1、GIS 在線式 SF6 微水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用研究一、引言SF6 氣體微水在線監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展背景1. 國(guó)內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ;SF6 氣體微水在線監(jiān)測(cè)裝置國(guó)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(jià)格非常昂貴。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前普遍采用離線測(cè)量微水、，需要放氣、補(bǔ)氣等繁雜的過(guò)程，操 作麻煩而且不安全，也有在線微水檢測(cè)產(chǎn)品單一，傳感器壽命短，缺少智能化， 無(wú)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(cè)裝置產(chǎn)品的濕度傳感器都采用相對(duì)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(guò)程序處理假象顯示，欺騙性

2、大 ;優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格 低廉。針對(duì)以上不足情況，開發(fā)一種 SF6 氣體微水在線監(jiān)測(cè)裝置，性能優(yōu)越，價(jià) 格符合國(guó)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(dòng)作點(diǎn)通訊遠(yuǎn)傳。 接入后臺(tái)操作系統(tǒng)跟上位機(jī)相連， 做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、 實(shí)時(shí)顯示。 將來(lái)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(cè) 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。2. 介紹國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)本項(xiàng)目的研究情況 ;國(guó)外研究在 70 年代并取得了一定成果， 日本三菱公司在“ 國(guó)9際7電力設(shè)備 及技術(shù)展會(huì)”上展示了包含在線微水及在線局放等多項(xiàng)產(chǎn)品。 美國(guó)紐

3、約電管局及 加拿大魁北克水電局 1993 年安裝了 MONITEC 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)多次事故， 保證了 電力供應(yīng)。 近年來(lái)隨著新型傳感器技術(shù)的不斷使用， 國(guó)外相繼推出了一些狀態(tài)監(jiān) 測(cè)的示范性產(chǎn)品，典型的 HYPERLINK / / 有日本東芝的 C-CIS 和 ABB 公司的 EXK 型智能化 GIS ，使用了負(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(cè) SF6氣體 GIS的微水變化趨勢(shì)。使整個(gè)組合電器在 二次在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)主要還停留在傳統(tǒng)的 SF6 氣體微水含量的離線檢測(cè)基礎(chǔ)上，具有精度 低、檢測(cè)繁瑣、檢測(cè)數(shù)據(jù)可比性差等缺點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi) GIS 廣泛的使用，國(guó)內(nèi)的 研究

4、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(cè)， 多為相對(duì)濕度傳感器， 精確性差， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能 變電站的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。二、在線式 SF6 微水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀1.項(xiàng)目研究的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。SF6氣體在線微水監(jiān)測(cè)裝置主要用于在線監(jiān)測(cè)斷路器 SF6 氣體的微水、溫 度及其變化趨勢(shì)。當(dāng) SF6 氣體有關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)變化時(shí)，給出變化曲線 ;有關(guān)指標(biāo)達(dá) 到報(bào)警狀態(tài)時(shí)，報(bào)警或自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置 ;當(dāng)有關(guān)指標(biāo)超標(biāo)達(dá)到危險(xiǎn)狀況時(shí)，以 保障設(shè)備和變電站整套系統(tǒng)的安全。上述監(jiān)測(cè)設(shè)備配有 RS485/CAN 通訊接口，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至變電 站、城市中心乃至更上級(jí)監(jiān)

5、控中心， 真正實(shí)現(xiàn)變電站， 尤其是無(wú)人值班站的設(shè)備 在線監(jiān)測(cè)。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(cè) SF6 氣體濕度、和溫度 .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(dòng)啟動(dòng)低壓報(bào)警、 微水超標(biāo)報(bào)警和閉鎖裝置D、通過(guò)后臺(tái)軟件顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并自動(dòng)繪制狀態(tài)變化趨勢(shì)圖 .E、大屏幕液晶顯示器現(xiàn)場(chǎng)顯示實(shí)時(shí)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)警和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 HYPERLINK / /過(guò) RS485 或 CAN 總線

6、遠(yuǎn)傳集控中心 .C、氣體的流動(dòng)性和穩(wěn)定性本文重點(diǎn)介紹了目前 SF6 氣體在線微水監(jiān)測(cè)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(cè)裝置的原理及實(shí)現(xiàn)方案SF6氣體微水含量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集 GIS的濕度、溫度和壓力 3 個(gè)特 征量 ,并對(duì)這 3 個(gè)特征量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、傳送、存儲(chǔ)、計(jì)算、判斷和顯示來(lái)完 成整個(gè)在線監(jiān)測(cè)過(guò)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(guó) Silabs 公司 C8051F 高速 MCU ，該單片機(jī)為 CIP51 內(nèi)核 , 具有 Cygnal 指令和 MCS51 指令系統(tǒng)全兼容的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用 RS485 和PC 機(jī)

7、通信。 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信理論距離是 1. 2 km ，一臺(tái)計(jì)算機(jī)理論上可以和 128 臺(tái) SF6 在線檢測(cè)儀中的單片機(jī)進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)向 SF6 在線監(jiān)測(cè)儀中的 單片機(jī)請(qǐng)求當(dāng)前及歷史的濕度、溫度、壓力探頭信號(hào)數(shù)據(jù)。 PC 機(jī)和單片機(jī)的通 信方式為 : PC 機(jī)采用 HYPERLINK / / 主控方式，單片機(jī)采用中斷方 式。每個(gè)單片機(jī)都有一個(gè)“本機(jī) ”地址，以便計(jì)算機(jī)對(duì)其尋址。工作原理圖參器和壓力傳感器。 為了便于隨時(shí)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(cè)儀的測(cè)量腔體中的方法， 通過(guò)取氣口使傳感器和被測(cè)氣體連通。 這樣，當(dāng) GIS 中的微水含量變化時(shí)，由于自然擴(kuò)

8、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(shí)間內(nèi)檢測(cè)到 GIS 中微水的變化。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)一 段母線筒中和測(cè)量腔體中微水的自然平衡過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究， 從而為現(xiàn)場(chǎng)在取 氣口外接傳感器進(jìn)行濕度的在線監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)。SF6 氣體中微水含量的檢測(cè)屬于低濕度測(cè)量的范疇， 因此該系統(tǒng)選用的是適 于低濕環(huán)境測(cè)量的薄膜電容型濕度傳感器， 該傳感器具有長(zhǎng)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(cè)量較濕度測(cè)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 HYPERLINK / / 具有良好的線性和互換性， 測(cè)量準(zhǔn)確

9、度 高，并具有消除電源波動(dòng)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(cè)量傳感器的首創(chuàng)者， 在濕度測(cè)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(cè)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(dòng)校準(zhǔn)、 增益回歸兩項(xiàng)專利技術(shù)， 使得露點(diǎn)測(cè) 量范圍寬、精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、性價(jià)比極佳。DRYCAP?傳感器由兩部分組成： 電容型聚合物薄膜測(cè)濕傳感器及電阻型測(cè) 溫傳感器，測(cè)濕傳感器測(cè)量被測(cè)氣體中的水分子，從而測(cè)出相對(duì)濕度;測(cè)溫傳感器測(cè)量測(cè)

10、濕傳感器的表面溫度 ;儀器內(nèi)置的微處理器從這兩個(gè)參數(shù)計(jì)算出露點(diǎn)。 測(cè)濕、測(cè)溫傳感器通過(guò)金屬膜背靠背緊密靠近， 這樣一方面使得測(cè)溫傳感器能夠 準(zhǔn)確測(cè)得濕度傳感器所處溫度 ;另一方面通過(guò)金屬膜的作用大大減小了外部電場(chǎng)DRYCAP?的反應(yīng)作用產(chǎn)生的感應(yīng)電容， 從而提高了測(cè)量精度。在低濕情況下，時(shí)間為 4040 秒，取決于濕度變化方向和大小，測(cè)量高濕時(shí)反應(yīng)時(shí)間較短。DRYCAP?的耐溫范圍 -40+180 ，承壓范圍為 020bar 。其本身耐腐蝕性 也極為突出， 對(duì)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(duì) 濕度微小的誤差都會(huì)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

11、 和-50 的露點(diǎn)相當(dāng)于此時(shí) 0.8%RH 和 0.3%RH 的相對(duì)濕度采用相對(duì)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(cè)得的最低露點(diǎn)為 -9 ，使用 Vaisala 的 DRYCAP?傳感器及自動(dòng)校準(zhǔn)專利技術(shù)，在保證 2%露點(diǎn)精度的同時(shí)可測(cè)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?dòng)校準(zhǔn)技術(shù)使得準(zhǔn)確的相對(duì)濕度測(cè)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(duì) 濕度低于 10% 時(shí) HYPERLINK / / 系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行自校準(zhǔn)功能， 此時(shí)上次 的輸出參數(shù)被鎖定， 校準(zhǔn)后系統(tǒng)即可輸出測(cè)量值。 自

12、校準(zhǔn)功能也可以以時(shí)間間隔 方式啟動(dòng) （通常為 6 小時(shí) ）。如果在校準(zhǔn)過(guò)程中溫度或露點(diǎn)測(cè)量值不穩(wěn)定，即環(huán)境 影響降溫過(guò)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(huì)在設(shè)定的時(shí) 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(guò)優(yōu)秀的 DRYCAP?硬件設(shè)計(jì)及自動(dòng)校準(zhǔn)軟件使得準(zhǔn)確測(cè)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(zhǎng)期聚集在濕敏元件內(nèi)部影響測(cè)量精度， 為保證 準(zhǔn)確測(cè)量， Vaisala 公司開發(fā)出增益回歸軟件，其工作過(guò)程為在零點(diǎn)自動(dòng)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)

13、確測(cè)量， 同時(shí)這一方法排除了油污聚集影 響反應(yīng)時(shí)間的困擾。DRYCAP?濕敏元件不怕冷凝水， 發(fā)生冷凝時(shí)，自然風(fēng)干后可繼續(xù)正常使用。 但風(fēng)干時(shí)需將儀器取出， 這會(huì)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(duì)濕度意外升高到 80%RH 以上時(shí)，測(cè)溫 HYPERLINK / / 傳感器馬上對(duì)濕敏元件加熱， 以減小局部相對(duì)濕度， 從而避免飽和水汽形成。 通過(guò)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(cè)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(wèn)題。計(jì)算可以適用牛頓 迭代法 ,計(jì)算出 后,

14、再把 和 T=293. 2 ( 20 )代入方程 (式 5 ) ,得 20 時(shí)的壓力 p1, 這在計(jì)算體積濃度的修正值時(shí)用到。對(duì)于微水含量監(jiān)測(cè)，需計(jì)算， 體積濃度、露點(diǎn)溫度以及修正值 ,并和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比較來(lái)判斷監(jiān)測(cè)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(jiàn)圖圖 2 程序框圖四、綿陽(yáng)鐵牛 110kV 變電 HYPERLINK / / 站 SF6 氣體微水在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)用情況在 2011 年 11 月 15 日通過(guò)圖一運(yùn)用新傳感器在線微水第一次檢測(cè)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(gè)點(diǎn)誤差 HYPERLINK / /均在符

15、合范圍以內(nèi)。在 2011 年 12 月 2 日通過(guò)圖二運(yùn)用新傳感器在線微水第二次檢測(cè)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(gè)點(diǎn)誤差均在符合范圍以內(nèi)。在 2011 年 12 月 27 日通過(guò)圖三運(yùn)用新傳感器在線微水第二次檢測(cè)得出結(jié) 論得出的數(shù)據(jù)：高南二鐵支線 HYPERLINK / / 比便攜表多出 39ppm ，母線氣室少于 58ppm ，2 個(gè)點(diǎn)誤差均在符合范圍以內(nèi)。通過(guò)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， 和便攜表顯示結(jié)果 比對(duì)一致無(wú)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(cè)斷路 器 SF6 氣體的微水、溫度及其變化趨勢(shì)。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(cè)斷路器 SF6 氣體的微水的變化趨勢(shì)。當(dāng) SF6氣體有 關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)變化