高压开关配电室SF6环境监测系统的设计

开关室是电厂、变电站等设备集中的地方,尤其是装有SF6设备的开关室,平时因为通风不良可能会缺氧或因设备中SF6气体泄漏而污染室内环境,使进入开关室进行巡视、检修的工作人员的健康甚至生命受到严重威胁,给电力安全运行带来隐患。因此,国内《电业安全工作规程》特别规定,在相关场所安装氧气和SF6检测报警装置,并安装必要的通风换气装置。同时,从环保的角度来考虑,在电厂、变电站、高压开关厂等相关场所也有必要安装SF6检测报警装置。因此,设计一套集SF6浓度、氧气含量、温度、湿度等参数为一体,同时具备自动控制现场排风扇进行排风功能的SF6环境监测系统是十分必要的。

1系统组成及功能

1.1几种SF6气体浓度检测方法的比较

空气中微量的SF6气体浓度的检测是比较困难的,以前所采用的方法主要有:红外吸收法、放射源型电子捕获检定器法、电火花电离法及半导体传感器等方法。红外吸收法和放射源型电子捕获检定器法反应速度快、灵敏度较高,但价格昂贵,设备体积大;电火花电离法是放射源型电子捕获检定器法的简易型,即利用高频电压放电火花的方法取代放射源,而形成一个了离子流(基流),而此基流在接触到SF6等强电负性的物资时会使其基流下降,从而检测出SF6气体的浓度。此种方法灵敏度高、非线性,容易受空气中其他物质(如水分)及温度的影响,尤其是放电电极的熔蚀现象,使其产生的基流极不稳定。因此,此方法常用于便携式卤族元素及其化合物的检漏使用,半导体传感器的方法灵敏度较低,温度、湿度等环境的影响非常大,稳定性差,因此应用较少。上述的几种方法都是物理方法,并且这几种方法都有一定的缺点,所以上述几种方法都没有被广泛应用。

近几年发展起来的电化学传感器检测技术逐渐成熟,并且由于电化学传感器具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性好、使用寿命长、价格低等优点,使其在气体检测方面得到了广泛的应用。但是,由于SF6气体的分子结构极其稳定,无法使用电化学传感器直接对其进行测量,因此,系统采用热裂解-电化学复合检测技术。由仪器内置的吸气泵使SF6气体吸入仪器并通过热裂解器使其发生裂解反应,其分解产物与空气中的氧气、水等化合后生成二次产物,利用电化学传感器检测其二次反应的生成物就可以达到间接测量SF6气体的目的。SF6浓度的检测就是采用电化学传感器进行设计的。

1.2系统组成

系统由监控主机、多功能控制器、SF6气体采集器、SF6浓度电化学传感器、氧气探测器、温度变送器、湿度变送器、红外传感器等组成。

1.3系统功能

监控主机主要完成数据采集、数据显示、报警数据存储、发送控制指令、报警指示、数据上传、软硬复位等功能,配备TFT64位真彩LCD液晶显示屏、键盘操作面板、RS485总线接口,具有灵活的人机交流功能。

多功能控制器控制SF6采集器中的气泵及电磁阀,分时将各个通道的SF6气体从现场抽到SF6采集器的气室内,再由SF6浓度电化学传感器的内置泵从气室内吸入SF6气体,采用热裂解-电化学复合检测技术对采集到的SF6气体浓度进行分析,并将结果转换为4～20mA的标准信号送到多功能控制器,多功能控制器通过RS485总线,将测量结果送到监控主机进行显示、报警、存储。

由于氧气传感器、温度传感器、湿度传感器已经采用了RS485总线的通讯方式,因此配电室环境中的氧气含量、温度信号、湿度信号通过RS485总线直接与监控主机连接,监控主机将对接收到的信号进行分析判断、显示、报警、存储。

2工作原理

2.1监控主机的工作原理

监控主机是系统中一个重要组成部分,采用嵌入式操作系统,大屏幕LCD液晶显示屏,键盘操作面板,图形界面友好,其控制流程如图2所示。

监控主机依次与多功能控制器、氧气探测器、温度变送器、湿度变送器进行通讯,读取各个通道SF6浓度、氧气含量、温度、湿度的数值,当监控主机检测到配电室中某通道SF6气体的浓度超过10-3时,或者氧气的含量低于18%时,系统将自动启动排风扇进行排风,并发出SF6气体浓度超标或氧气含量过低的声响报警,将SF6气体浓度数值、氧气含量数值、通道位置等报警信息通过RS485总线或网络传输的方式,传送到有关负责人及维修人员的办公室,提示工作人员进行及时的维修,避免产生重大的生产事故,同时提示进入配电室工作的工作人员作好防护措施。

同时,为了保持SF6配电室中的空气畅通,还专门设计了定时自动启动排风扇的功能,即工作人员可以根据需要,自行设定几个时间点,当设定的时间到时,系统将自动启动排风扇排风,并且每次排风的时间也可以根据需要设定。为了*大程度地保护工作人员的身体健康,还设定了手动开启和停止排风扇的手动开关,工作人员可以根据需要随时开启和停止排风扇。另外,系统采用红外传感器,无论什么时间,只要有工作人员进入SF6配电室,红外传感器都能够感知到,并且自动启动排风扇进行排风,保护进入现场的工作人员生命安全。

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设计

多功能控制器是系统中另一个重要的组成部分,采用P89V51RD2单片机作为检测、控制的核心,采用AD7705模数转换器进行数据采集,采用继电器、电磁阀控制采集通道的切换,采用485总线方式进行通讯。其硬件结构框图如图3所示。

2.2.2多功能控制器的软件设计

多功能控制器循环检测SF6的浓度,进行A/D转换,将数值转换为数字量,保存在P89V51RD2单片机的RAM中,并且P89V51RD2单片机的串行口工作在中断的工作方式下,采用MAX485芯片与监控主机进行485通讯。当监控主机向其发送读取数据的命令时,多功能控制器就将SF6浓度的数值、通道的信息、报警信息发送到监控主机;当设定的通道采集时间到时,多功能控制器通过控制继电器、电磁阀、吸气泵等设备,完成通道的切换和SF6气体的采集。

3安科瑞配电室环境监控系统

3.1概述

配电室综合监控系统包括智能监控系统屏、通讯管理机、UPS电源、视频监控子系统（云台球机、枪机）、环境监测子系统（温度、湿度、水浸、烟感）、控制子系统（灯光、空调、除湿机、风机、水泵）、门禁监控子系统（读卡器、开门按钮、磁力锁）、安防监控子系统（双鉴检测器）。

3.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监测

能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，实时显示有关故障、告警等信息。

3.4.2数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室中各个设备的运行数据。

3.4.3曲线查询

可以直接查看各电参量曲线。

3.4.4运行报表

查询配电室内设备的运行数据报表。

3.4.5实时告警

具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。

3.4.6历史事件查询

能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。 

3.4.7用户权限管理

设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

3.4.8网络拓扑图

支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

3.4.9遥控功能

可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

3.5系统硬件配置

4结束语

实现高压开关配电室环境中SF6气体的监测,对电力行业、高压开关生产厂家的安全生产,保障现场工作人员的身体健康,都有着重要的意义。随着国内工业的不断发展,电力的需求也必将迅速增加,必然会新建更多的电厂、变电站,高压开关配电室SF6环境监测系统必然有广泛的应用前景。

参考文献:

[1]陈家斌.SF6断路器实用技术.北京:中国水利水电出版社,2004.

[2]孔祥飞.SF6气体在线检测装置的设计.西安:第九届全国敏感元件与传感器学术会议论文集,2005:466-469.

[3]求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京:清华大学出版社,2004.

[4]朱善君,孙新亚,吉吟东.单片机接口技术与应用.北京:清华大学出版社,2005:217-224.

[5]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[6]徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51Windows环境编程与应用.北京:电子工业出版社,2001.

[7]何方，吕成军.高压开关配电室SF6环境监测系统的设计[J].

[8]企业微电网设计与应用手册2022.05版.

开关室是电厂、变电站等设备集中的地方,尤其是装有SF6设备的开关室,平时因为通风不良可能会缺氧或因设备中SF6气体泄漏而污染室内环境,使进入开关室进行巡视、检修的工作人员的健康甚至生命受到严重威胁,给电力安全运行带来隐患。因此,国内《电业安全工作规程》特别规定,在相关场所安装氧气和SF6检测报警装置,并安装必要的通风换气装置。同时,从环保的角度来考虑,在电厂、变电站、高压开关厂等相关场所也有必要安装SF6检测报警装置。因此,设计一套集SF6浓度、氧气含量、温度、湿度等参数为一体,同时具备自动控制现场排风扇进行排风功能的SF6环境监测系统是十分必要的。

1系统组成及功能

1.1几种SF6气体浓度检测方法的比较

空气中微量的SF6气体浓度的检测是比较困难的,以前所采用的方法主要有:红外吸收法、放射源型电子捕获检定器法、电火花电离法及半导体传感器等方法。红外吸收法和放射源型电子捕获检定器法反应速度快、灵敏度较高,但价格昂贵,设备体积大;电火花电离法是放射源型电子捕获检定器法的简易型,即利用高频电压放电火花的方法取代放射源,而形成一个了离子流(基流),而此基流在接触到SF6等强电负性的物资时会使其基流下降,从而检测出SF6气体的浓度。此种方法灵敏度高、非线性,容易受空气中其他物质(如水分)及温度的影响,尤其是放电电极的熔蚀现象,使其产生的基流极不稳定。因此,此方法常用于便携式卤族元素及其化合物的检漏使用,半导体传感器的方法灵敏度较低,温度、湿度等环境的影响非常大,稳定性差,因此应用较少。上述的几种方法都是物理方法,并且这几种方法都有一定的缺点,所以上述几种方法都没有被广泛应用。

近几年发展起来的电化学传感器检测技术逐渐成熟,并且由于电化学传感器具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性好、使用寿命长、价格低等优点,使其在气体检测方面得到了广泛的应用。但是,由于SF6气体的分子结构极其稳定,无法使用电化学传感器直接对其进行测量,因此,系统采用热裂解-电化学复合检测技术。由仪器内置的吸气泵使SF6气体吸入仪器并通过热裂解器使其发生裂解反应,其分解产物与空气中的氧气、水等化合后生成二次产物,利用电化学传感器检测其二次反应的生成物就可以达到间接测量SF6气体的目的。SF6浓度的检测就是采用电化学传感器进行设计的。

1.2系统组成

系统由监控主机、多功能控制器、SF6气体采集器、SF6浓度电化学传感器、氧气探测器、温度变送器、湿度变送器、红外传感器等组成。

1.3系统功能

监控主机主要完成数据采集、数据显示、报警数据存储、发送控制指令、报警指示、数据上传、软硬复位等功能,配备TFT64位真彩LCD液晶显示屏、键盘操作面板、RS485总线接口,具有灵活的人机交流功能。

多功能控制器控制SF6采集器中的气泵及电磁阀,分时将各个通道的SF6气体从现场抽到SF6采集器的气室内,再由SF6浓度电化学传感器的内置泵从气室内吸入SF6气体,采用热裂解-电化学复合检测技术对采集到的SF6气体浓度进行分析,并将结果转换为4～20mA的标准信号送到多功能控制器,多功能控制器通过RS485总线,将测量结果送到监控主机进行显示、报警、存储。

由于氧气传感器、温度传感器、湿度传感器已经采用了RS485总线的通讯方式,因此配电室环境中的氧气含量、温度信号、湿度信号通过RS485总线直接与监控主机连接,监控主机将对接收到的信号进行分析判断、显示、报警、存储。

2工作原理

2.1监控主机的工作原理

监控主机是系统中一个重要组成部分,采用嵌入式操作系统,大屏幕LCD液晶显示屏,键盘操作面板,图形界面友好,其控制流程如图2所示。

监控主机依次与多功能控制器、氧气探测器、温度变送器、湿度变送器进行通讯,读取各个通道SF6浓度、氧气含量、温度、湿度的数值,当监控主机检测到配电室中某通道SF6气体的浓度超过10-3时,或者氧气的含量低于18%时,系统将自动启动排风扇进行排风,并发出SF6气体浓度超标或氧气含量过低的声响报警,将SF6气体浓度数值、氧气含量数值、通道位置等报警信息通过RS485总线或网络传输的方式,传送到有关负责人及维修人员的办公室,提示工作人员进行及时的维修,避免产生重大的生产事故,同时提示进入配电室工作的工作人员作好防护措施。

同时,为了保持SF6配电室中的空气畅通,还专门设计了定时自动启动排风扇的功能,即工作人员可以根据需要,自行设定几个时间点,当设定的时间到时,系统将自动启动排风扇排风,并且每次排风的时间也可以根据需要设定。为了*大程度地保护工作人员的身体健康,还设定了手动开启和停止排风扇的手动开关,工作人员可以根据需要随时开启和停止排风扇。另外,系统采用红外传感器,无论什么时间,只要有工作人员进入SF6配电室,红外传感器都能够感知到,并且自动启动排风扇进行排风,保护进入现场的工作人员生命安全。

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设计

多功能控制器是系统中另一个重要的组成部分,采用P89V51RD2单片机作为检测、控制的核心,采用AD7705模数转换器进行数据采集,采用继电器、电磁阀控制采集通道的切换,采用485总线方式进行通讯。其硬件结构框图如图3所示。

2.2.2多功能控制器的软件设计

多功能控制器循环检测SF6的浓度,进行A/D转换,将数值转换为数字量,保存在P89V51RD2单片机的RAM中,并且P89V51RD2单片机的串行口工作在中断的工作方式下,采用MAX485芯片与监控主机进行485通讯。当监控主机向其发送读取数据的命令时,多功能控制器就将SF6浓度的数值、通道的信息、报警信息发送到监控主机;当设定的通道采集时间到时,多功能控制器通过控制继电器、电磁阀、吸气泵等设备,完成通道的切换和SF6气体的采集。

3安科瑞配电室环境监控系统

3.1概述

配电室综合监控系统包括智能监控系统屏、通讯管理机、UPS电源、视频监控子系统（云台球机、枪机）、环境监测子系统（温度、湿度、水浸、烟感）、控制子系统（灯光、空调、除湿机、风机、水泵）、门禁监控子系统（读卡器、开门按钮、磁力锁）、安防监控子系统（双鉴检测器）。

3.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监测

能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，实时显示有关故障、告警等信息。

3.4.2数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室中各个设备的运行数据。

3.4.3曲线查询

可以直接查看各电参量曲线。

3.4.4运行报表

查询配电室内设备的运行数据报表。

3.4.5实时告警

具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。

3.4.6历史事件查询

能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。 

3.4.7用户权限管理

设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

3.4.8网络拓扑图

支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

3.4.9遥控功能

可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

3.5系统硬件配置

4结束语

实现高压开关配电室环境中SF6气体的监测,对电力行业、高压开关生产厂家的安全生产,保障现场工作人员的身体健康,都有着重要的意义。随着国内工业的不断发展,电力的需求也必将迅速增加,必然会新建更多的电厂、变电站,高压开关配电室SF6环境监测系统必然有广泛的应用前景。

参考文献:

[1]陈家斌.SF6断路器实用技术.北京:中国水利水电出版社,2004.

[2]孔祥飞.SF6气体在线检测装置的设计.西安:第九届全国敏感元件与传感器学术会议论文集,2005:466-469.

[3]求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京:清华大学出版社,2004.

[4]朱善君,孙新亚,吉吟东.单片机接口技术与应用.北京:清华大学出版社,2005:217-224.

[5]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[6]徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51Windows环境编程与应用.北京:电子工业出版社,2001.

[7]何方，吕成军.高压开关配电室SF6环境监测系统的设计[J].

[8]企业微电网设计与应用手册2022.05版.