王瑞英，韓丹丹，楊學(xué)存

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊，830011；2.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安，710054）

0 引言

六氟化硫斷路器在電力供應(yīng)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，得益于它的性能優(yōu)勢，與其他類型的斷路器相比，六氟化硫斷路器中具有很強(qiáng)的介電性能并且其結(jié)構(gòu)相對簡單，容易維護(hù)，能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行以及具有較強(qiáng)的滅弧能力。斷路器操作桿的液壓系統(tǒng)正常工作是保證斷路器每一次正常開斷的關(guān)鍵。液壓油是液壓傳動系統(tǒng)中用來傳遞能量的液體工作介質(zhì)，除了傳遞能量外，它還起著潤滑相對運(yùn)動部件和保護(hù)金屬不被銹蝕的作用。惡劣的環(huán)境對六氟化硫電氣設(shè)備中使用的液壓油有巨大的影響。液壓油污染是設(shè)備發(fā)生故障以及使用壽命降低的主要原因，因此有必要對液壓油進(jìn)行不定期的檢測，掌握其污染信息，進(jìn)而減少機(jī)械故障，降低故障帶來的損失，保證設(shè)備安全運(yùn)行[1]。

1 檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將油液檢測傳感器安裝在專用的導(dǎo)油模塊上，通過自吸的方式將油液從導(dǎo)油模塊進(jìn)油口流入，途經(jīng)傳感器再從出油口流出，油液在流過導(dǎo)油模塊的整個過程中傳感器將會采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括供電電源模塊、水分測量模塊、顆粒檢測模塊、粘度檢測模塊、顯示模塊及報警模塊。這些模塊的相互協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成了整個液壓油檢測系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

圖2 時鐘系統(tǒng)電路原理圖

圖3 復(fù)位電路原理圖

圖4 電源電路原理圖

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 微控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控制器[2][3]，具有64KB的SRAM，512KB的FLASH，2個基本定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，3個SPI，5個串口，1個USB，1個CAN，3個12位的ADC，1個12位的DAC，1個SDIO接口，1個FSMC接口以及112個通用I/O口。其最小系統(tǒng)主要包括時鐘系統(tǒng)、電源和復(fù)位。其電路圖如圖2-4所示。

2.2 傳感器檢測模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.1 水分檢測

圖5 水分檢測原理框圖

油液中的水分值變化是衡量油液是否變質(zhì)的重要指標(biāo)，油液水分檢測傳感器用于油液中含水量檢測[4]。系統(tǒng)采用中航高科智能測控有限公司的水分傳感器，該傳感器電源供電是12-32V, 介質(zhì)溫度為-40℃-125℃，信號輸出為4-20m A，輸出參數(shù)為油液中的微水含量0-100%。原理框圖如圖5所示。

圖6 CAN通信電路原理圖

2.2.2 粘度檢測

對于六氟化硫斷路器來說，油液粘度檢測是必須的，因?yàn)檎扯鹊臏y量能反映出油液是否變質(zhì)，通過粘度的測量可以在油液變質(zhì)的早期獲得信息，以便對油液及時進(jìn)行維護(hù)，避免斷路器發(fā)生故障。在本系統(tǒng)中，粘度測量采用中航高科智能測控有限公司的粘度傳感器，該傳感器電源供電是12-36V,介質(zhì)溫度為-40℃-85℃，精確度是量程10%，輸出信號通過CAN總線輸出。CAN通信電路如圖6所示。

2.2.3 顆粒污染度檢測

顆粒污染度指單位體積油液中所含各種尺寸的顆粒數(shù)。系統(tǒng)采用天津大學(xué)生產(chǎn)的基于光阻法的GWJ-5型激光傳感器進(jìn)行顆粒污染度的測量[5]-[8]。光阻法的基本工作原理為從光源處發(fā)出一組相互平行的光束，該光束透過油液檢測區(qū)時，如果油液中有顆粒存在，那么顆粒會對光線有一定的遮擋作用，使投射出來的光強(qiáng)減弱，并被接收器的光電二極管將接收到的光能轉(zhuǎn)換成電能。如果油液中無顆粒存在，則接收器輸出的電壓為一定值。接收器接收到的電信號微弱，需利用放大器將信號放大，最后傳輸?shù)筋w粒計(jì)數(shù)裝置，該裝置將采集到的電壓信號進(jìn)行比較處理， 判別油液中顆粒的個數(shù)和大小。光阻法原理圖如圖7所示。

圖7 光阻法顆粒度檢測原理圖

3 系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)分析

3.1 液壓油水份與時間的散點(diǎn)圖及其分析

以新疆某些地區(qū)的六氟化硫斷路器液壓油的檢測系統(tǒng)為例，斷路器的電壓等級分為750KV和220KV兩種。斷路器液壓油水分與時間的關(guān)系圖如圖8和圖9所示。

在圖8中，紅點(diǎn)代表電壓等級為750KV，黑點(diǎn)代表220KV。從圖8所示電壓等級對于液油中的水份影響較大，電壓等級越大，航油中的水份就越大，基本能達(dá)到1倍以上。在圖8里750KV的電壓等級下的水份基本保持在70mg/L左右，而220KV的電壓登記下航油的水份只有30mg/L左右。只有極個別的有所差異。

在圖9中，紅點(diǎn)代表的地區(qū)是吐魯番，藍(lán)點(diǎn)代表的是哈密和巴州。從圖示9可以看出，吐魯番與哈密和巴州差距比較大，吐魯番的航液油水份在35mg/L左右。而哈密和巴州在60mg/L左右。雖然電壓等級都為750KV，但是卻出現(xiàn)如此差異。經(jīng)過調(diào)查，吐魯番屬于干燥地區(qū)，每年的降水量很少，哈密和巴州地區(qū)的降水量較多一些。所以水份與地區(qū)的干燥程度也有一定的關(guān)系。

圖8 50個月內(nèi)水份與時間散點(diǎn)圖

圖9 50-100個月內(nèi)水分與時間的散點(diǎn)圖

由圖8和圖9可以看出，航油的水份與時間和地區(qū)以及電壓等級都有一定的關(guān)系。在短時間內(nèi)，電壓等級的影響會更大。電壓等級越高水份會越大。而在相同的電壓等級下，隨著時間的推移，降水量大的地區(qū)航油中的水份會越來越大，干燥的地區(qū)航油中的水份基本保持不變。

3.2 粘稠度與電壓等級的關(guān)系分析

同樣以新疆某些地區(qū)的六氟化硫斷路器液壓油的檢測系統(tǒng)為例，液壓油粘度與電壓等級的關(guān)系如圖10所示。

如圖10所示，橫坐標(biāo)為電壓等級，縱坐標(biāo)為粘稠度。從圖10可以很明顯的看出，在220KV的電壓等級下粘稠度的范圍是9.75-11.75之間。而在750KV的電壓等級下，粘稠度的范圍在8-10之間。對比下可以得出一個結(jié)論，電壓等級越高粘稠度越低。

圖10 粘稠度與電壓等級的散點(diǎn)圖

3.3 顆粒污染度與顆?？倲?shù)的關(guān)系分析

本系統(tǒng)的顆粒污染度以大于＞5μm的顆粒數(shù)來表示。顆粒污染度與顆?？倲?shù)的關(guān)系分析見圖11所示。圖中橫坐標(biāo)表示顆粒污染度等級，采用美國NAS1638油液污染物等級標(biāo)準(zhǔn)，縱坐標(biāo)表示顆粒污染總數(shù)。

圖11 顆粒污染度與顆?？倲?shù)的散點(diǎn)圖

從圖11中可以明顯看出，兩個變量之間存在一種遞增的關(guān)系。污染度會隨著顆粒總數(shù)的增加而上升。

4 結(jié)論

本文主要論述了六氟化硫斷路器液壓油檢測的必要性，進(jìn)行了液壓油檢測系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和軟硬件的設(shè)計(jì)，并對檢測結(jié)果進(jìn)行了分析。通過對液壓油性能指標(biāo)的檢測，可以提前判斷出設(shè)備的運(yùn)行狀況，大大降低設(shè)備發(fā)生故障的可能，從而保障電網(wǎng)能夠安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行。