高壓斷路器SF6氣體在線監測系統研究

孫福軍,王寶軍,王振浩,成 龍

(1.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090; 2.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

高壓斷路器SF6氣體在線監測系統研究

孫福軍1,王寶軍1,王振浩2,成 龍2

(1.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150090; 2.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

為解決戶外運行開關設備在氣溫變化時腔體內SF6氣體所含水分會凝結在固體介質表面,同時氣體密度變化也會影響開關可靠動作,嚴重時威脅設備安全運行的問題,采用先進的溫濕度、壓力等傳感器,設計了無線射頻收發電路及數據采集電路,開發了集成度較高的一體化高壓斷路器SF6氣體在線監測系統。通過無線組網,實時在線監測SF6氣體的密度及含水量變化,監測氣體的微量泄漏,并在某500 kV變電站進行了現場試驗。結果表明,監測系統中的設備運行穩定、數據準確,達到了技術要求。

高壓斷路器;SF6;傳感器;無線通信

高壓斷路器(開關)是電力系統最重要的設備之一[1],SF6斷路器氣體的密度、濕度和溫度三項物理指標是否處于額定范圍之內,決定著設備的安全運行狀態。對SF6氣體密度、含水量等參數進行準確地在線監測是保證電網SF6高壓設備安全運行的重要手段[2-4]。

國內相關部門相繼制定了相關標準對SF6氣體質量,特別是微水含量進行嚴格控制。但由于相關標準中只是單一的無量綱SF6氣體體積比(μL/L)的形式,而且沒有測量方式、溫度及壓力對測量影響的限定,因此到目前為止絕大部分仍采用SF6密度繼電器表、電解法、冷凝法和阻容法定期現場檢測[5-8],這樣勢必造成檢測結果受表的質量和環境條件影響,檢測精度達不到要求。對此,本文研究了高壓斷路器SF6在線監測系統,根據SF6氣體為絕緣的高壓設備的壓力、溫度變化,實時在線監測SF6氣體的密度及含水量變化,監測氣體的微量泄漏,隨時掌握氣體含水量、密度[9]的變化并適時報警、閉鎖設備操作,便于運行狀況下SF6氣體電氣設備的控制。通過在線監測氣體的密度值、含水值可以及時分析在警戒密度值以上氣體短期內的微量泄漏率,取代以壓力表、密度繼電器的監測方式,以達到監測精度和真實可靠的監測效果[10-12]。

1 設計方案

高壓斷路器SF6在線監測系統由現場監測終端、數據管理中繼裝置、監測系統主機和數據管理分析系統組成,如圖1所示。

圖1 SF6在線監測系統結構

該系統每組開關的A相、B相、C相開關分別安裝1個監測終端。監測終端各種傳感器經特殊設計的多通件采集SF6氣體參數,每個監測終端通過無線射頻組網,與數據采集中繼裝置進行數據交換。數據采集中繼裝置將各監測點數據通過無線射頻網絡傳送至遠方計算機管理系統。實時在線監測SF6氣體的密度及含水量變化,監測氣體的微量泄漏,隨時掌握氣體含水量、密度的變化并適時報警、閉鎖設備操作,便于運行狀況下SF6氣體電氣設備的控制。通過在線監測氣體的密度值、含水值可以及時分析在警戒密度值以上氣體短期內的微量泄漏率。

2 硬件電路設計

2.1 現場監測終端

監測終端主要由微處理器電路、壓力、濕度變送器及AD采集電路、溫度傳感器電路,和RF收發電路組成。溫度傳感器轉換的數字量通過I2C總線送CPU處理,濕度傳感器、壓力傳感器模擬量經過信號處理經AD進行轉換后送CPU進行數據處理,并將測得的數據通過無線射頻通訊方式傳送到數據采集中繼裝置。總體結構如圖2所示。

圖2 監測終端結構框圖

2.1.1 監測終端工藝設計

監測終端為整體不銹鋼殼體,結構如圖3所示。

1—連接開關SF6氣體的進氣口;2—試驗用放氣口;3—儲氣室與開關氣體相連;4、5、6—濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器;7—3個傳感器的采集電路和無線射頻電路;8—無線發射天線

圖3 監測終端工藝結構圖

Fig.3 Process structure of monitoring terminal

2.1.2 電路設計

濕度傳感器DMT143、壓力傳感器us381-000002-010BG輸出信號為4～20 mA,電流信號經過采樣電阻和射極跟隨器變成直流電壓信號,連接到AD芯片(ADS1115)的模擬輸入端,經AD轉換后送CPU芯片 MSP430F2131進行運算。在微控制器的控制下,AD芯片將直流電壓轉換為16位的數字量,微控制器讀取壓力、濕度數據并進行信號處理。溫度傳感器TMP112在微控制器的控制下,直接將SF6氣體的溫度轉換為12位的數字量,微控制器讀取溫度數據并進行信號處理。由溫度和壓力值通過氣體方程計算氣體密度,微控制器將采集數據打包后,由RF收發器發送到中繼裝置。濕度、壓力傳感器信號處理電路如圖4所示,溫度傳感器電路如圖5所示。

溫度傳感器采用美國TI半導體生產的I2C總線型數字溫度傳感器TMP112。將氣體的溫度轉換為12位的數字量,微控制器讀取溫度數據并進行信號處理。TMP112的測量范圍為-40～+125℃,精度為0.5 ℃。

圖4 濕度、壓力傳感器信號處理電路

圖5 溫度傳感器電路

2.1.3 監測終端無線射頻通訊電路設計

射頻通訊電路是基于高性能的無線射頻芯片JTT4432以及高精度外圍元件組成，工作于433/470/915 MHz的通用ISM頻段,帶有調制器和解調器,發送時可以自動打包,接收時可以自動地址匹配、自動CRC校驗。發送和接收完畢后,其NIRQ中斷引腳會自動設置為高電平,以表示發送或接收完畢。Si4432提供給應用的控制器一個SPI接口,速度由微控制器自己決定,因此編程非常方便。其功耗非常低,以20 dBm的輸出功率發射時電流為85 mA,在接收模式時電流為15 mA,待機狀態電流僅為2.5 μA。JTT4432共有4種工作模式,分別為掉電和SPI編程模式、待機和SPI編程模式、接收模式、發送模式,其工作模式切換通過配置寄存器07H實現。電路原理如圖6所示。

圖6 無線射頻電路

2.2 數據管理中繼裝置硬件設計

數據管理中繼裝置由MAGE64單片機、信號變換整理、JTT4432無線收發電路、電源管理電路、鍵盤顯示單元等組成。通過無線射頻或總線方式接收各監測點的數據,微處理器對數據進行綜合處理后打成數據包,無線或總線方式傳送到遠方。每個數據管理中繼裝置可管理32個現場監測終端,是整個監測系統數據管理和交換的關鍵。數據采集中繼器裝置的微處理器采用ATMEL公司生產的新一代高性能、低功耗單片機ATmega64。采用先進的RISC結構,全速、非侵入式的在系統調試接口(片內),低功耗,ATmega64單片機的工作電壓范圍為2.7～5.5 V,同時具有休眠模式及閑置(IDLE)低功耗模式,功耗為1～2.5 mA。結構框圖如圖7所示。

圖7 數據管理中繼裝置框圖

3 現場運行

監測系統在某變電站500 kV開關進行整體調試并投入運行,多次現場測試,對遠方數據進行遙測,經過比較分析,所有監測數據準確無誤,數據傳輸流暢,各項指標達到了要求。監測數據如圖8所示。

圖8 監測數據圖

4 結 語

結合壓力測量、溫度測量、射頻通訊技術設計了一套SF6氣體密度、濕度及泄漏在線監系統,并應用于現場,解決了長期由于溫度、壓力測量方式影響而造成誤差和無法準確真實測量設備的SF6氣體真實情況的技術問題,提高了設備運行安全性。

[1] 黃新波.變電設備在線監測與故障診運行斷 [M]． 北京：中國電力出版社，2010． HUANG Xinbo.Online monitoring and fault diagnosis of substation equipment [M].Beijing:China Electric Power Press,2010.

[2] 王振浩,杜凌艷,李國慶,等.動態時間規整算法診斷高壓斷路器故障[J].高電壓技術,2006,32(10):36-38.WANG Zhenhao,DU Lingyan,LI Guoqing,et al.Fault diagnosis of high voltage circuit breakers based on dynamic time warping algorithm[J].High Voltage Engineering,2006,32(10):36-38.

[3] 高仁璟,劉國新,唐禎安.基于Si4432的無線射頻遙控系統設計[J].通信技術,2010,43(10):137-139.GAO Renjing,LIU Guoxin,TANG Zhenan.Design of RF remote control system based on Si4432[J].Communications Technology,2010,43(10):137-139.

[4] 劉有為，周 華.智能高壓開關設備信息流方案設計 [J]．高壓電器，2011，47(1)：1-4． LIU Youwe，ZHOU Hua.Information flow scheme designed for smart HV switchgear[J].High Voltage Apparatus，2011，47(1)：1-4.

[5] 王春寧,劉紅波.六氟化硫氣體在線監測的研究[J].高電壓技術,2005,31(9):41-43.WANG Chunyu,LIU Hongbo.Research of SF6 gas online monitoring[J].High Voltage Engineering,2005,31(9):41-43.

[6] 張愛菊,李少雄.基于GPRS的SF6氣體監測系統的設計[J].高壓電器,2006,42(4):265-267.ZHANG Aiju,LI Shaoxong.Design of the instrument for measuring the density of SF 6 gas based on GPRS[J].High Voltage Apparatus,2006,42(4):265-267.

[7] 張曉星,王震.氣體絕緣變壓器局部放電超高頻在線監測系統[J].高電壓技術，2010,36(7)：1692-1696.ZHANG Xiaoxing,WANG Zhen.GIT partial discharge UHF on-line monitoring system[J].High Voltage Engineering,2010,36(7)：1692-1696.

[8] 舒佳,黃新波.智能變電站SF6 氣體智能監測裝置設計[J].高壓電氣，2013，49(4)：1-7.SU Jia,HUANG Xinbo.Design of SF6 gas intelligence monitoring device for smart substation[J].High Voltage Apparatus,2013，49(4)：1-7.

[9] 黎斌.影響 SF6密度控制器監控特性的因素分析 [J]．高壓電器， 2010,46(2)： 72-75． LI Bin.False alarm analysis of SF 6 density controller[J].High Voltage Apparatus ， 2010，46(2)：72-75.

[10] 顏湘蓮，宋杲，王承玉.基于SF6氣體分解產物檢測的氣體絕緣開關設備狀態監測[J].電力自動化設備，2014，34(6)：83-95.CHEN Wei-gen， DU Jie， LING Yun .Energy-wavelet moment characteristics of air-gap discharge in oil-paper insulation of transformer and partition of discharge process[J].Electric Power Automation Equipment,2014，34(6)：83-95.

[11] 顏湘蓮，王承玉，楊韌，等 .應用 SF 6 氣體分解產物的高壓開關設備故障診斷研究[J] .電網技術， 2011 ， 35 ( 12 )： 120-123.YAN Xianglian,WANG Chengyu,YANG Ren,et al.Fault diagnosis of high voltage switchgears by decomposition products of SF 6[J].Power System Technology ， 2011，35(12)： 120-123.

[12] 李國興，姜子秋，王曉丹.SF6分解產物體積分數檢測在SF6電氣設備故障診斷中的應用 [J]．高壓電器， 2011，47(12)：104-108． LI Guoxing，JIANG Ziqiu，WANG Xiaodan.Application of content of SF 6 decomposition products in fault diagnosis of SF 6 electrical equipment[J].High Voltage Apparatus，2011，47(12)：104-108．

(責任編輯 王小唯)

Research on online monitoring system of high voltage circuit breaker SF6gas

SUN Fujun1,WANG Baojun1,WANG Zhenhao2,CHENG Long2

(1.State Grid Heilongjiang Electric Power Supply Company Limited,Harbin 150090,China; 2.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

When the temperature changes in cavity,the water content of the switching devices running outdoor obtained in SF6may condenses on the solid medium surface.While the gas density changes can also affect switch reliability and has a threat to the safe operation of equipment to the extent of seriousness.In order to solve the problem above,advanced temperature-humidity,pressure and other sensors were used to design radio frequency transceiver circuit and data acquisition circuit.And the integrate high voltage circuit breaker SF6gas monitoring terminal devices with a high degree of integration was developed.Through wireless network,real-time online monitoring of SF6density and water content changes and trace gas leak were reached.Also,a field test was conducted in a 500kV substation.Result shows that equipment used in monitoring system runs stability and data is accurate,which meets the technical requirements.

high voltage circuit breaker; SF6; sensor; wireless communication

2016-05-15。

孫福軍(1964—)男,高級工程師,主要從事電力系統自動化方面的技術管理等工作。

TM561

B

2095-6843(2016)06-0533-04