GIS在线式SF6微水监测系统的运用研究

一、引言

SF6气体微水在线监测装置的发展背景

1. 国内外研究水平的现状和发展趋势;

SF6气体微水在线监测装置国外已在运行，湿度主要采用红外光谱法，采用压力传感器。这种原理性能稳定但是价格非常昂贵。

国内市场目前普遍采用离线测量微水、，需要放气、补气等繁杂的过程，操作麻烦而且不安全，也有在线微水检测产品单一，传感器寿命短，缺少智能化，无法查看任意点微水及的变化，日常维护量高。产品都存在很大的缺陷，SF6气体微水在线监测装置产品的湿度传感器都采用相对湿度传感器，这种传感器误差大、精度不准确、漂移厉害，通过程序处理假象显示，欺骗性大;优点就是价格低廉。

针对以上不足情况，开发一种SF6气体微水在线监测装置，性能优越，价格符合国情，因此湿度传感器采用高精度的高分子薄膜传感器，运用了先进的精确的SF6气体压力和温度之间关系的数学模型换算，采用嵌入式微机技术，实现报警、闭锁动作点通讯远传。接入后台操作系统跟上位机相连，做到实时监控、实时显示。将来该系统必须融入集控中心，实现数字化智能变电站多种在线监测联网监控。

2. 介绍国内外研究机构对本项目的研究情况;

国外研究在70年代并取得了一定成果，日本三菱公司在“97国际电力设备及技术展会”上展示了包含在线微水及在线局放等多项产品。美国纽约电管局及加拿大魁北克水电局1993年安装了MONITEC监测系统发现多次事故，保证了电力供应。近年来随着新型传感器技术的不断应用，国外相继推出了一些状态监测的示范性产品，典型的有日本东芝的C-CIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，应用了负电晕传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感器在线监测SF6气体GIS的微水变化趋势。使整个组合电器在二次在线监测系统下安全运行。

国内主要还停留在传统的SF6气体微水含量的离线检测基础上，具有精度低、检测繁琐、检测数据可比性差等缺点。随着国内GIS广泛的应用，国内的研究单位在90年代末期也开展了相应的研究，目前还处在研究成果多为单一或较少功能的分散式监测，多为相对湿度传感器，精确性差，无法实现数字化智能变电站的联网监测。

二、在线式SF6微水监测系统的技术现状

1.项目研究的技术关键与难点。

SF6气体在线微水监测装置主要用于在线监测断路器SF6气体的微水、、温度及其变化趋势。当SF6气体有关指标出现变化时，给出变化曲线;有关指标达到报警状态时，报警或自动启动报警装置;当有关指标超标达到危险状况时，以保障设备和变电站整套系统的安全。

上述监测设备配有RS485/CAN通讯接口，可将监测数据实时上传至变电站、城市中心乃至更上级监控中心，真正实现变电站，尤其是无人值班站的设备在线监测。并为断路器的状态检修提供了有效依据。

(1)技术关键：

A、在线监测SF6气体湿度、与温度.

B、预留RS485/CAN总线通讯接口.

C、可按预设值或用户给定值自动启动低压报警、微水超标报警和闭锁装置.

D、通过后台软件显示实时数据并自动绘制状态变化趋势图.

E、大屏幕液晶显示器现场显示实时数据。具备液晶屏屏幕保护功能.

F、手持遥控器设置底层各项技术参数、报警与闭锁门限值和显示方式.

G、全密封，抗干扰，适用于室外和低温环境.

(2)难点：

A、气密性及抗干扰试验.

B、通过RS485或CAN总线远传集控中心.

C、气体的流动性与稳定性

本文重点介绍了目前SF6气体在线微水监测装置的硬件及软件设计，克服气密性及抗干扰试验。

三、SF6气体在线微水监测装置的原理及实现方案

SF6气体微水含量在线监测系统需要采集GIS的湿度、温度和压力3个特征量 ,并对这3个特征量信号进行预处理、传送、存储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程 ,因此该系统由传感器、变送器、主控 PC机组成。单片机是采用美国Silabs公司C8051F高速MCU，该单片机为CIP51内核, 具有Cygnal指令与MCS51指令系统全兼容的特点。系统采用RS485与PC 机通信。SF6在线监测系统通信理论距离是 1. 2 km，一台计算机理论上可以与128台SF6在线检测仪中的单片机进行通信。计算机可以随时向SF6 在线监测仪中的单片机请求当前及历史的湿度、温度、压力探头信号数据。PC机与单片机的通信方式为: PC 机采用主控方式，单片机采用中断方式。每个单片机都有一个“本机 ”地址，以便计算机对其寻址。工作原理图参见图1。

GIS微水在线监测装置的传感器主要由3部分组成：湿度传感器、温度传感器和压力传感器。为了便于随时装卸，设计了一种将传感器安装于设备取气口外接的在线监测仪的测量腔体中的方法，通过取气口使传感器与被测气体连通。这样，当 GIS中的微水含量变化时，由于自然扩散的作用，安装于设备取气口外部的湿度探头也可以在较短时间内检测到GIS中微水的变化。在实验室内对一段母线筒中与测量腔体中微水的自然平衡过程进行了试验研究，从而为现场在取气口外接传感器进行湿度的在线监测提供了依据。

SF6气体中微水含量的检测属于低湿度测量的范畴，因此该系统选用的是适于低湿环境测量的薄膜电容型湿度传感器，该传感器具有长期稳定性好、灵敏度高、响应快等优点。温度和压力的测量较湿度测量要容易一些，而且温度传感器和压力传感器技术要比湿度传感器成熟得多。该系统温度传感器采用的是AD590,该器件具有良好的线性和互换性，测量准确度高，并具有消除电源波动的特性;压力传感器选用的是压阻应变式压力传感器。

1.主要传感器技术部分

芬兰维萨拉(Vaisala)是聚合物薄膜测量传感器的首创者，在湿度测量领域有60年的实践经验，其利用聚合物薄膜开发的专门用于测量低露点的传感器DRYCAP®性能稳定，不受凝结水和大多数化学物质的影响，并且由于使用DRYCAP®的露点仪采用了零点自动校准、增益回归两项专利技术，使得露点测量范围宽、精度高、长期稳定性好、性价比极佳。

DRYCAP®传感器由两部分组成：电容型聚合物薄膜测湿传感器及电阻型测温传感器，测湿传感器测量被测气体中的水分子，从而测出相对湿度;测温传感器测量测湿传感器的表面温度;仪器内置的微处理器从这两个参数计算出露点。测湿、测温传感器通过金属膜背靠背紧密靠近，这样一方面使得测温传感器能够准确测得湿度传感器所处温度;另一方面通过金属膜的作用大大减小了外部电场作用产生的感应电容，从而提高了测量精度。在低湿情况下，DRYCAP®的反应时间为40~40秒，取决于湿度变化方向和大小，测量高湿时反应时间较短。DRYCAP®的耐温范围-40~+180℃，承压范围为0~20bar。其本身耐腐蚀性也极为突出，对于碱性和弱酸性气体有较好的适应。通常在低湿的情况下，相对湿度微小的误差都会使露点的计算产生很大的偏差，例如：在室温情况下，-40℃和-50℃的露点相当于此时0.8%RH和0.3%RH的相对湿度采用相对湿度精度为±2%RH的一般薄膜湿敏传感器要得到±2%℃的露点精度所能测得的最低露点为-9℃，应用Vaisala的DRYCAP®传感器及自动校准专利技术，在保证±2%℃露点精度的同时可测得的最低露点为-60℃，在精度稍低的情况下可达到-80℃的露点，这是因为自动校准技术使得准确的相对湿度测量成为可能。

在确定RH0后，即可进行准确的RH计算，从而准确计算出露点，当相对湿度低于10%时系统自动执行自校准功能，此时上次的输出参数被锁定，校准后系统即可输出测量值。自校准功能也可以以时间间隔方式启动(通常为6小时)。如果在校准过程中温度或露点测量值不稳定，即环境影响降温过程或假设的PW为一常数条件不满足，自校准功能将会在设定的时间间隔后，再次执行。依此类推，直至温度和露点温度稳定后才输出真实露点。通过优秀的DRYCAP®硬件设计及自动校准软件使得准确测量低湿露点得以实现。

由于某些化学物质气体分子长期聚集在湿敏元件内部影响测量精度，为保证准确测量，Vaisala公司开发出增益回归软件，其工作过程为在零点自动校准软件执行前执行增益回归功能，将DRYCAP®传感器升温到160℃，使其内部聚集的化学物质分子蒸发，从而保证了准确测量，同时这一方法排除了油污聚集影响反应时间的困扰。

DRYCAP®湿敏元件不怕冷凝水，发生冷凝时，自然风干后可继续正常使用。但风干时需将仪器取出，这会影响其他工作的正常进行。为了防止此类情况的频繁发生，在DMT-242露点仪中还附有一保护功能：即当相对湿度意外升高到80%RH以上时，测温传感器马上对湿敏元件加热，以减小局部相对湿度，从而避免饱和水汽形成。通过使用这一客户友好功能，使得停工率大幅降低，从而提高了生产效率。

2.在线监测的软件设计

编程的重点在于解决气体计算及湿度修 正的算法问题。计算可以适用牛顿迭代法 ,计算出ρ后, 再把ρ和T=293. 2 ( 20 ℃)代入方程 (式 5 ) ,得20 ℃时的压力p1,这在计算体积浓度的修正值时用到。对于微水含量监测，需计算，体积浓度、露点温度以及修正值 ,并与国家标准比较来判断监测结果是否越限 ,是否要做报警处理。其结构程序框图见图

图2　程序框图

四、绵阳铁牛110kV变电站SF6气体微水在线监测装置运用情况

在2011年11月15日通过图一运用新传感器在线微水第一次检测得出结论得出的数据比便携表：高南二铁支线比便携表多出85ppm，母线气室少于55ppm，2个点误差均在符合范围以内。

在2011年12月2日通过图二运用新传感器在线微水第二次检测得出结论得出的数据：高南二铁支线比便携表多出185ppm，母线气室少于107ppm，2个点误差均在符合范围以内。

在2011年12月27日通过图三运用新传感器在线微水第二次检测得出结论得出的数据：高南二铁支线比便携表多出39ppm，母线气室少于58ppm，2个点误差均在符合范围以内。

通过新设备数据显示在线微水状态显示结果成线性变化，与便携表显示结果比对一致无误。并且状态显示稳定。安装工艺良好。项目最终实现在线监测断路器SF6气体的微水、温度及其变化趋势。并为断路器的状态检修提供有效依据。

五、结论

项目最终实现在线监测断路器SF6气体的微水的变化趋势。当SF6气体有关指标出现变化时，给出变化曲线;有关指标达到报警状态时，报警或自动启动报警装置;当有关指标超标达到危险状况时，报警或自动启动闭锁装置，禁止断路器动作，以保障设备和变电站整套系统的安全。配有RS485/CAN通讯接口，可将监测数据实时上传至变电站、城市中心乃至更上级监控中心，真正实现变电站，尤其是无人值班站的设备在线监测。并为断路器的状态检修提供有效依据。但是目前仍有气体流通问题未解决将在以后的更新中逐步完善其难点，使以后的SF6气体微水在线监测装置更好，更完美。

参考文献

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