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，欺騙性大;優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格低廉。

針對(duì)以上不足情況，開(kāi)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“97國(guó)際電力設(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)的不斷應(yīng)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(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廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的研究單位在90年代末期也開(kāi)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)鍵與難點(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)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、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(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)警與閉鎖門(mén)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(guò)RS485或CAN總線遠(yuǎn)傳集控中心.

C、氣體的流動(dòng)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(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(cè)系統(tǒng)通信理論距離是 1. 2 km，一臺(tái)計(jì)算機(jī)理論上可以與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)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(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。工作原理圖參見(jiàn)圖1。

GIS微水在線監(jiān)測(cè)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(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)取氣口使傳感器與被測(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)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)一段母線筒中與測(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,該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量準(zhǔn)確度高，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(kāi)發(fā)的專門(mén)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)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)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，DRYCAP®的反應(yīng)時(shí)間為40~40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0~20bar。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℃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℃，應(yīng)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)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(kāi)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)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ρ后, 再把ρ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 ,并與國(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)誤差均在符合范圍以內(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，與便攜表顯示結(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)，報(bào)警或自動(dòng)啟動(dòng)閉鎖裝置，禁止斷路器動(dòng)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(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)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)檢修提供有效依據(jù)。但是目前仍有氣體流通問(wèn)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(cè)裝置更好，更完美。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 王晉根 ,黃 　弘. SF6 電器中微水過(guò)量的危害及采標(biāo)建議 [ J ]. 高電壓技術(shù) , 2002, 28 ( 5 ) : 49.

[ 2 ] 羅飛 ,陳偉根 ,陳新崗. SF6 氣體中微水含量在線監(jiān)測(cè)方法 [ J ]. 高壓電器 , 2004, 40 ( 6 ) : 459.

[ 3 ] 陸振生. 智能化高壓電器. 第一屆智能化開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)柜技術(shù)研討會(huì)文集, 1997： 13

[ 4 ] 張健. GIS狀態(tài)監(jiān)測(cè)綜合管理系統(tǒng).[學(xué)位論文]

[ 5 ] 任玉剛等. DP19型微水儀使用中存在的問(wèn)題及對(duì)策. 河北電力技術(shù)，2002(6)：20~21

[ 6 ] M.C.Glcnn and J.A. Schuctz. An IC Compatible Polymer Humidity Sensor. Proeccding of International Conference on Solid State Sensors and Actuators. 1985, P217~224

[ 7 ] M.Cote, M.f..Frechehtle, R.Y. Larocque. Negative DC Characteristics in SF6 under Moistrue Contamination. IEEE Tranisaction on Dielectrics and Electiical Insulation. 1993: P860-867