孫福軍,王寶軍,王振浩,成 龍

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090; 2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

高壓斷路器SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

孫福軍1,王寶軍1,王振浩2,成 龍2

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090; 2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

為解決戶外運(yùn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備在氣溫變化時(shí)腔體內(nèi)SF6氣體所含水分會(huì)凝結(jié)在固體介質(zhì)表面,同時(shí)氣體密度變化也會(huì)影響開(kāi)關(guān)可靠動(dòng)作,嚴(yán)重時(shí)威脅設(shè)備安全運(yùn)行的問(wèn)題,采用先進(jìn)的溫濕度、壓力等傳感器,設(shè)計(jì)了無(wú)線射頻收發(fā)電路及數(shù)據(jù)采集電路,開(kāi)發(fā)了集成度較高的一體化高壓斷路器SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線組網(wǎng),實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)測(cè)氣體的微量泄漏,并在某500 kV變電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,達(dá)到了技術(shù)要求。

高壓斷路器;SF6;傳感器;無(wú)線通信

高壓斷路器(開(kāi)關(guān))是電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一[1],SF6斷路器氣體的密度、濕度和溫度三項(xiàng)物理指標(biāo)是否處于額定范圍之內(nèi),決定著設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)SF6氣體密度、含水量等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)是保證電網(wǎng)SF6高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段[2-4]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)部門相繼制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SF6氣體質(zhì)量,特別是微水含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。但由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中只是單一的無(wú)量綱SF6氣體體積比(μL/L)的形式,而且沒(méi)有測(cè)量方式、溫度及壓力對(duì)測(cè)量影響的限定,因此到目前為止絕大部分仍采用SF6密度繼電器表、電解法、冷凝法和阻容法定期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[5-8],這樣勢(shì)必造成檢測(cè)結(jié)果受表的質(zhì)量和環(huán)境條件影響,檢測(cè)精度達(dá)不到要求。對(duì)此,本文研究了高壓斷路器SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)SF6氣體為絕緣的高壓設(shè)備的壓力、溫度變化,實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)測(cè)氣體的微量泄漏,隨時(shí)掌握氣體含水量、密度[9]的變化并適時(shí)報(bào)警、閉鎖設(shè)備操作,便于運(yùn)行狀況下SF6氣體電氣設(shè)備的控制。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)氣體的密度值、含水值可以及時(shí)分析在警戒密度值以上氣體短期內(nèi)的微量泄漏率,取代以壓力表、密度繼電器的監(jiān)測(cè)方式,以達(dá)到監(jiān)測(cè)精度和真實(shí)可靠的監(jiān)測(cè)效果[10-12]。

1 設(shè)計(jì)方案

高壓斷路器SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、數(shù)據(jù)管理中繼裝置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)組成,如圖1所示。

圖1 SF6在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)每組開(kāi)關(guān)的A相、B相、C相開(kāi)關(guān)分別安裝1個(gè)監(jiān)測(cè)終端。監(jiān)測(cè)終端各種傳感器經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的多通件采集SF6氣體參數(shù),每個(gè)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)無(wú)線射頻組網(wǎng),與數(shù)據(jù)采集中繼裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集中繼裝置將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)測(cè)氣體的微量泄漏,隨時(shí)掌握氣體含水量、密度的變化并適時(shí)報(bào)警、閉鎖設(shè)備操作,便于運(yùn)行狀況下SF6氣體電氣設(shè)備的控制。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)氣體的密度值、含水值可以及時(shí)分析在警戒密度值以上氣體短期內(nèi)的微量泄漏率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端

監(jiān)測(cè)終端主要由微處理器電路、壓力、濕度變送器及AD采集電路、溫度傳感器電路,和RF收發(fā)電路組成。溫度傳感器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量通過(guò)I2C總線送CPU處理,濕度傳感器、壓力傳感器模擬量經(jīng)過(guò)信號(hào)處理經(jīng)AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻通訊方式傳送到數(shù)據(jù)采集中繼裝置?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 監(jiān)測(cè)終端工藝設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端為整體不銹鋼殼體,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—連接開(kāi)關(guān)SF6氣體的進(jìn)氣口;2—試驗(yàn)用放氣口;3—儲(chǔ)氣室與開(kāi)關(guān)氣體相連;4、5、6—濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器;7—3個(gè)傳感器的采集電路和無(wú)線射頻電路;8—無(wú)線發(fā)射天線

圖3 監(jiān)測(cè)終端工藝結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 Process structure of monitoring terminal

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

濕度傳感器DMT143、壓力傳感器us381-000002-010BG輸出信號(hào)為4～20 mA,電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻和射極跟隨器變成直流電壓信號(hào),連接到AD芯片(ADS1115)的模擬輸入端,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送CPU芯片 MSP430F2131進(jìn)行運(yùn)算。在微控制器的控制下,AD芯片將直流電壓轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字量,微控制器讀取壓力、濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行信號(hào)處理。溫度傳感器TMP112在微控制器的控制下,直接將SF6氣體的溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量,微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行信號(hào)處理。由溫度和壓力值通過(guò)氣體方程計(jì)算氣體密度,微控制器將采集數(shù)據(jù)打包后,由RF收發(fā)器發(fā)送到中繼裝置。濕度、壓力傳感器信號(hào)處理電路如圖4所示,溫度傳感器電路如圖5所示。

溫度傳感器采用美國(guó)TI半導(dǎo)體生產(chǎn)的I2C總線型數(shù)字溫度傳感器TMP112。將氣體的溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量,微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行信號(hào)處理。TMP112的測(cè)量范圍為-40～+125℃,精度為0.5 ℃。

圖4 濕度、壓力傳感器信號(hào)處理電路

圖5 溫度傳感器電路

2.1.3 監(jiān)測(cè)終端無(wú)線射頻通訊電路設(shè)計(jì)

射頻通訊電路是基于高性能的無(wú)線射頻芯片JTT4432以及高精度外圍元件組成，工作于433/470/915 MHz的通用ISM頻段,帶有調(diào)制器和解調(diào)器,發(fā)送時(shí)可以自動(dòng)打包,接收時(shí)可以自動(dòng)地址匹配、自動(dòng)CRC校驗(yàn)。發(fā)送和接收完畢后,其NIRQ中斷引腳會(huì)自動(dòng)設(shè)置為高電平,以表示發(fā)送或接收完畢。Si4432提供給應(yīng)用的控制器一個(gè)SPI接口,速度由微控制器自己決定,因此編程非常方便。其功耗非常低,以20 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流為85 mA,在接收模式時(shí)電流為15 mA,待機(jī)狀態(tài)電流僅為2.5 μA。JTT4432共有4種工作模式,分別為掉電和SPI編程模式、待機(jī)和SPI編程模式、接收模式、發(fā)送模式,其工作模式切換通過(guò)配置寄存器07H實(shí)現(xiàn)。電路原理如圖6所示。

圖6 無(wú)線射頻電路

2.2 數(shù)據(jù)管理中繼裝置硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中繼裝置由MAGE64單片機(jī)、信號(hào)變換整理、JTT4432無(wú)線收發(fā)電路、電源管理電路、鍵盤顯示單元等組成。通過(guò)無(wú)線射頻或總線方式接收各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后打成數(shù)據(jù)包,無(wú)線或總線方式傳送到遠(yuǎn)方。每個(gè)數(shù)據(jù)管理中繼裝置可管理32個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端,是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和交換的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集中繼器裝置的微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的新一代高性能、低功耗單片機(jī)ATmega64。采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu),全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi)),低功耗,ATmega64單片機(jī)的工作電壓范圍為2.7～5.5 V,同時(shí)具有休眠模式及閑置(IDLE)低功耗模式,功耗為1～2.5 mA。結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理中繼裝置框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某變電站500 kV開(kāi)關(guān)進(jìn)行整體調(diào)試并投入運(yùn)行,多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,對(duì)遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)進(jìn)行遙測(cè),經(jīng)過(guò)比較分析,所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤,數(shù)據(jù)傳輸流暢,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了要求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、射頻通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了一套SF6氣體密度、濕度及泄漏在線監(jiān)系統(tǒng),并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),解決了長(zhǎng)期由于溫度、壓力測(cè)量方式影響而造成誤差和無(wú)法準(zhǔn)確真實(shí)測(cè)量設(shè)備的SF6氣體真實(shí)情況的技術(shù)問(wèn)題,提高了設(shè)備運(yùn)行安全性。

[1] 黃新波.變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診運(yùn)行斷 [M]． 北京：中國(guó)電力出版社，2010． HUANG Xinbo.Online monitoring and fault diagnosis of substation equipment [M].Beijing:China Electric Power Press,2010.

[2] 王振浩,杜凌艷,李國(guó)慶,等.動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法診斷高壓斷路器故障[J].高電壓技術(shù),2006,32(10):36-38.WANG Zhenhao,DU Lingyan,LI Guoqing,et al.Fault diagnosis of high voltage circuit breakers based on dynamic time warping algorithm[J].High Voltage Engineering,2006,32(10):36-38.

[3] 高仁璟,劉國(guó)新,唐禎安.基于Si4432的無(wú)線射頻遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2010,43(10):137-139.GAO Renjing,LIU Guoxin,TANG Zhenan.Design of RF remote control system based on Si4432[J].Communications Technology,2010,43(10):137-139.

[4] 劉有為，周 華.智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備信息流方案設(shè)計(jì) [J]．高壓電器，2011，47(1)：1-4． LIU Youwe，ZHOU Hua.Information flow scheme designed for smart HV switchgear[J].High Voltage Apparatus，2011，47(1)：1-4.

[5] 王春寧,劉紅波.六氟化硫氣體在線監(jiān)測(cè)的研究[J].高電壓技術(shù),2005,31(9):41-43.WANG Chunyu,LIU Hongbo.Research of SF6 gas online monitoring[J].High Voltage Engineering,2005,31(9):41-43.

[6] 張愛(ài)菊,李少雄.基于GPRS的SF6氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].高壓電器,2006,42(4):265-267.ZHANG Aiju,LI Shaoxong.Design of the instrument for measuring the density of SF 6 gas based on GPRS[J].High Voltage Apparatus,2006,42(4):265-267.

[7] 張曉星,王震.氣體絕緣變壓器局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2010,36(7)：1692-1696.ZHANG Xiaoxing,WANG Zhen.GIT partial discharge UHF on-line monitoring system[J].High Voltage Engineering,2010,36(7)：1692-1696.

[8] 舒佳,黃新波.智能變電站SF6 氣體智能監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].高壓電氣，2013，49(4)：1-7.SU Jia,HUANG Xinbo.Design of SF6 gas intelligence monitoring device for smart substation[J].High Voltage Apparatus,2013，49(4)：1-7.

[9] 黎斌.影響 SF6密度控制器監(jiān)控特性的因素分析 [J]．高壓電器， 2010,46(2)： 72-75． LI Bin.False alarm analysis of SF 6 density controller[J].High Voltage Apparatus ， 2010，46(2)：72-75.

[10] 顏湘蓮，宋杲，王承玉.基于SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)的氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34(6)：83-95.CHEN Wei-gen， DU Jie， LING Yun .Energy-wavelet moment characteristics of air-gap discharge in oil-paper insulation of transformer and partition of discharge process[J].Electric Power Automation Equipment,2014，34(6)：83-95.

[11] 顏湘蓮，王承玉，楊韌，等 .應(yīng)用 SF 6 氣體分解產(chǎn)物的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備故障診斷研究[J] .電網(wǎng)技術(shù)， 2011 ， 35 ( 12 )： 120-123.YAN Xianglian,WANG Chengyu,YANG Ren,et al.Fault diagnosis of high voltage switchgears by decomposition products of SF 6[J].Power System Technology ， 2011，35(12)： 120-123.

[12] 李國(guó)興，姜子秋，王曉丹.SF6分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)在SF6電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用 [J]．高壓電器， 2011，47(12)：104-108． LI Guoxing，JIANG Ziqiu，WANG Xiaodan.Application of content of SF 6 decomposition products in fault diagnosis of SF 6 electrical equipment[J].High Voltage Apparatus，2011，47(12)：104-108．

(責(zé)任編輯 王小唯)

Research on online monitoring system of high voltage circuit breaker SF6gas

SUN Fujun1,WANG Baojun1,WANG Zhenhao2,CHENG Long2

(1.State Grid Heilongjiang Electric Power Supply Company Limited,Harbin 150090,China; 2.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

When the temperature changes in cavity,the water content of the switching devices running outdoor obtained in SF6may condenses on the solid medium surface.While the gas density changes can also affect switch reliability and has a threat to the safe operation of equipment to the extent of seriousness.In order to solve the problem above,advanced temperature-humidity,pressure and other sensors were used to design radio frequency transceiver circuit and data acquisition circuit.And the integrate high voltage circuit breaker SF6gas monitoring terminal devices with a high degree of integration was developed.Through wireless network,real-time online monitoring of SF6density and water content changes and trace gas leak were reached.Also,a field test was conducted in a 500kV substation.Result shows that equipment used in monitoring system runs stability and data is accurate,which meets the technical requirements.

high voltage circuit breaker; SF6; sensor; wireless communication

2016-05-15。

孫福軍(1964—)男,高級(jí)工程師,主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的技術(shù)管理等工作。

TM561

B

2095-6843(2016)06-0533-04