(zhuǎn)換成20℃時的等效壓力值，此等效壓力值即為SF6密度繼電器的超壓回復(fù)值。

報警值：在環(huán)境溫度下，當(dāng)SF6密度繼電器內(nèi)壓力值高于報警回復(fù)值時，開始勻速緩慢放氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出報警信號時記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并換算到20℃時的等效壓力值，此等效壓力值即為SF6密度繼電器的報警值。

閉鎖值：給SF6密度繼電器緩慢勻速進行放氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出閉鎖信號時，記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并轉(zhuǎn)換成20℃時的等效壓力值，此等效壓力值即為SF6密度繼電器的閉鎖值。

超壓值：給SF6密度繼電器緩慢勻速進行充氣，當(dāng)SF6密度繼電器發(fā)出超壓信號時，記錄當(dāng)時環(huán)境溫度下的壓力值，并轉(zhuǎn)換成20℃時的等效壓力值，此等效壓力值即為SF6密度繼電器的超壓值。

四、工作流程

近年來，隨著傳感器和自動化技術(shù)的發(fā)展，SF6密度繼電器的校驗技術(shù)也日趨自動化和智能化，出現(xiàn)了一批能夠自動控制壓力、自動處理和儲存校驗數(shù)據(jù)且具有將其他溫度下SF6氣體壓力換算為20℃時壓力值的智能化的SF6密度繼電器校驗儀。

1.測量過程

校驗儀組成單元主要由MCU主控核心板、AD/DA信號處理單元、壓力控制器、傳感器采集單元、觸點信號處理單元等主要部分組成。產(chǎn)生壓力的氣源一般采用充裝SF6氣體的小型高壓氣瓶。校驗前在儀器大屏幕液晶顯示觸摸屏上輸入校驗點對應(yīng)的壓力值，然后點擊開始，儀器會按照軟件設(shè)計流程，自動完成氣體壓力的加（減），直到最終完成到設(shè)定值。并以此流程過程中采集的數(shù)據(jù)進行分析計算和處理。

2.關(guān)鍵器件及功能

校驗儀的核心組成器件主要有MCU控制器及AD采樣器、各種傳感器模塊測控單元（壓力、溫濕度）、信號處理和測控單元等（如圖1）。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

1）壓力傳感器工作原理：當(dāng)SF6氣體壓力作用在壓力傳感器測量膜片的表面時，傳感器膜片會發(fā)生形變，同時膜片上的相關(guān)測量電路會將其形變量轉(zhuǎn)換成與壓力值對應(yīng)的線性電壓信號，再通過儀表放大器進行放大傳輸給處理電路，通常是A/D轉(zhuǎn)換器和MCU控制器。為保證壓力測量和控制的準(zhǔn)確性，采用美國泰科公司 0.01級的高精度壓力傳感器。

2）溫濕度傳感器將采集到的溫濕度信號轉(zhuǎn)換、放大并傳送到AD轉(zhuǎn)換器和MCU控制器，作為溫濕度換算基準(zhǔn)值。為保證溫度信號的準(zhǔn)確性，溫度傳感器使用AA級的鉑電阻溫度計。濕度傳感器采用芬蘭維薩拉公司的DMT143高精度露點傳感器。

3）壓力測控單元在進行儀器設(shè)定點壓力偏差校驗時，壓力變化的速度要求控制在0.001MPa/s以內(nèi)，這樣才能保證AD讀取以及回采數(shù)值的穩(wěn)定可靠。但是如果校驗全過程以如此低速進行氣體壓力加減，整個校驗時間會延長不少。為了高效可靠的工作，本校驗儀的壓力測控子系統(tǒng)設(shè)計為PID閉環(huán)自動化控制系統(tǒng)。工作初期采用快速，中期壓力接近目標(biāo)時慢速，進入定速高精度升（降）控制壓力，循環(huán)比對檢測。后期當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時，停止加（減）壓力，儀器進入高精度穩(wěn)態(tài)控制模式，系統(tǒng)壓力將穩(wěn)穩(wěn)的維持在設(shè)定值。當(dāng)壓力值超差時，PID自動控制系統(tǒng)會精確控制壓力回調(diào)至設(shè)定值。

4）觸點信號測控單元主要是采集SF6密度繼電器觸點的接觸狀態(tài)，并同步傳遞給MCU微處理器進行信號處理，從而完成報警值的校驗。硬件采用高速光耦6N137進行信號隔離的抗干擾設(shè)計，通過判斷光耦導(dǎo)通與否，微處理器I/O電平高低變換來判斷SF6密度繼電器觸點狀態(tài)是閉合還是開啟。

5）信號處理和測控單元主要是將壓力傳感器和溫濕度傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并執(zhí)行MCU發(fā)出的各種指令，按照預(yù)設(shè)程序進行工作。采集處理的模擬量數(shù)據(jù)全部經(jīng)過隔離運算放大器輸入到AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再交給MCU控制系統(tǒng)外設(shè)進行顯示，打印數(shù)據(jù)等完成示值誤差、回程誤差、設(shè)定點偏差等項目的校驗。為了提高采樣精度，AD芯片選用24位AD7793芯片。

3.校準(zhǔn)儀的軟件采用前后臺模式進行開發(fā)，用戶選擇開始測量后，根據(jù)用戶選擇對比例閥進行充放氣，同時前臺程序通過中斷服務(wù)程序?qū)ο嚓P(guān)模擬量信號進行采集（主要是壓力信號和溫濕度信號），數(shù)據(jù)采集完畢后。后臺程序?qū)Σ杉玫脑夹盘栠M行相關(guān)濾波等預(yù)處理后，對測量所得的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，得出檢測結(jié)果。測量結(jié)束后，對采樣的相關(guān)的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲和打印。（如圖2）。

圖2 主程序圖

五、方案現(xiàn)場實施

如圖3所示。

圖3 測試流程圖

密度繼電器校驗儀主機接口定義：在確認(rèn)密度繼電器校驗儀控制電源已經(jīng)斷開的狀態(tài)下方可進行，連接校驗儀與待校表之間的信號線（如圖4）。

圖4

1.密度繼電器的閉鎖、報警、超壓輸出與校驗儀相連

將校驗儀機械信號輸入接口上寫有‘綠、紅、黃’三個鱷魚夾分別與待測密度表的‘接點一、接點二、接點三’對應(yīng)輸出端的一個端子相連接（有該輸出就連接否則不用），將三個‘黑色’鱷魚夾分別與待測密度表的‘接點一、接點二、接點三’對應(yīng)輸出端的另外一個端子相連接。

2.密度繼電器的4~20mA輸出與校驗儀相連

將校驗儀電流輸入插頭上的4~20mA輸入信號‘紅色’鱷魚夾與待測密度表的4~20mA對應(yīng)輸出端的正端相連接將‘黑色’鱷魚夾與待測密度表的4~20mA對應(yīng)輸出端的負(fù)端相連接（有該輸出就連接否則不用）。用儀器自帶的測試管道將被校密度繼電器連接到儀器面板上的“測試口”。

3.功能選擇界面：可以直接觸摸各選擇框?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)操作

4.密度繼電器校驗儀的設(shè)定

具體定義：

a.密度繼電器密度范圍下限：定義密度繼電器整個測試量程的最小值。

b.密度繼電器密度范圍上限：定義密度繼電器整個測試量程的最大值。

以上兩個數(shù)值，定義了整個測試過程中，校驗儀所發(fā)生的密度值的范圍，當(dāng)壓力上升到上限值時，則上升停止，2秒后轉(zhuǎn)為下降模式，壓力表測試不在此限制范圍內(nèi)。

c.密度繼電器類型：0 常規(guī)的機械動作式密度繼電器（默認(rèn)）

1 電流輸出式密度繼電器

d.密度顯示的方法：0 密度繼電器校驗儀將使用表壓法顯示數(shù)值

1 密度繼電器校驗儀將使用絕壓法顯示數(shù)值

e.修改時間 按“年月日時分秒”順序輸入，確定保存。

f.刪除歷史記錄 選擇后可以刪除儀器內(nèi)部所有記錄，請謹(jǐn)慎操作。

所有修改，按確定保存設(shè)置。

5.密度繼電器校驗

進入密度繼電器校驗功能后，請先輸入繼電器編號，本儀器最多可以輸入16位編號，按數(shù)字鍵輸入，清除鍵刪除后重新輸入，確定鍵保存并進入下一步驟。（繼電器編號非必須）

進入繼電器編號后機器進入復(fù)位模式，為即將開始的測試做好準(zhǔn)備。復(fù)位完成后，儀器自動進入測試模式。

按照屏幕所示鏈接好繼電器（特殊接線方式請參照密度繼電器說明），打開設(shè)備面板上的測試閥閥門，按開始進入測試，整個測試過程全自動操作，不需要認(rèn)為干預(yù)。按返回鍵立即終止測試。

測試完成后，您可以按保存鍵保存數(shù)據(jù)，或者打印當(dāng)前測試記錄。按繼續(xù)鍵進行下一次測量。測量完畢后請關(guān)閉測試閥閥門。

6.壓力（密度）表測量：打開面板上的測試閥閥門，按上升或下降按鍵。校驗儀根據(jù)指令升壓或者降壓，再次按下按鍵，則動作停止，退出此界面前需要關(guān)閉測試閥閥門并將壓力降至0.01Mpa以下。

7.歷史數(shù)據(jù)查詢：按上頁或下頁查看前一頁或后一頁。按打印可當(dāng)前記錄。

六、結(jié)束語

在智能化全自動SF6氣體密度繼電器校驗平臺設(shè)計研發(fā)中，硬件采用高速MCU微處理器和高精度AD采樣器，精密壓力比對閥等器件；軟件采用PID閉環(huán)自動化控制系統(tǒng)的算法，確保壓力值到達(dá)預(yù)設(shè)壓力值時，能夠保持穩(wěn)態(tài)高精度測量工作，因此已經(jīng)具備了對現(xiàn)場運行的SF6氣體密度繼電器進行在線式現(xiàn)場自動檢定。