董海波 ，張嘉倍 ，行明濤 ，李志剛 ，路成鋼 ，梁 凱

（1.鄭州華力信息技術(shù)有限公司河南鄭州450006；2.東北大學遼寧沈陽110167）

六氟化硫（SF6）氣體具有良好的絕緣性能和滅弧性能，被大量應(yīng)用于電力設(shè)備中，如：斷路器、高壓變壓器、氣封閉組合電容器、高壓傳輸線、互感器等。

SF6氣體絕緣設(shè)備得到了廣泛使用，使得電力部門在運維檢修過程中需要進行大量的SF6充氣、補氣工作。當氣瓶中的液態(tài)SF6充入設(shè)備時，SF6由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，需要吸收大量熱量，如果外部無法提供熱源，則氣瓶表面溫度驟降有結(jié)冰現(xiàn)象，溫度進一步降低時，SF6氣化過程放緩，當環(huán)境溫度較低時甚至無法充氣。傳統(tǒng)的解決方法是用大量熱水或汽油噴燈加熱氣瓶來補充熱量，缺點是受熱面積不均勻，溫度不能保持恒定，工作效率低、氣體殘留率高，同時汽油噴燈屬動火作業(yè)存在安全隱患。

目前市場上最常見的有兩種解決方案，第一種是采用電磁加熱，在氣瓶表面纏繞電磁線圈。通過加熱控制器，實現(xiàn)電磁對鋼瓶體加熱（原理類似家用電磁爐）。這種方案優(yōu)點是加熱速度快，加熱效率高。缺點是安全性不高，危險性及大。第二種是電加熱毯方案，電加熱毯是一種柔性加熱毯，它的保溫材料和面料均為化纖類產(chǎn)品，可折疊，卷曲。產(chǎn)品由里到外分別為電熱面布、電熱絲、電熱基布、保溫材料、面布（類似家用電熱毯）等部分組成。它的優(yōu)點是加熱穩(wěn)定，效率高。缺點：加熱時瓶體吸熱會產(chǎn)生水。有造成電熱絲短路的可能，安全性不高。

基于以上原因，我們采用了一種新的思路，開發(fā)設(shè)計一套加熱裝置，熱風加熱鋼瓶裝置。它用便攜式工業(yè)熱風機作為熱量來源，可以設(shè)定恒定溫度參數(shù)，高效率出熱，具備大風量，長時間工作等特點。通過耐熱管道把高達150°C的熱風輸入到帶隔熱套的鋼瓶周圍。外部又增加了一套溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實時檢測隔熱套內(nèi)的溫度參數(shù)，當溫度超過限值時，可以通過控制回路直接切斷熱風機的工作電源，使其斷電并及時停止工作。本裝置通過兩個完全獨立的檢測控制回路，徹底解決加熱前端的安全問題。

1 方案設(shè)計

本方案采用5 kW工業(yè)熱風機提供熱源，通過耐高溫管把熱風送入帶有隔熱套的SF6氣瓶周圍，實現(xiàn)對SF6氣瓶充氣過程的實時加熱，防止氣瓶在充氣過程中結(jié)冰，提高充補氣效率。方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

SF6氣瓶加熱裝置，主要從易維護性、便攜性、安全性等方面開展研究。

1.1 易維護性

本裝置采用模塊化設(shè)計，各功能模塊簡單組裝即可運行。在運行過程中的維護應(yīng)盡量做到簡單易行，系統(tǒng)安裝和使用方法簡單、可靠。而且維護過程中無需使用過多專用的維護工具。另外配件非常容易采購。它主要分為3個模塊，分別是熱量產(chǎn)生模塊（即工業(yè)熱風機）、溫度檢測控制模塊、瓶體隔熱保溫模塊。

熱量產(chǎn)生模塊及攜式工業(yè)熱風機，它采用非磁性鎳鉻絲通電加熱空氣作熱風源。采用干凈衛(wèi)生，符合環(huán)保的設(shè)計理念。并具有巧妙風洞設(shè)計，空氣從螺旋電熱絲內(nèi)/外側(cè)均勻通過，熱交換近100%，風壓損失少等特點。熱風機外型圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)熱風機外形圖

溫度檢測控制模塊，采用兩套隔離檢測回路，分別是熱風機內(nèi)部出口溫度檢測回路采用鉑電阻工業(yè)溫度傳感器做為熱風出口溫度檢測的敏感器件。獨立的外部隔熱套內(nèi)溫度檢測回路采用完全數(shù)字化的溫度傳感器，特點是精度高，方便耐用。

瓶體隔熱保溫模塊，采用特氟龍耐高溫布。布料除具有優(yōu)異的釋放性，抗磨損性，低摩擦系數(shù)和耐腐蝕性之外，還能在-170～+260℃溫度使用過程中保持原有物理形態(tài)，不會變形。并且其具備無毒、無臭、無味的諸多優(yōu)良特性。另外隔熱套具有非常良好的柔軟性，可以方便折疊存放。隔熱套示意圖如下：

圖3 隔熱套示意圖

1.2 便攜性

加熱模塊采用工業(yè)便攜熱風機，它的重量只有9 kg，長×寬×高 ：449 mm×181 mm×272 mm 非常輕巧方便攜帶。特氟龍耐高溫布隔熱套柔軟可折疊收藏，也非常方便攜帶。

1.3 安全性

溫度檢測控制模塊，采用雙重隔離檢測回路，熱風機內(nèi)部出口溫度檢測回路，使用PID/SSR控制，精度高，反饋快，持久耐用。設(shè)有過熱過載保護裝置，充分保證設(shè)備安全可靠，并具有長時間不間斷工作的特點。另外獨立的隔熱套內(nèi)溫度實時檢測控制器，采用數(shù)字式溫度傳感器實時采集溫度信息，并由外部溫度測量控制器實時判斷是否溫度超限，并及時采用動作，保證溫度在可控范圍之內(nèi)。

2 硬件設(shè)計

便攜式SF6氣瓶加熱裝置。主要由便攜式熱風機與外部獨立檢測控制器兩部分組成。

2.1 便攜式熱風機

便攜式熱風機內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由鼓風機、發(fā)熱器、溫度控制電路三大部分組成。

鼓風機屬容積運轉(zhuǎn)式鼓風機。本裝置鼓風機所使用材料，機殼葉輪為鋁合金材質(zhì)，軸則是鈦合金材質(zhì)。它采用單級葉輪模式，風冷冷卻方式，驅(qū)動使用永磁高速電機變頻驅(qū)動?？刂撇捎米冾l調(diào)速控制，可以提供多種控制模式，包括：轉(zhuǎn)速控制模式、DO控制模式、以及手動控制模式。平均工作環(huán)境溫度20℃，濕度為80%，極端工作溫度85℃，濕度100%。葉輪端旋轉(zhuǎn)方向是逆時針旋轉(zhuǎn)，通過20 000次的啟動軸承測試，設(shè)計使用壽命10年以上，從而保證它的可靠性，它的主要特色是運行安全，使用壽命長。

發(fā)熱器采用電阻加熱法，利用電流的焦耳效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)變成熱能通過空氣流動間接加熱物體表面。電阻加熱的發(fā)熱元件采用鎳鉻合金和二硅化鉬組成。它的電阻率大、電阻溫度系數(shù)小，在高溫下變形小且不易脆化。最高工作溫度，可達100～500℃。

溫度控制電路的溫度探頭采用PT100薄膜鉑電阻，溫度范圍可達-70～500℃，并可長期穩(wěn)定性工作。溫度控制器實時采集PT100的溫度，并通過控制發(fā)熱器產(chǎn)生間接性的熱量，對溫度實時加熱預(yù)估，實時保證加熱溫度在設(shè)定范圍之內(nèi)。當溫度超越最大和最小限值時，控制器就會驅(qū)動發(fā)熱器加熱和停止作動態(tài)控制操作。

2.2 獨立檢測控制器

獨立檢測控制器回路主要由系統(tǒng)電源、主控CPU，系統(tǒng)時鐘、顯示模塊存儲單元、溫度傳感器等多個模塊組成。

電源采用12 V/1 A開關(guān)電源模塊。輸入電壓范圍85～264 VAC，額定輸出電壓12 V輸出電流為1 A，工作效率＞80%，安全方面具有，過壓保護、過流保護、短路保護，并且具有保護后自恢復(fù)功能。完全支撐起整個系統(tǒng)的供電任務(wù)。

主控采用ST ARM 32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。主控CPU集成了復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，供電2～3.6 V，容忍5 V的I/O管腳，優(yōu)異的安全時鐘模式，帶喚醒功能的低功耗模式，內(nèi)部RC振蕩器，內(nèi)嵌復(fù)位電路，工作溫度范圍：-40～105°C。主要完成復(fù)雜信息處理工作。

系統(tǒng)時鐘采用RX8025，它是一種具有高精度的，包括32.768 kHz晶振時鐘I2C總線接口的實時時鐘芯片。該芯片提供的功能包括產(chǎn)生6種典型中斷、2個系統(tǒng)鬧鐘功能、振動停止、電源電壓監(jiān)控等，同時還包括數(shù)字時鐘精度調(diào)節(jié)功能以滿足各種精度要求。它主要為系統(tǒng)提供時間標簽。

顯示模塊存儲單元采用LED數(shù)碼管和FLASH存儲器，顯示部分用1.5英寸共陽LED數(shù)碼管，可以通過驅(qū)動電路實時顯示隔熱套內(nèi)的溫度信息，另外通過設(shè)置按鍵可以設(shè)置上限與下限溫度限值。FLASH存儲器[18-19]采用AT45DB16它的存儲容量2 MB，可以記錄所有溫度越限數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，還可以記錄預(yù)設(shè)的溫度限值信息，記錄數(shù)據(jù)條數(shù)可以達萬條以上，并且可以保存數(shù)十年之久。

圖4 LED顯示簡圖

溫度傳感器采用DS18B20，它最高提供12位精度的攝氏溫度測量，而且有一個由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報警功能。它通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在CPU和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。它的測溫范圍為-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度為±1℃。DS18B20產(chǎn)生的溫度信息直接顯示在LED顯示模塊上。并且實時給CPU提供參考溫度數(shù)據(jù)，為輸出控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

獨立檢測控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5。

3 程序設(shè)計

SF6氣瓶加熱裝置程序檢測流程為模塊化方案，分為溫度采集模塊，越限檢測模塊，輸出控制模塊。

圖5 獨立控制器結(jié)構(gòu)圖

當系統(tǒng)上電后，首先初始化各功能模塊。主要包含初始化溫度傳感器，讀取存儲器內(nèi)的溫度預(yù)設(shè)越限數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)正常工作后，程序每個運行周期內(nèi)讀取溫度傳感器的實時溫度數(shù)據(jù)，同時與預(yù)設(shè)限值溫度進行比較，如果實時溫度小于預(yù)設(shè)限值溫度下限時，程序輸出控制加熱裝置開機產(chǎn)生熱量輸出，當實時溫度大于預(yù)設(shè)溫度上限時，程序輸出控制加熱裝置停止加熱。當實時溫度數(shù)據(jù)超過警戒溫度限值時。程序開始產(chǎn)生聲光報警信號并及時斷開熱風機電源強制關(guān)閉熱量產(chǎn)生。從而保證加熱裝置始終工作在可控溫度范圍之內(nèi)。

程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 測試結(jié)果

本裝置通過5個變電站的實際測試，測試范圍，采取各種極限條件全面測試，并請電力行業(yè)技術(shù)專責現(xiàn)場指導(dǎo)檢測，測試環(huán)境完全與實際應(yīng)用保持一致。加熱裝置熱風量最高可達到5.3 m3/min，便攜工業(yè)熱風機的輸出溫度最高可達150℃，輸出最高風壓可達350 Pa（全壓），最高使用功率達5 kW。

為了測試實際使用效果，我們適當降低了熱風機的輸出風量，降低熱風機的輸出溫度。通過測試SF6氣瓶加熱裝置可以控制隔熱套內(nèi)的溫度在40℃以內(nèi)，氣瓶內(nèi)的氣壓在充補氣時壓力增加，充補氣速度也明顯加快，氣瓶底部沒有再出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，SF6氣瓶底部雖然有少量水產(chǎn)生，但毫不影響本裝置的正常工作，另外工業(yè)熱風機的熱風量也能充分滿足現(xiàn)場的實際需求。

5 結(jié)論

本裝置研究通過測試結(jié)果說明，SF6氣瓶加熱裝置，它不但在加熱速度方面可以與電磁與電熱毯媲美，另外在穩(wěn)定性和安全性上明顯優(yōu)于電磁和電熱毯等加熱方式。所以本裝置已經(jīng)在電力行業(yè)逐漸推廣應(yīng)該開來。

參考文獻：

[1]朱毅，尹偉華，賀祥，等.基于單片機的軟啟動器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2013（22）：118.

[2]王戰(zhàn)備.室內(nèi)溫度檢測與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（6）：40.

[3]李紀曉，陳息坤.AGV自主充電數(shù)字控制DC/DC變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（9）：125-127.

[4]石建華，王玉慶，張宏賓.一種新型礦用本質(zhì)安全型電源設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（11）：112-114.

[5]孫興，王孜航，牛明珠，等.變電運維安全隱患及解決方案探討[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015（12）：141-143.

[6]王玥，張海.STM32自主定位的小車導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（12）：19-22.

[7]劉永紅.Linux看門狗管理及在DM8168芯片上的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015（12）：50-53.

[8]張麗麗，邱炎兒，楊彥偉，等.基于STC89C51單片機的數(shù)字頻率計設(shè)計[J].電腦編程技巧與維護，2015（12）：13-14.

[9]王業(yè)磊，趙俊華，文福拴，等.具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)的市場均衡分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2015（21）：1-10.

[10]關(guān)峰，謝曉明.基于分散加載的ARM軟件加密方案設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（2）：20-23.

[11]孫景濤，胡永紅.便捷式發(fā)動機油壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計與工程，2015（1）：73-76.

[12]國家電網(wǎng)公司.鄭州華力信息技術(shù)有限公司國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，六氟化硫氣瓶加熱裝置[P].2014.10.1.

[13]STMicroelectronics.STM32F103R8 datasheet[S].2015.

[14]Maxim Integrated Products，Inc.DS18B20Z datasheet[S].2015.

[15]Daily Silver IMP Microelectronics Co.，Ltd.IMP706ESA datasheet[S].2016.

[16]Winbond Electronics Corporation.W25Q16CV[S].2014.5.22

[17]譚浩強.C程序設(shè)計[M].4版.北京：清華大學出版社，2012.

[18]吳凡.基于FPGA和NANDFlash的嵌入式存儲系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2016，29（3）：97-101.

[19]馬曉晨.鐵路LED信號機黃閃顯示方式的應(yīng)用研究[J].自動化與儀器儀表，2015（5）：97-98.