淺析高壓開(kāi)關(guān)配電室SF6環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要:介紹了高壓開(kāi)關(guān)配電室SF6環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、主要功能、工作原理及設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)應(yīng)用電化學(xué)SF6濃度傳感器,采用熱裂解-電化學(xué)復(fù)合檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)配電室環(huán)境中SF6濃度實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)監(jiān)測(cè)氧氣含量、溫度、濕度等參數(shù),并且當(dāng)配電室環(huán)境中SF6濃度、氧氣含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng),確保進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的工作人員的人身安全。系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于電廠、變電站及高壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家。

關(guān)鍵詞:高壓開(kāi)關(guān)配電室;SF6;電化學(xué)傳感器;環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);復(fù)合檢測(cè)技術(shù)

0引言

開(kāi)關(guān)室是電廠、變電站等設(shè)備集中的地方,尤其是裝有SF6設(shè)備的開(kāi)關(guān)室,平時(shí)因?yàn)橥L(fēng)不良可能會(huì)缺氧或因設(shè)備中SF6氣體泄漏而污染室內(nèi)環(huán)境,使進(jìn)入開(kāi)關(guān)室進(jìn)行巡視、檢修的工作人員的健康甚至生命受到嚴(yán)重威脅,給電力安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。因此,國(guó)內(nèi)《電業(yè)安全工作規(guī)程》特別規(guī)定,在相關(guān)場(chǎng)所安裝氧氣和SF6檢測(cè)報(bào)警裝置,并安裝必要的通風(fēng)換氣裝置。同時(shí),從環(huán)保的角度來(lái)考慮,在電廠、變電站、高壓開(kāi)關(guān)廠等相關(guān)場(chǎng)所也有必要安裝SF6檢測(cè)報(bào)警裝置。因此,設(shè)計(jì)一套集SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度等參數(shù)為一體,同時(shí)具備自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)功能的SF6環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。

1系統(tǒng)組成及功能

1.1幾種SF6氣體濃度檢測(cè)方法的比較

空氣中微量的SF6氣體濃度的檢測(cè)是比較困難的,以前所采用的方法主要有:紅外吸收法、放射源型電子捕獲檢定器法、電火花電離法及半導(dǎo)體傳感器等方法。紅外吸收法和放射源型電子捕獲檢定器法反應(yīng)速度快、靈敏度較高,但價(jià)格昂貴,設(shè)備體積大;電火花電離法是放射源型電子捕獲檢定器法的簡(jiǎn)易型,即利用高頻電壓放電火花的方法取代放射源,而形成一個(gè)了離子流(基流),而此基流在接觸到SF6等強(qiáng)電負(fù)性的物資時(shí)會(huì)使其基流下降,從而檢測(cè)出SF6氣體的濃度。此種方法靈敏度高、非線性,容易受空氣中其他物質(zhì)(如水分)及溫度的影響,尤其是放電電極的熔蝕現(xiàn)象,使其產(chǎn)生的基流極不穩(wěn)定。因此,此方法常用于便攜式鹵族元素及其化合物的檢漏使用,半導(dǎo)體傳感器的方法靈敏度較低,溫度、濕度等環(huán)境的影響非常大,穩(wěn)定性差,因此應(yīng)用較少。上述的幾種方法都是物理方法,并且這幾種方法都有一定的缺點(diǎn),所以上述幾種方法都沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

近幾年發(fā)展起來(lái)的電化學(xué)傳感器檢測(cè)技術(shù)逐漸成熟,并且由于電化學(xué)傳感器具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),使其在氣體檢測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是,由于SF6氣體的分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定,無(wú)法使用電化學(xué)傳感器直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,因此,系統(tǒng)采用熱裂解-電化學(xué)復(fù)合檢測(cè)技術(shù)。由儀器內(nèi)置的吸氣泵使SF6氣體吸入儀器并通過(guò)熱裂解器使其發(fā)生裂解反應(yīng),其分解產(chǎn)物與空氣中的氧氣、水等化合后生成二次產(chǎn)物,利用電化學(xué)傳感器檢測(cè)其二次反應(yīng)的生成物就可以達(dá)到間接測(cè)量SF6氣體的目的。SF6濃度的檢測(cè)就是采用電化學(xué)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

1.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、多功能控制器、SF6氣體采集器、SF6濃度電化學(xué)傳感器、氧氣探測(cè)器、溫度變送器、濕度變送器、紅外傳感器等組成。

1.3系統(tǒng)功能

監(jiān)控主機(jī)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)送控制指令、報(bào)警指示、數(shù)據(jù)上傳、軟硬復(fù)位等功能,配備TFT64位真彩LCD液晶顯示屏、鍵盤(pán)操作面板、RS485總線接口,具有靈活的人機(jī)交流功能。

多功能控制器控制SF6采集器中的氣泵及電磁閥,分時(shí)將各個(gè)通道的SF6氣體從現(xiàn)場(chǎng)抽到SF6采集器的氣室內(nèi),再由SF6濃度電化學(xué)傳感器的內(nèi)置泵從氣室內(nèi)吸入SF6氣體,采用熱裂解-電化學(xué)復(fù)合檢測(cè)技術(shù)對(duì)采集到的SF6氣體濃度進(jìn)行分析,并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到多功能控制器,多功能控制器通過(guò)RS485總線,將測(cè)量結(jié)果送到監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)。

由于氧氣傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器已經(jīng)采用了RS485總線的通訊方式,因此配電室環(huán)境中的氧氣含量、溫度信號(hào)、濕度信號(hào)通過(guò)RS485總線直接與監(jiān)控主機(jī)連接,監(jiān)控主機(jī)將對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析判斷、顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)。

2工作原理

2.1監(jiān)控主機(jī)的工作原理

監(jiān)控主機(jī)是系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分,采用嵌入式操作系統(tǒng),大屏幕LCD液晶顯示屏,鍵盤(pán)操作面板,圖形界面友好,其控制流程如圖2所示。

監(jiān)控主機(jī)依次與多功能控制器、氧氣探測(cè)器、溫度變送器、濕度變送器進(jìn)行通訊,讀取各個(gè)通道SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度的數(shù)值,當(dāng)監(jiān)控主機(jī)檢測(cè)到配電室中某通道SF6氣體的濃度超過(guò)10-3時(shí),或者氧氣的含量低于18%時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng),并發(fā)出SF6氣體濃度超標(biāo)或氧氣含量過(guò)低的聲響報(bào)警,將SF6氣體濃度數(shù)值、氧氣含量數(shù)值、通道位置等報(bào)警信息通過(guò)RS485總線或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?傳送到有關(guān)負(fù)責(zé)人及維修人員的辦公室,提示工作人員進(jìn)行及時(shí)的維修,避免產(chǎn)生重大的生產(chǎn)事故,同時(shí)提示進(jìn)入配電室工作的工作人員作好防護(hù)措施。

同時(shí),為了保持SF6配電室中的空氣暢通,還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇的功能,即工作人員可以根據(jù)需要,自行設(shè)定幾個(gè)時(shí)間點(diǎn),當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇排風(fēng),并且每次排風(fēng)的時(shí)間也可以根據(jù)需要設(shè)定。為了*大程度地保護(hù)工作人員的身體健康,還設(shè)定了手動(dòng)開(kāi)啟和停止排風(fēng)扇的手動(dòng)開(kāi)關(guān),工作人員可以根據(jù)需要隨時(shí)開(kāi)啟和停止排風(fēng)扇。另外,系統(tǒng)采用紅外傳感器,無(wú)論什么時(shí)間,只要有工作人員進(jìn)入SF6配電室,紅外傳感器都能夠感知到,并且自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng),保護(hù)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的工作人員生命安全。

2.2多功能控制器的工作原理

2.2.1多功能控制器的硬件設(shè)計(jì)

多功能控制器是系統(tǒng)中另一個(gè)重要的組成部分,采用P89V51RD2單片機(jī)作為檢測(cè)、控制的核心,采用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用繼電器、電磁閥控制采集通道的切換,采用485總線方式進(jìn)行通訊。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2.2多功能控制器的軟件設(shè)計(jì)

多功能控制器循環(huán)檢測(cè)SF6的濃度,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,保存在P89V51RD2單片機(jī)的RAM中,并且P89V51RD2單片機(jī)的串行口工作在中斷的工作方式下,采用MAX485芯片與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行485通訊。當(dāng)監(jiān)控主機(jī)向其發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令時(shí),多功能控制器就將SF6濃度的數(shù)值、通道的信息、報(bào)警信息發(fā)送到監(jiān)控主機(jī);當(dāng)設(shè)定的通道采集時(shí)間到時(shí),多功能控制器通過(guò)控制繼電器、電磁閥、吸氣泵等設(shè)備,完成通道的切換和SF6氣體的采集。

3安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

3.1概述

配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括智能監(jiān)控系統(tǒng)屏、通訊管理機(jī)、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)（云臺(tái)球機(jī)、槍機(jī)）、環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統(tǒng)（燈光、空調(diào)、除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵）、門(mén)禁監(jiān)控子系統(tǒng)（讀卡器、開(kāi)門(mén)按鈕、磁力鎖）、安防監(jiān)控子系統(tǒng)（雙鑒檢測(cè)器）。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶(hù)端供配電自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電室環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

3.4.2數(shù)據(jù)查詢(xún)

在人機(jī)界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.4.3曲線查詢(xún)

可以直接查看各電參量曲線。

3.4.4運(yùn)行報(bào)表

查詢(xún)配電室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表。

3.4.5實(shí)時(shí)告警

具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸?、有害氣體、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

3.4.6歷史事件查詢(xún)

能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。 

3.4.7用戶(hù)權(quán)限管理

設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能，可以定義不同級(jí)別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

3.4.8網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.4.9遙控功能

可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)配電室環(huán)境中SF6氣體的監(jiān)測(cè),對(duì)電力行業(yè)、高壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家的安全生產(chǎn),保障現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身體健康,都有著重要的意義。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的不斷發(fā)展,電力的需求也必將迅速增加,必然會(huì)新建更多的電廠、變電站,高壓開(kāi)關(guān)配電室SF6環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必然有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]陳家斌.SF6斷路器實(shí)用技術(shù).北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

[2]孔祥飛.SF6氣體在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì).西安:第九屆全國(guó)敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2005:466-469.

[3]求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航.北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]朱善君,孫新亞,吉吟東.單片機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2005:217-224.

[5]馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[6]徐愛(ài)鈞,彭秀華.單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51Windows環(huán)境編程與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[7]何方，呂成軍.高壓開(kāi)關(guān)配電室SF6環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].

[8]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介:

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室在線監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。