SF6氣體泄漏監測與報警系統

姜家旭　王愷笛　徐鶴銘　梅宏志　江昕

【摘 要】目前已有的SF6氣體濃度測量手段，是借助超聲波技術監測和高壓負電暈放電完成檢測。超聲波技術監測是利用超聲波在不同摩爾質量的氣體中不同的傳輸速度，對空氣中泄漏的SF6氣體進行檢測，但該技術對SF6濃度高的檢測更加精確，對微量的SF6氣體檢測不適用。本文通過在太平灣發電廠戶外SF6開關區域，設計安裝了SF6氣體泄漏監測與報警系統。針對SF6泄漏監測與報警系統展開深入探究。

【關鍵詞】SF6氣體泄漏監測；報警系統；數字信號處理技術

0 引言

SF6氣體以其優異的絕緣和滅弧性能，在電力系統中得到了廣泛應用，幾乎成為了中壓、高壓和超高壓開關中所使用的唯一絕緣和滅弧介質[1]。在使用SF6氣體為絕緣和滅弧介質的室內開關在使用過程中發生泄漏時，SF6氣體一經泄漏其分解物質，會往室內底層空間積聚，造成局部缺氧和帶毒，對進入室內的工作人員生命俺去構成嚴重威脅。開展SF6氣體泄漏監測與報警系統的研究對水電廠意義重大。以紅外光譜吸收為檢測手段的在線監測方法，具有準確可靠、反應迅速、易于測量、易于記錄，實用性強等特點。對SF6/O2氣體濃度的變化來準確判斷設備內是否造成SF6氣體濃度超標或缺氧的情況發生。

1 系統概述

1.1 工作原理

通過針對高壓開關設備內部的SF6氣體濃度，以及具體的反應發生變化情況時，SF6氣體的具體吸收類特性，以及相應的濃度之間所存在的主要關系，由而對SF6的氣體濃度是否發生相應變化完成判斷。之后根據經過判斷SF6氣體濃度，從而判定濃度是否超標之后完成實時報警[2]。此種系統的工作原理是構建在光學、力學、聲學以及電子、工業等多種領域原理知識，適用于電力系統、SF6開關室、GIS室、SF6主變等進行SF6氣體的長期在線實時監測。

1.2 系統主要構成

本次研究中的SF6氣體泄漏監測與報警系統開發，是基于SF6氣體濃度檢測基礎之上研制的，該系統主要的結構功能構成包括三部分[3]：（1）采集器 該模塊功能主要是為了能夠對所泄漏的SF6氣體完成收集，該結構是整個泄漏檢測系統的主要采集功能端；（2）分析模塊 該模塊的主要功能是經由氣路以及傳感器所組成的，氣路通過應用于對每一個采集端所收集的SF6泄漏氣體進行抽取分析，之后借助傳感器部分完成對氣體的成分分析，進而經過一系列的計算得出SF6以及氧氣的相應含量，之后經由無線傳輸的方法，將經過計算的數據發送至主機設備；（3）主機 該模塊的主要功能實現了系統性的人機界面，該模塊通過將各個采集器之間的經過計算數據得以顯示，將各類報警數據完成儲存，在報警過程中會聯動警報器持續發出聲光報警。

2 系統硬件及軟件設計

2.1 系統硬件設計

該技術是采用朗伯比爾定律，當特別波長的光經過被測氣體時，光強的減弱與被測氣體的含量符合朗伯比耳定律。當紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅光有吸收，其吸收關系服從朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律。

設入射光是平行光，其強度I，氣體介質的厚度為L。當由氣體介質中的分子數dN的吸收所造成的光強減弱為dI時，根據朗伯—比爾吸收定律：dI/I=-KdN，式中K為比例常數。

傳感器采用了雙光束檢測原理，一路測量光束，一路參比光束，與單光束相比，雙波長雙光束技術可以避免因為光源的老化、采樣池和檢測器表面污染而引起的漂移。參比通道的被調制的特定波長的單色光不會對被測量氣體產生吸收。它產生一個穩定的信號，此信號只受外部影響而變化，不受被測量氣體影響。具有抗其他氣體干擾，長期穩定性好，壽命長、精度高等特點。

2.2 系統軟件設計

該系統的主要軟件組成包括兩部分[5]：其一就是FPGA的采樣及計算，通過借助Quartusil環境完成系統語言功能開發，之后在FPGA內部嵌入ARM軟核，將FPGA完成測量計算數值轉換送至ARM軟核內，得出相應的數據有效值。其二就是DSP的SF6氣體濃度檢測分析功能，通過借助C語言開發以及（下轉第151頁）（上接第147頁）匯編語言完成開發，主要的系統軟件功能包括了SF6氣體的濃度檢測，以及O2氣體的濃度檢測、zigbee無線通訊、觸摸屏人機界面及控制回路。

2.3 該系統運行測試結果

今年12月將該系統安裝于太平灣發電廠一戶外SF6開關場，進行了現場模擬測試，在采集器附近釋放微量SF6氣體，現場警燈立即報警，并通過zigbee無線通訊，將報警信號傳輸至辦公樓的主控室（主控室安裝有報警系統主機），主機實現對報警數據的存儲盒查詢。

本次研究的SF6氣體濃度泄漏監測報警系統，在應用中通過采用SF6非分散紅外線技術NDIR傳感器[6]，有效的解決了由于光源發生老化、采樣池和檢測器表面出現多種外在污染因素，所引起的漂移、手外部影響而變化等問題。該系統在應用過程中，具備了較高的可靠實用性，在線監測系統更是有效的實現了監測控制、報警、數據記錄和信息遠傳等功能，具有實時性好、可靠性高、免維護等特點。

3 結語

在本次研究中通過設計SF6氣體泄漏濃度檢測和報警系統，有效的解決了SF6氣體濃度在檢測過程中的諸多困擾，提升了誤報率和穩定性，并且很大程度的避免了環境因素等造成的系統影響。通過借助優化數據類處理方法，采用SF6非分散紅外線技術NDIR傳感器，很大成效的提升了整體的數據處理速度，并且增強了數據的整體準確穩定性，減少了成本的投入，更在戶外開關SF6信號采集方法和傳感器安裝方案等方面取得了實際經驗，為戶外SF6氣體泄漏濃度檢測和報警系統，取得商業應用績效提供了必備的運用條件。

【參考文獻】

[1]任峰峰.TK-EM8000SF6開關室環境監測報警系統的應用[J].電氣技術，2013，14（8）：96-97.

[2]石靜，趙震杰.變電站GIS室SF6氣體泄漏監控系統的設計[J].電腦知識與技術，2012（11X）：7849-7853.

[3]楊潤生.SF6氣體泄漏監控報警系統在GIS高壓組合開關室中的應用[J].中國高新技術企業，2013（18）：31-32.

[4]星成武，薛鵬生.高速鐵路牽引變電所SF6氣體監測系統的應用研究[J].工程技術：引文版，2016（9）：00094-00095.

[5]楊軼男，王本明.淺析110kV變電所SF6監測報警系統應用[J].城市建設理論研究：電子版，2012（21）.

[6]續文浩，宿筱.基于ZigBee的高壓開關SF6氣體泄漏監測系統設計[J].自動化與儀器儀表，2014（1）：59-61.endprint