六氟化硫斷路器液壓油檢測系統設計

王瑞英，韓丹丹，楊學存

（1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊，830011；2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安，710054）

0 引言

六氟化硫斷路器在電力供應系統中的廣泛應用，得益于它的性能優勢，與其他類型的斷路器相比，六氟化硫斷路器中具有很強的介電性能并且其結構相對簡單，容易維護，能夠穩定可靠的運行以及具有較強的滅弧能力。斷路器操作桿的液壓系統正常工作是保證斷路器每一次正常開斷的關鍵。液壓油是液壓傳動系統中用來傳遞能量的液體工作介質，除了傳遞能量外，它還起著潤滑相對運動部件和保護金屬不被銹蝕的作用。惡劣的環境對六氟化硫電氣設備中使用的液壓油有巨大的影響。液壓油污染是設備發生故障以及使用壽命降低的主要原因，因此有必要對液壓油進行不定期的檢測，掌握其污染信息，進而減少機械故障，降低故障帶來的損失，保證設備安全運行[1]。

1 檢測系統總體方案設計

系統將油液檢測傳感器安裝在專用的導油模塊上，通過自吸的方式將油液從導油模塊進油口流入，途經傳感器再從出油口流出，油液在流過導油模塊的整個過程中傳感器將會采集數據。系統包括供電電源模塊、水分測量模塊、顆粒檢測模塊、粘度檢測模塊、顯示模塊及報警模塊。這些模塊的相互協調工作，構成了整個液壓油檢測系統。整體設計方案如圖1所示。

圖1 系統整體設計方案

圖2 時鐘系統電路原理圖

圖3 復位電路原理圖

圖4 電源電路原理圖

2 系統硬件的設計

2.1 微控制器最小系統設計

本系統采用STM32F103ZET6作為主控制器[2][3]，具有64KB的SRAM，512KB的FLASH，2個基本定時器，4個通用定時器，2個高級定時器，3個SPI，5個串口，1個USB，1個CAN，3個12位的ADC，1個12位的DAC，1個SDIO接口，1個FSMC接口以及112個通用I/O口。其最小系統主要包括時鐘系統、電源和復位。其電路圖如圖2-4所示。

2.2 傳感器檢測模塊電路設計

2.2.1 水分檢測

圖5 水分檢測原理框圖

油液中的水分值變化是衡量油液是否變質的重要指標，油液水分檢測傳感器用于油液中含水量檢測[4]。系統采用中航高科智能測控有限公司的水分傳感器，該傳感器電源供電是12-32V, 介質溫度為-40℃-125℃，信號輸出為4-20m A，輸出參數為油液中的微水含量0-100%。原理框圖如圖5所示。

圖6 CAN通信電路原理圖

2.2.2 粘度檢測

對于六氟化硫斷路器來說，油液粘度檢測是必須的，因為粘度的測量能反映出油液是否變質，通過粘度的測量可以在油液變質的早期獲得信息，以便對油液及時進行維護，避免斷路器發生故障。在本系統中，粘度測量采用中航高科智能測控有限公司的粘度傳感器，該傳感器電源供電是12-36V,介質溫度為-40℃-85℃，精確度是量程10%，輸出信號通過CAN總線輸出。CAN通信電路如圖6所示。

2.2.3 顆粒污染度檢測

顆粒污染度指單位體積油液中所含各種尺寸的顆粒數。系統采用天津大學生產的基于光阻法的GWJ-5型激光傳感器進行顆粒污染度的測量[5]-[8]。光阻法的基本工作原理為從光源處發出一組相互平行的光束，該光束透過油液檢測區時，如果油液中有顆粒存在，那么顆粒會對光線有一定的遮擋作用，使投射出來的光強減弱，并被接收器的光電二極管將接收到的光能轉換成電能。如果油液中無顆粒存在，則接收器輸出的電壓為一定值。接收器接收到的電信號微弱，需利用放大器將信號放大，最后傳輸到顆粒計數裝置，該裝置將采集到的電壓信號進行比較處理， 判別油液中顆粒的個數和大小。光阻法原理圖如圖7所示。

圖7 光阻法顆粒度檢測原理圖

3 系統檢測數據分析

3.1 液壓油水份與時間的散點圖及其分析

以新疆某些地區的六氟化硫斷路器液壓油的檢測系統為例，斷路器的電壓等級分為750KV和220KV兩種。斷路器液壓油水分與時間的關系圖如圖8和圖9所示。

在圖8中，紅點代表電壓等級為750KV，黑點代表220KV。從圖8所示電壓等級對于液油中的水份影響較大，電壓等級越大，航油中的水份就越大，基本能達到1倍以上。在圖8里750KV的電壓等級下的水份基本保持在70mg/L左右，而220KV的電壓登記下航油的水份只有30mg/L左右。只有極個別的有所差異。

在圖9中，紅點代表的地區是吐魯番，藍點代表的是哈密和巴州。從圖示9可以看出，吐魯番與哈密和巴州差距比較大，吐魯番的航液油水份在35mg/L左右。而哈密和巴州在60mg/L左右。雖然電壓等級都為750KV，但是卻出現如此差異。經過調查，吐魯番屬于干燥地區，每年的降水量很少，哈密和巴州地區的降水量較多一些。所以水份與地區的干燥程度也有一定的關系。

圖8 50個月內水份與時間散點圖

圖9 50-100個月內水分與時間的散點圖

由圖8和圖9可以看出，航油的水份與時間和地區以及電壓等級都有一定的關系。在短時間內，電壓等級的影響會更大。電壓等級越高水份會越大。而在相同的電壓等級下，隨著時間的推移，降水量大的地區航油中的水份會越來越大，干燥的地區航油中的水份基本保持不變。

3.2 粘稠度與電壓等級的關系分析

同樣以新疆某些地區的六氟化硫斷路器液壓油的檢測系統為例，液壓油粘度與電壓等級的關系如圖10所示。

如圖10所示，橫坐標為電壓等級，縱坐標為粘稠度。從圖10可以很明顯的看出，在220KV的電壓等級下粘稠度的范圍是9.75-11.75之間。而在750KV的電壓等級下，粘稠度的范圍在8-10之間。對比下可以得出一個結論，電壓等級越高粘稠度越低。

圖10 粘稠度與電壓等級的散點圖

3.3 顆粒污染度與顆粒總數的關系分析

本系統的顆粒污染度以大于＞5μm的顆粒數來表示。顆粒污染度與顆?？倲档年P系分析見圖11所示。圖中橫坐標表示顆粒污染度等級，采用美國NAS1638油液污染物等級標準，縱坐標表示顆粒污染總數。

圖11 顆粒污染度與顆?？倲档纳Ⅻc圖

從圖11中可以明顯看出，兩個變量之間存在一種遞增的關系。污染度會隨著顆粒總數的增加而上升。

4 結論

本文主要論述了六氟化硫斷路器液壓油檢測的必要性，進行了液壓油檢測系統方案的設計和軟硬件的設計，并對檢測結果進行了分析。通過對液壓油性能指標的檢測，可以提前判斷出設備的運行狀況，大大降低設備發生故障的可能，從而保障電網能夠安全、經濟、高效的運行。