SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)

姜家旭　王愷笛　徐鶴銘　梅宏志　江昕

【摘 要】目前已有的SF6氣體濃度測(cè)量手段，是借助超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)和高壓負(fù)電暈放電完成檢測(cè)。超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)是利用超聲波在不同摩爾質(zhì)量的氣體中不同的傳輸速度，對(duì)空氣中泄漏的SF6氣體進(jìn)行檢測(cè)，但該技術(shù)對(duì)SF6濃度高的檢測(cè)更加精確，對(duì)微量的SF6氣體檢測(cè)不適用。本文通過(guò)在太平灣發(fā)電廠戶外SF6開(kāi)關(guān)區(qū)域，設(shè)計(jì)安裝了SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。針對(duì)SF6泄漏監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)展開(kāi)深入探究。

【關(guān)鍵詞】SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)；報(bào)警系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

0 引言

SF6氣體以其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，幾乎成為了中壓、高壓和超高壓開(kāi)關(guān)中所使用的唯一絕緣和滅弧介質(zhì)[1]。在使用SF6氣體為絕緣和滅弧介質(zhì)的室內(nèi)開(kāi)關(guān)在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏時(shí)，SF6氣體一經(jīng)泄漏其分解物質(zhì)，會(huì)往室內(nèi)底層空間積聚，造成局部缺氧和帶毒，對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的工作人員生命俺去構(gòu)成嚴(yán)重威脅。開(kāi)展SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的研究對(duì)水電廠意義重大。以紅外光譜吸收為檢測(cè)手段的在線監(jiān)測(cè)方法，具有準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)迅速、易于測(cè)量、易于記錄，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)SF6/O2氣體濃度的變化來(lái)準(zhǔn)確判斷設(shè)備內(nèi)是否造成SF6氣體濃度超標(biāo)或缺氧的情況發(fā)生。

1 系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

通過(guò)針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部的SF6氣體濃度，以及具體的反應(yīng)發(fā)生變化情況時(shí)，SF6氣體的具體吸收類特性，以及相應(yīng)的濃度之間所存在的主要關(guān)系，由而對(duì)SF6的氣體濃度是否發(fā)生相應(yīng)變化完成判斷。之后根據(jù)經(jīng)過(guò)判斷SF6氣體濃度，從而判定濃度是否超標(biāo)之后完成實(shí)時(shí)報(bào)警[2]。此種系統(tǒng)的工作原理是構(gòu)建在光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)以及電子、工業(yè)等多種領(lǐng)域原理知識(shí)，適用于電力系統(tǒng)、SF6開(kāi)關(guān)室、GIS室、SF6主變等進(jìn)行SF6氣體的長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)主要構(gòu)成

本次研究中的SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，是基于SF6氣體濃度檢測(cè)基礎(chǔ)之上研制的，該系統(tǒng)主要的結(jié)構(gòu)功能構(gòu)成包括三部分[3]：（1）采集器 該模塊功能主要是為了能夠?qū)λ孤┑腟F6氣體完成收集，該結(jié)構(gòu)是整個(gè)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的主要采集功能端；（2）分析模塊 該模塊的主要功能是經(jīng)由氣路以及傳感器所組成的，氣路通過(guò)應(yīng)用于對(duì)每一個(gè)采集端所收集的SF6泄漏氣體進(jìn)行抽取分析，之后借助傳感器部分完成對(duì)氣體的成分分析，進(jìn)而經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算得出SF6以及氧氣的相應(yīng)含量，之后經(jīng)由無(wú)線傳輸?shù)姆椒?，將?jīng)過(guò)計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)設(shè)備；（3）主機(jī) 該模塊的主要功能實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性的人機(jī)界面，該模塊通過(guò)將各個(gè)采集器之間的經(jīng)過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)得以顯示，將各類報(bào)警數(shù)據(jù)完成儲(chǔ)存，在報(bào)警過(guò)程中會(huì)聯(lián)動(dòng)警報(bào)器持續(xù)發(fā)出聲光報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該技術(shù)是采用朗伯比爾定律，當(dāng)特別波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，光強(qiáng)的減弱與被測(cè)氣體的含量符合朗伯比耳定律。當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅光有吸收，其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律。

設(shè)入射光是平行光，其強(qiáng)度I，氣體介質(zhì)的厚度為L(zhǎng)。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí)，根據(jù)朗伯—比爾吸收定律：dI/I=-KdN，式中K為比例常數(shù)。

傳感器采用了雙光束檢測(cè)原理，一路測(cè)量光束，一路參比光束，與單光束相比，雙波長(zhǎng)雙光束技術(shù)可以避免因?yàn)楣庠吹睦匣⒉蓸映睾蜋z測(cè)器表面污染而引起的漂移。參比通道的被調(diào)制的特定波長(zhǎng)的單色光不會(huì)對(duì)被測(cè)量氣體產(chǎn)生吸收。它產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，此信號(hào)只受外部影響而變化，不受被測(cè)量氣體影響。具有抗其他氣體干擾，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要軟件組成包括兩部分[5]：其一就是FPGA的采樣及計(jì)算，通過(guò)借助Quartusil環(huán)境完成系統(tǒng)語(yǔ)言功能開(kāi)發(fā)，之后在FPGA內(nèi)部嵌入ARM軟核，將FPGA完成測(cè)量計(jì)算數(shù)值轉(zhuǎn)換送至ARM軟核內(nèi)，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)有效值。其二就是DSP的SF6氣體濃度檢測(cè)分析功能，通過(guò)借助C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)以及（下轉(zhuǎn)第151頁(yè)）（上接第147頁(yè)）匯編語(yǔ)言完成開(kāi)發(fā)，主要的系統(tǒng)軟件功能包括了SF6氣體的濃度檢測(cè)，以及O2氣體的濃度檢測(cè)、zigbee無(wú)線通訊、觸摸屏人機(jī)界面及控制回路。

2.3 該系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

今年12月將該系統(tǒng)安裝于太平灣發(fā)電廠一戶外SF6開(kāi)關(guān)場(chǎng)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試，在采集器附近釋放微量SF6氣體，現(xiàn)場(chǎng)警燈立即報(bào)警，并通過(guò)zigbee無(wú)線通訊，將報(bào)警信號(hào)傳輸至辦公樓的主控室（主控室安裝有報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)），主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)盒查詢。

本次研究的SF6氣體濃度泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，在應(yīng)用中通過(guò)采用SF6非分散紅外線技術(shù)NDIR傳感器[6]，有效的解決了由于光源發(fā)生老化、采樣池和檢測(cè)器表面出現(xiàn)多種外在污染因素，所引起的漂移、手外部影響而變化等問(wèn)題。該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，具備了較高的可靠實(shí)用性，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更是有效的實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄和信息遠(yuǎn)傳等功能，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、免維護(hù)等特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

在本次研究中通過(guò)設(shè)計(jì)SF6氣體泄漏濃度檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，有效的解決了SF6氣體濃度在檢測(cè)過(guò)程中的諸多困擾，提升了誤報(bào)率和穩(wěn)定性，并且很大程度的避免了環(huán)境因素等造成的系統(tǒng)影響。通過(guò)借助優(yōu)化數(shù)據(jù)類處理方法，采用SF6非分散紅外線技術(shù)NDIR傳感器，很大成效的提升了整體的數(shù)據(jù)處理速度，并且增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的整體準(zhǔn)確穩(wěn)定性，減少了成本的投入，更在戶外開(kāi)關(guān)SF6信號(hào)采集方法和傳感器安裝方案等方面取得了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為戶外SF6氣體泄漏濃度檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，取得商業(yè)應(yīng)用績(jī)效提供了必備的運(yùn)用條件。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任峰峰.TK-EM8000SF6開(kāi)關(guān)室環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2013，14（8）：96-97.

[2]石靜，趙震杰.變電站GIS室SF6氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（11X）：7849-7853.

[3]楊潤(rùn)生.SF6氣體泄漏監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)在GIS高壓組合開(kāi)關(guān)室中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013（18）：31-32.

[4]星成武，薛鵬生.高速鐵路牽引變電所SF6氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)：引文版，2016（9）：00094-00095.

[5]楊軼男，王本明.淺析110kV變電所SF6監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（21）.

[6]續(xù)文浩，宿筱.基于ZigBee的高壓開(kāi)關(guān)SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（1）：59-61.endprint