高壓開關室內SF6氣體濃度在線監控系統的設計

周麗榮

【摘要】 SF6 氣體在高壓電力設備絕緣領域的應用非常廣泛，通常是被用作優良的絕緣介質和滅弧介質。隨著封閉式組合電器（GIS）設備的運行，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。這嚴重影響到GIS 的安全運行，會出現由絕緣性能下降而引起GIS故障的情況，那么在線監測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，實現對GIS的維修。根據國家和電力行業內關于六氟化硫電氣設備中氣體濕度管理標準，提出一種適合在線監測SF6氣體微水含量的方案。

【關鍵詞】 GIS SF6 氣體 在線監測

一、引言

《國家電網安全規程》規定SF6監測系統是電力開關室監測必需用具，而近些年來供、發電企業采用SF6電氣設備的變電所或配電裝置室數量巨大，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行業會在較長時間內保持20-30%的高速增長。同時順應國網公司發展做強做大的指導思想，GIS設備相關監測產品在國內市場的發展前景也有明顯的社會效益和經濟效益。鑒于GIS設備具有易于安裝建設、成套性強、可靠性高、抗嚴酷環境、維護量小等優點，在濕熱、高海拔、高寒等特殊環境條件下建高壓、超高壓變電站，GIS設備將是首選產品。

二、研究背景

高壓開關設備中已廣泛使用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、安裝等質量差異以及材料老化等原因引發高壓開關設備泄漏很常見。根據中國電力科學研究院統計，1990-1997年國內高壓開關設備共發生故障1500次，1997-2004年共發生2412次[1]，SF6氣體發生泄漏是故障的主要原因之一。高壓開關設備一旦發生SF6氣體泄漏，將給電力設備的安全運行和室內工作人員的安全帶來嚴重的威脅，因此，實現對開關室內環境的在線監測、實時報警和通風控制就很重要[2]。

三、SF6氣體濃度在線監測系統方案設計

3.1系統的功能

根據電力用戶的需求，SF6在線監測系統的功能設計如下：1、具有實時采集氧氣、溫度、濕度、SF6等數據的功能；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等數據的實時顯示[3]；4、具有數據自動存儲和報警數據、歷史數據查詢功能；5、具有歷史數據曲線顯示、報警數據曲線顯示等功能；6、具有靈活的參數設置功能；7、具有聲光雙控報警功能；8、有繼電器輸出，可與現有的消防報警系統連接，提供預警信號（可擴展）；9、有良好的數據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生故障時應能發出故障報警信號并傳送到集控中心的監控計算機上。

3.2系統的設計方案

由于現場應用范圍廣泛且多樣化，SF6使用級聯方式和分布式監控來構成在線監測系統的結構，第一級的設計是RTU，第二級是DI和UI，第三級是PC，各級并行工作，相互協作。整個系統的設計思路如圖1所示，由數據集中器（DI）、現場終端（RTU）、現場顯示控制器（UI）、遠程監控中心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氣體濃度間接相關的環境數據，在高壓變電站開關室內的監測點位上把原始數據傳給DI是利用通信鏈路；DI收集各RTU的數據，并且對RTU中各傳感器的數據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室前了解情況； PC機對各開關室實現遠程監控，其內部安裝了數據庫和專用應用軟件，與各開關室通過光纖網絡實現與DI連接。

3.2.1數據集中器（DI）

DI的結構組成為：選用具有ARM7內核的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、光報警和風機控制由LPC2292的I/O口經繼電器隔離實現。

實時性較好的μCOS-II操作系統為DI完成復雜的數據處理和控制管理任務。DI對每個RTU數據的處理采用多傳感器數據融合技術，較好地克服以前利用負電暈放電技術完成SF6氣體監控系統誤報警率高的缺點。

3.2.2現場終端RTU

RTU采用PIC18LF4580 MCU作為主控制器，RTU的ID用8位撥碼開關設置，內部有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，這樣設計可以簡化外圍電路。溫度傳感器直接與MCU的數字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口連接是經調理電路后連接的。

在RTU的主程序中，數字濾波、溫濕度補償技術、負高壓自適應控制和雙傳感器工作方式控制為數據采集與處理模塊[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，也可以提高測量數據的可靠性，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，可以提升系統整體指標。

3.2.3 現場顯示控制器（UI）

UI的控制核心使用的是有ARM9內核的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；預留USB設備接口和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遠程監控中心

開發控制中心SQL數據庫和客戶端軟件來實現遠程監控。系統提供用戶、DI、RTU等管理功能，實現RTU數據的管理、維護和數據備份。此系統可以顯示各個監測到的數據的圖表、報警日志和終端工作日志等。

四、 結論

本設計利用雙SF6傳感器、多種傳感器的數據融合技術和負高壓自適應技術對以前的監測系統進行改進，很好的解決了以往在SF6傳感器壽命和工作穩定性上的問題；采用DI與UI分離，應用場合變得更靈活，可以達到一個變電站多個開關室或一個開關室多個進出口。

參 考 文 獻

[1] 孟忠. SF6開關室環境中SF6及氧氣含量在線監測的應用研究[J]. 華北電力技術， 2005（增刊）： 1-5.

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

[3]蔡聲鎮， 吳允平， 鄭志遠等. 高壓變電站室內分布式SF6監測系統的研制[J]. 儀器儀表學報， 2006（9）： 1033-1036.

[4]William Stallings. 無線通信與網絡[M]. 何軍譯. 北京： 清華大學出版社， 2004.