數(shù)字式機(jī)電一體化SF6氣體密度變送器

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 劉 妍 張 建 胡 競(jìng)

數(shù)字式機(jī)電一體化SF6氣體密度變送器

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 劉 妍 張 建 胡 競(jìng)

數(shù)字式機(jī)電一體化SF6氣體密度變送器，主要配套于變電站內(nèi)SF6高壓電器，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)SF6氣體密度參數(shù),可輸出繼電器的閉鎖信號(hào)、報(bào)警信號(hào)和RS485總線信號(hào)，介紹了其結(jié)構(gòu)和電路原理，更好的滿足了電力工業(yè)對(duì)變電站用高壓電氣設(shè)備工作安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性的要求。

SF6氣體；智能電網(wǎng)；密度；電磁兼容；RS485總線

1.引言

近年來(lái)，由于SF6氣體絕緣強(qiáng)度高、滅弧特性好，已成為當(dāng)今高壓電氣設(shè)備的首選絕緣滅弧介質(zhì)。SF6氣體的滅弧效果取決于其氣體的密度，因此，有效監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的密度，防止其發(fā)生泄漏是此類設(shè)備安全運(yùn)行的重要保證。

SF6密度監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從壓力表、機(jī)械指針式密度繼電器、電子式SF6密度變送器發(fā)展階段，但都有著其局限性。隨著高壓設(shè)備狀態(tài)檢修工作的全面展開，對(duì)監(jiān)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性，避免人為失誤，特別是這種非連續(xù)性監(jiān)測(cè)在設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)性泄漏時(shí)不能及時(shí)報(bào)警而釀成事故，要及時(shí)掌握組合電器GIS設(shè)備中的SF6密度及運(yùn)行狀態(tài)，“在線、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)傳、集中、智能、可靠”的監(jiān)測(cè)方式的要求，我們研制了數(shù)字型機(jī)電一體化的SF6氣體密度變送器［1］，在輸出繼電器報(bào)警信號(hào)、閉鎖信號(hào)的同時(shí)，又輸出RS485總線信號(hào)，集控制、保護(hù)作用和監(jiān)視作用于一身，以滿足智能電網(wǎng)對(duì)變電站內(nèi)高壓設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)的需求，為變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析、故障診斷、檢修策略決策提供技術(shù)支撐。

2.原理

2.1 數(shù)字式機(jī)電一體化密度變送器的原理

機(jī)電一體化密度變送器由兩部分組成如圖1所示：指針式密度繼電器和電子式密度變送器，在整機(jī)外形尺寸與指針式密度繼電器一樣的情況下，將氣體接口分別與指針表和壓力傳感器相通取壓孔相通，兩個(gè)氣體回路互不影響，指針式密度繼電器通過(guò)壓力測(cè)試管和溫度補(bǔ)償片，指針指示所受壓力值，并輸出閉鎖信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，起到控制和保護(hù)作用；壓力傳感器通過(guò)引壓孔感受壓力,同時(shí)有溫度信號(hào)測(cè)量氣體溫度，單片機(jī)對(duì)壓力信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理,以RS485總線形式輸出密度信號(hào)傳至上位機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和測(cè)量。

圖1 數(shù)字式機(jī)電一體化密度傳感器原理框圖

2.2 電路原理

在高壓開關(guān)領(lǐng)域，智能化程度和可靠性的要求越來(lái)越高，所以電路主要由兩部分組成，抗干擾部分和信號(hào)處理部分，如圖2所示。

圖2 數(shù)字式機(jī)電一體化密度傳感器電路原理框圖

2.2.1 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電力通訊設(shè)備的電磁兼容性在電網(wǎng)運(yùn)行中占據(jù)著舉足輕重的重要地位，他的性能優(yōu)劣將直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)本身就是一個(gè)強(qiáng)大的干擾源，容易產(chǎn)生或出現(xiàn)電磁干擾，例如高電壓、大電流設(shè)備周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，射頻電磁輻射；雷電；供電電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、電壓突降和波動(dòng)、諧波以及電子設(shè)備的工作信號(hào)和噪聲等，特別智能控制單元都采用了微電子元件，工作電壓低，輸入信號(hào)弱，耐壓水平低，易受外界電磁場(chǎng)干擾而導(dǎo)致控制單元順壞和失靈。因此，該變送器對(duì)電磁兼容性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 抗干擾電路

變送器采用了特殊的的抗干擾電路，如圖3所示，抑制干擾源，建立共模電路網(wǎng)絡(luò)和差模電路網(wǎng)絡(luò)，有效的抑制擾動(dòng)信號(hào)；采用DC/DC隔離模塊切斷干擾傳播途徑實(shí)現(xiàn)電路與電路之間的電氣隔離，有效的解決地線環(huán)路帶來(lái)的設(shè)備與設(shè)備之間的干擾；各級(jí)有濾波電路，將無(wú)用的騷擾濾除，使有用信號(hào)和騷擾的頻譜隔離。

除了硬件電路的設(shè)計(jì)措施，同時(shí)在設(shè)計(jì)軟件上增加自檢、判斷和濾波功能，結(jié)合總線物理層本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)電子線路的抗干擾性能。

通過(guò)以上措施，很好的抑制了干擾，保證該變送器與其他設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中互不干擾，功能共存。

2.2.2 信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)

工程應(yīng)用檢測(cè)SF6氣體的密度，是通過(guò)檢測(cè)該氣體20℃時(shí)的壓力值（即P20）代替密度ρ[2]。該變送器是這樣實(shí)現(xiàn)的：即變送器采集六氟化硫的壓力P和溫度T，通過(guò)電路對(duì)壓力和溫度信號(hào)進(jìn)行處理, 傳送給單片機(jī)MCU，基于SF6氣體溫度—壓力曲線，轉(zhuǎn)換為20℃時(shí)的壓力值P20[3]，RS485總線形式輸出密度信號(hào)傳至上位機(jī)。

圖4 SF6氣體的溫度—壓力關(guān)系曲線

壓力傳感器采用線性好、溫度穩(wěn)定性高擴(kuò)散硅壓力傳感器，其體積小、重量輕，安裝使用方便。當(dāng)被測(cè)氣體發(fā)生變化時(shí)，壓力作用在不銹鋼隔離膜片上，通過(guò)隔離硅油傳遞到擴(kuò)散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)過(guò)精密的補(bǔ)償電路、信號(hào)處理芯片、最后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該信號(hào)的變化正比于氣體壓力的變化。

壓力傳感器采用薄膜式Pt100鉑熱電阻，其反應(yīng)快，機(jī)械性能好、耐振，便于安裝，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，經(jīng)信號(hào)電路輸出正比于溫度變化的電壓信號(hào)。

信號(hào)通過(guò)多路開關(guān)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳送給單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。單片機(jī)依據(jù)溫度—壓力曲線，如圖5所示，對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)行處理，計(jì)算出相當(dāng)于氣體20℃時(shí)的壓力值即P20，即SF6氣體的密度ρ。

圖5 RS485通訊部分電路原理圖

因RS485總線本身就具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)距離傳輸和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為首選串行接口，但在工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。雖然RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓超過(guò)RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時(shí)，接收器就再也無(wú)法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。

本變送器是通過(guò)帶隔離的DC-DC電源模塊U2，如圖5所示,將系統(tǒng)電源和RS-485收發(fā)器U6的電源隔離,然后用光耦器件O1、O2、O3將信號(hào)隔離，并濾除接地回路和傳導(dǎo)噪聲引起的干擾,徹底消除共模電壓的影響。為防止信號(hào)反射，在終端接有120歐姆的電阻，從而在長(zhǎng)距離通信中具有更高可靠性。

3.特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

機(jī)電一體化密度變送器集指針式密度繼電器和電子式密度變送器于一體，只需一個(gè)過(guò)程接口連接管道，可實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量功能。改善了原有指針式和電子式密度傳感器分別安裝造價(jià)昂貴、安裝不便的安裝方式，進(jìn)一步提高了安裝可靠性。

采用的溫度壓力補(bǔ)償方法測(cè)量密度，克服了溫度發(fā)生變化時(shí)壓力也隨之變化對(duì)密度帶來(lái)的影響，更加正確地反映出漏氣還是由溫度變化所引起壓力值的變化，使氣體的密度測(cè)量的更加準(zhǔn)確。

在結(jié)構(gòu)上、硬件電路和軟件上，都采取了抗干擾措施，有著極高的電磁兼容性，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠的測(cè)量。

發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了高壓電氣設(shè)備的智能管理，可以用一條總線，連接多個(gè)傳感器，采集多個(gè)傳感器信號(hào)到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析、診斷及報(bào)警等功能，便于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集中管理，做到準(zhǔn)確及時(shí)掌握運(yùn)行設(shè)備的狀況，使運(yùn)行人員及時(shí)掌握并提前處理事故隱患，保障電力電網(wǎng)安全供電。

4.結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字式機(jī)電一體化SF6密度變送器，通過(guò)測(cè)量氣室內(nèi)SF6氣體的壓力和溫度，利用軟件溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)SF6氣體密度的測(cè)量，既可以輸出報(bào)警、閉鎖信號(hào)，同時(shí)又能輸出RS485總線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠遠(yuǎn)傳測(cè)量；同時(shí)該傳感器體積小，節(jié)省安裝空間，外觀讀數(shù)清晰，有著極高的電磁兼容性，適用于智能系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于220KV以下的高壓開關(guān)GIS設(shè)備SF6氣體密度的監(jiān)測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了“在線、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)傳、集中、智能、可靠”的測(cè)量。

[1]JB/T 10892-2008 電子式六氟化硫密度變送器.

[2]GB/T 8905 六氟化硫電子設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則.

[3]陳家斌.SF6短路器實(shí)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

彭春文（1972—），高級(jí)工程師，主要從事壓力、溫度、位移等傳感器的研制開發(fā)工作。