一、引言

SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置的發(fā)展背景

1. 國內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;

SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置國外已在運(yùn)行，濕度主要采用紅外光譜法，采用壓力傳感器。這種原理性能穩(wěn)定但是價格非常昂貴。

國內(nèi)市場目前普遍采用離線測量微水、，需要放氣、補(bǔ)氣等繁雜的過程，操作麻煩而且不安全，也有在線微水檢測產(chǎn)品單一，傳感器壽命短，缺少智能化，無法查看任意點(diǎn)微水及的變化，日常維護(hù)量高。產(chǎn)品都存在很大的缺陷，SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置產(chǎn)品的濕度傳感器都采用相對濕度傳感器，這種傳感器誤差大、精度不準(zhǔn)確、漂移厲害，通過程序處理假象顯示，欺騙性大;優(yōu)點(diǎn)就是價格低廉。

針對以上不足情況，開發(fā)一種SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置，性能優(yōu)越，價格符合國情，因此濕度傳感器采用高精度的高分子薄膜傳感器，運(yùn)用了先進(jìn)的精確的SF6氣體壓力和溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型換算，采用嵌入式微機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、閉鎖動作點(diǎn)通訊遠(yuǎn)傳。接入后臺操作系統(tǒng)跟上位機(jī)相連，做到實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時顯示。將來該系統(tǒng)必須融入集控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能變電站多種在線監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

2. 介紹國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對本項(xiàng)目的研究情況;

國外研究在70年代并取得了一定成果，日本三菱公司在“97國際電力設(shè)備及技術(shù)展會”上展示了包含在線微水及在線局放等多項(xiàng)產(chǎn)品。美國紐約電管局及加拿大魁北克水電局1993年安裝了MONITEC監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)多次事故，保證了電力供應(yīng)。近年來隨著新型傳感器技術(shù)的不斷應(yīng)用，國外相繼推出了一些狀態(tài)監(jiān)測的示范性產(chǎn)品，典型的有日本東芝的C-CIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，應(yīng)用了負(fù)電暈傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器在線監(jiān)測SF6氣體GIS的微水變化趨勢。使整個組合電器在二次在線監(jiān)測系統(tǒng)下安全運(yùn)行。

國內(nèi)主要還停留在傳統(tǒng)的SF6氣體微水含量的離線檢測基礎(chǔ)上，具有精度低、檢測繁瑣、檢測數(shù)據(jù)可比性差等缺點(diǎn)。隨著國內(nèi)GIS廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)的研究單位在90年代末期也開展了相應(yīng)的研究，目前還處在研究成果多為單一或較少功能的分散式監(jiān)測，多為相對濕度傳感器，精確性差，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能變電站的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。

二、在線式SF6微水監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀

1.項(xiàng)目研究的技術(shù)關(guān)鍵與難點(diǎn)。

SF6氣體在線微水監(jiān)測裝置主要用于在線監(jiān)測斷路器SF6氣體的微水、、溫度及其變化趨勢。當(dāng)SF6氣體有關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)變化時，給出變化曲線;有關(guān)指標(biāo)達(dá)到報(bào)警狀態(tài)時，報(bào)警或自動啟動報(bào)警裝置;當(dāng)有關(guān)指標(biāo)超標(biāo)達(dá)到危險狀況時，以保障設(shè)備和變電站整套系統(tǒng)的安全。

上述監(jiān)測設(shè)備配有RS485/CAN通訊接口，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至變電站、城市中心乃至更上級監(jiān)控中心，真正實(shí)現(xiàn)變電站，尤其是無人值班站的設(shè)備在線監(jiān)測。并為斷路器的狀態(tài)檢修提供了有效依據(jù)。

(1)技術(shù)關(guān)鍵：

A、在線監(jiān)測SF6氣體濕度、與溫度.

B、預(yù)留RS485/CAN總線通訊接口.

C、可按預(yù)設(shè)值或用戶給定值自動啟動低壓報(bào)警、微水超標(biāo)報(bào)警和閉鎖裝置.

D、通過后臺軟件顯示實(shí)時數(shù)據(jù)并自動繪制狀態(tài)變化趨勢圖.

E、大屏幕液晶顯示器現(xiàn)場顯示實(shí)時數(shù)據(jù)。具備液晶屏屏幕保護(hù)功能.

F、手持遙控器設(shè)置底層各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、報(bào)警與閉鎖門限值和顯示方式.

G、全密封，抗干擾，適用于室外和低溫環(huán)境.

(2)難點(diǎn)：

A、氣密性及抗干擾試驗(yàn).

B、通過RS485或CAN總線遠(yuǎn)傳集控中心.

C、氣體的流動性與穩(wěn)定性

本文重點(diǎn)介紹了目前SF6氣體在線微水監(jiān)測裝置的硬件及軟件設(shè)計(jì)，克服氣密性及抗干擾試驗(yàn)。

三、SF6氣體在線微水監(jiān)測裝置的原理及實(shí)現(xiàn)方案

SF6氣體微水含量在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集GIS的濕度、溫度和壓力3個特征量 ,并對這3個特征量信號進(jìn)行預(yù)處理、傳送、存儲、計(jì)算、判斷和顯示來完成整個在線監(jiān)測過程 ,因此該系統(tǒng)由傳感器、變送器、主控 PC機(jī)組成。單片機(jī)是采用美國Silabs公司C8051F高速M(fèi)CU，該單片機(jī)為CIP51內(nèi)核, 具有Cygnal指令與MCS51指令系統(tǒng)全兼容的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用RS485與PC 機(jī)通信。SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)通信理論距離是 1. 2 km，一臺計(jì)算機(jī)理論上可以與128臺SF6在線檢測儀中的單片機(jī)進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)可以隨時向SF6 在線監(jiān)測儀中的單片機(jī)請求當(dāng)前及歷史的濕度、溫度、壓力探頭信號數(shù)據(jù)。PC機(jī)與單片機(jī)的通信方式為: PC 機(jī)采用主控方式，單片機(jī)采用中斷方式。每個單片機(jī)都有一個“本機(jī) ”地址，以便計(jì)算機(jī)對其尋址。工作原理圖參見圖1。

GIS微水在線監(jiān)測裝置的傳感器主要由3部分組成：濕度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。為了便于隨時裝卸，設(shè)計(jì)了一種將傳感器安裝于設(shè)備取氣口外接的在線監(jiān)測儀的測量腔體中的方法，通過取氣口使傳感器與被測氣體連通。這樣，當(dāng) GIS中的微水含量變化時，由于自然擴(kuò)散的作用，安裝于設(shè)備取氣口外部的濕度探頭也可以在較短時間內(nèi)檢測到GIS中微水的變化。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對一段母線筒中與測量腔體中微水的自然平衡過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，從而為現(xiàn)場在取氣口外接傳感器進(jìn)行濕度的在線監(jiān)測提供了依據(jù)。

SF6氣體中微水含量的檢測屬于低濕度測量的范疇，因此該系統(tǒng)選用的是適于低濕環(huán)境測量的薄膜電容型濕度傳感器，該傳感器具有長期穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。溫度和壓力的測量較濕度測量要容易一些，而且溫度傳感器和壓力傳感器技術(shù)要比濕度傳感器成熟得多。該系統(tǒng)溫度傳感器采用的是AD590,該器件具有良好的線性和互換性，測量準(zhǔn)確度高，并具有消除電源波動的特性;壓力傳感器選用的是壓阻應(yīng)變式壓力傳感器。

1.主要傳感器技術(shù)部分

芬蘭維薩拉(Vaisala)是聚合物薄膜測量傳感器的首創(chuàng)者，在濕度測量領(lǐng)域有60年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其利用聚合物薄膜開發(fā)的專門用于測量低露點(diǎn)的傳感器DRYCAP®性能穩(wěn)定，不受凝結(jié)水和大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的影響，并且由于使用DRYCAP®的露點(diǎn)儀采用了零點(diǎn)自動校準(zhǔn)、增益回歸兩項(xiàng)專利技術(shù)，使得露點(diǎn)測量范圍寬、精度高、長期穩(wěn)定性好、性價比極佳。

DRYCAP®傳感器由兩部分組成：電容型聚合物薄膜測濕傳感器及電阻型測溫傳感器，測濕傳感器測量被測氣體中的水分子，從而測出相對濕度;測溫傳感器測量測濕傳感器的表面溫度;儀器內(nèi)置的微處理器從這兩個參數(shù)計(jì)算出露點(diǎn)。測濕、測溫傳感器通過金屬膜背靠背緊密靠近，這樣一方面使得測溫傳感器能夠準(zhǔn)確測得濕度傳感器所處溫度;另一方面通過金屬膜的作用大大減小了外部電場作用產(chǎn)生的感應(yīng)電容，從而提高了測量精度。在低濕情況下，DRYCAP®的反應(yīng)時間為40~40秒，取決于濕度變化方向和大小，測量高濕時反應(yīng)時間較短。DRYCAP®的耐溫范圍-40~+180℃，承壓范圍為0~20bar。其本身耐腐蝕性也極為突出，對于堿性和弱酸性氣體有較好的適應(yīng)。通常在低濕的情況下，相對濕度微小的誤差都會使露點(diǎn)的計(jì)算產(chǎn)生很大的偏差，例如：在室溫情況下，-40℃和-50℃的露點(diǎn)相當(dāng)于此時0.8%RH和0.3%RH的相對濕度采用相對濕度精度為±2%RH的一般薄膜濕敏傳感器要得到±2%℃的露點(diǎn)精度所能測得的最低露點(diǎn)為-9℃，應(yīng)用Vaisala的DRYCAP®傳感器及自動校準(zhǔn)專利技術(shù)，在保證±2%℃露點(diǎn)精度的同時可測得的最低露點(diǎn)為-60℃，在精度稍低的情況下可達(dá)到-80℃的露點(diǎn)，這是因?yàn)樽詣有?zhǔn)技術(shù)使得準(zhǔn)確的相對濕度測量成為可能。

在確定RH0后，即可進(jìn)行準(zhǔn)確的RH計(jì)算，從而準(zhǔn)確計(jì)算出露點(diǎn)，當(dāng)相對濕度低于10%時系統(tǒng)自動執(zhí)行自校準(zhǔn)功能，此時上次的輸出參數(shù)被鎖定，校準(zhǔn)后系統(tǒng)即可輸出測量值。自校準(zhǔn)功能也可以以時間間隔方式啟動(通常為6小時)。如果在校準(zhǔn)過程中溫度或露點(diǎn)測量值不穩(wěn)定，即環(huán)境影響降溫過程或假設(shè)的PW為一常數(shù)條件不滿足，自校準(zhǔn)功能將會在設(shè)定的時間間隔后，再次執(zhí)行。依此類推，直至溫度和露點(diǎn)溫度穩(wěn)定后才輸出真實(shí)露點(diǎn)。通過優(yōu)秀的DRYCAP®硬件設(shè)計(jì)及自動校準(zhǔn)軟件使得準(zhǔn)確測量低濕露點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

由于某些化學(xué)物質(zhì)氣體分子長期聚集在濕敏元件內(nèi)部影響測量精度，為保證準(zhǔn)確測量，Vaisala公司開發(fā)出增益回歸軟件，其工作過程為在零點(diǎn)自動校準(zhǔn)軟件執(zhí)行前執(zhí)行增益回歸功能，將DRYCAP®傳感器升溫到160℃，使其內(nèi)部聚集的化學(xué)物質(zhì)分子蒸發(fā)，從而保證了準(zhǔn)確測量，同時這一方法排除了油污聚集影響反應(yīng)時間的困擾。

DRYCAP®濕敏元件不怕冷凝水，發(fā)生冷凝時，自然風(fēng)干后可繼續(xù)正常使用。但風(fēng)干時需將儀器取出，這會影響其他工作的正常進(jìn)行。為了防止此類情況的頻繁發(fā)生，在DMT-242露點(diǎn)儀中還附有一保護(hù)功能：即當(dāng)相對濕度意外升高到80%RH以上時，測溫傳感器馬上對濕敏元件加熱，以減小局部相對濕度，從而避免飽和水汽形成。通過使用這一客戶友好功能，使得停工率大幅降低，從而提高了生產(chǎn)效率。

2.在線監(jiān)測的軟件設(shè)計(jì)

編程的重點(diǎn)在于解決氣體計(jì)算及濕度修 正的算法問題。計(jì)算可以適用牛頓迭代法 ,計(jì)算出ρ后, 再把ρ和T=293. 2 ( 20 ℃)代入方程 (式 5 ) ,得20 ℃時的壓力p1,這在計(jì)算體積濃度的修正值時用到。對于微水含量監(jiān)測，需計(jì)算，體積濃度、露點(diǎn)溫度以及修正值 ,并與國家標(biāo)準(zhǔn)比較來判斷監(jiān)測結(jié)果是否越限 ,是否要做報(bào)警處理。其結(jié)構(gòu)程序框圖見圖

圖2　程序框圖

四、綿陽鐵牛110kV變電站SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置運(yùn)用情況

在2011年11月15日通過圖一運(yùn)用新傳感器在線微水第一次檢測得出結(jié)論得出的數(shù)據(jù)比便攜表：高南二鐵支線比便攜表多出85ppm，母線氣室少于55ppm，2個點(diǎn)誤差均在符合范圍以內(nèi)。

在2011年12月2日通過圖二運(yùn)用新傳感器在線微水第二次檢測得出結(jié)論得出的數(shù)據(jù)：高南二鐵支線比便攜表多出185ppm，母線氣室少于107ppm，2個點(diǎn)誤差均在符合范圍以內(nèi)。

在2011年12月27日通過圖三運(yùn)用新傳感器在線微水第二次檢測得出結(jié)論得出的數(shù)據(jù)：高南二鐵支線比便攜表多出39ppm，母線氣室少于58ppm，2個點(diǎn)誤差均在符合范圍以內(nèi)。

通過新設(shè)備數(shù)據(jù)顯示在線微水狀態(tài)顯示結(jié)果成線性變化，與便攜表顯示結(jié)果比對一致無誤。并且狀態(tài)顯示穩(wěn)定。安裝工藝良好。項(xiàng)目最終實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測斷路器SF6氣體的微水、溫度及其變化趨勢。并為斷路器的狀態(tài)檢修提供有效依據(jù)。

五、結(jié)論

項(xiàng)目最終實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測斷路器SF6氣體的微水的變化趨勢。當(dāng)SF6氣體有關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)變化時，給出變化曲線;有關(guān)指標(biāo)達(dá)到報(bào)警狀態(tài)時，報(bào)警或自動啟動報(bào)警裝置;當(dāng)有關(guān)指標(biāo)超標(biāo)達(dá)到危險狀況時，報(bào)警或自動啟動閉鎖裝置，禁止斷路器動作，以保障設(shè)備和變電站整套系統(tǒng)的安全。配有RS485/CAN通訊接口，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至變電站、城市中心乃至更上級監(jiān)控中心，真正實(shí)現(xiàn)變電站，尤其是無人值班站的設(shè)備在線監(jiān)測。并為斷路器的狀態(tài)檢修提供有效依據(jù)。但是目前仍有氣體流通問題未解決將在以后的更新中逐步完善其難點(diǎn)，使以后的SF6氣體微水在線監(jiān)測裝置更好，更完美。

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