牽引變電所室內氣體和積水狀況遠程監控系統的設計

李彥吉， 齊利軍

(中國鐵路北京局集團有限公司 石家莊供電段， 石家莊 050000)

京廣高速鐵路采用了許多新技術、新工藝，但是在牽引供電系統實際運行中，由于缺少必要的監測手段，不能掌握運行檢修人員工作環境的實時狀態、遠程監控關鍵項目偏少、現場實用性不足，不能滿足鐵路總公司、北京局集團公司規程的有關要求，存在安全隱患。

1 運行中存在的問題

1.1 存在誤入禁入系統的危險

現階段牽引變電所(含分區所、開閉所、AT所)均采用了HFC-227ea(七氟丙烷)自動滅火系統。這是一種以化學滅火為主、兼有物理滅火作用的潔凈氣體滅火系統。其主要原理是當火警發生時，七氟丙烷從罐的出氣口排出、迅速把火警發生場所的氧氣排走并冷卻火警發生處，從而達到滅火的目的。即系統噴發時、如若周圍有人意外闖入、將會窒息或者凍傷。

2015年9月23日北陽村AT所的自動滅火系統就出現了誤動作問題，供電調度通知調度臺顯示有煙感動作信號，要求邢臺東網電運行工區進行巡視。此過程存在極大的安全風險，倘若控制室內O2含量不達標或者在七氟丙烷噴發過程中意外進入、將造成人員的人身傷害。

1.2 SF6配電裝置低位區的電纜夾層巡視檢修危及人身安全

牽引變電所2×27.5 kV側設備均采用了GIS柜，作為主變壓器低壓側和饋線設備。此類設備在10 kV配電室也多有應用。配合GIS柜的應用，其進、饋線采用高壓電纜從其底部進出，這樣在GIS柜下部均修建了一個電纜夾層、位于SF6配電裝置低位區。

中國鐵路總公司《高速鐵路牽引變電所安全工作規則》[1]第111條規定，“高壓室、電纜夾層入口處應裝設SF6氣體含量顯示器”“進入SF6配電裝置低位區或電纜溝進行工作應先檢測含氧量(不低于18%)和SF6氣體含量不超過1 000 μL/L”。

《電力安全工作細則》[2]對電力專業也有類似的規定。第112條：“在SF6配電裝置室低位區應安裝能報警的氧量儀和SF6氣體泄漏報警儀，在工作人員入口處應裝設顯示器?！?/p>

而這些SF6配電裝置低位區的要求在京廣高鐵各變電所、配電室均沒有任何監測手段。

為了保證巡視檢修人員的人身安全，現場采用便攜式含氧量測試儀和SF6氣體含量測試儀手動測試，以做到對牽引變電所有限空間環境的掌握。雖然這類儀器可以測得SF6配電裝置低位區(如電纜夾層)的O2、SF6的含量，但必須得有人將儀器放置進有限空間內、并讀取含量數值，如若真的環境有問題、那對放置和讀取數值人員將造成人身傷害。

1.3 不能實時掌握高壓電纜狀態

《牽引供電高壓電纜管理辦法》[3]要求，“電纜室內部無積水、水浸探頭狀態良好”。而現場電纜夾層沒有安裝任何水浸遠程報警裝置，對現場電纜的狀態掌握只能靠“有人值班變電所值班人員每天對所內電纜設備1次”“無人值班的開閉所、分區所、AT所、接觸網開關站所內高壓電纜設備每月1次”的巡視。在巡視間隔期間，特別是無人所、將有可能造成高壓電纜最多2個月的水中浸泡。

在京廣高鐵崔曲、延康AT所就曾經發生過電纜夾層積水超過60 cm的現象。

1.4 不能實時掌握設備現場的狀況

以上問題的檢查確認都是靠人實現，必須等待人員到達現場后才能檢查確認，一旦確認失誤或者疏忽將釀成檢查確認人員的人身傷害，或者貽誤最佳的故障處理時機。

2 解決方案

針對上述問題，研制開發了“牽引變電所室內氣體和積水狀況遠程監控系統”，方案定位于滿足規程的要求、實時監控有限空間的即時狀態并遠傳測量值、自動遠端報警和隱患的及時發現處理，確保牽引變電所有限空間作業的安全。

該系統硬件上由SF6在線監測系統、O2檢測系統、水位監測系統、強制排風系統、實時通信報警系統、遠傳通信告警系統組成。以崔曲AT所為例，如圖1。

圖1 監控系統安裝示意圖

2.1 電纜夾層

分別在處于SF6低位區的電纜夾層設置SF6傳感器、O2傳感器和壓力(水位)傳感器，監控主機對傳感器輸出信號進行采集。

圖2 監控通訊系統示意圖

當檢測到電纜夾層的SF6含量超過規程要求的1 000 μL/L 或者O2含量低于18%、水位高于10 cm時(以上數據可根據需要設定)，裝置告警，按既定程序啟動強排風裝置，以短信息的方式將結果發送給負責維護人員的手機、并可選擇以485方式連接綜合自動化裝置通信管理機(既有)送往供電調度端、或者連接辦公電腦、巡檢筆記本顯示。

2.2 高壓室

高壓室內僅布置SF6傳感器、O2傳感器，工作過程同上。

2.3 控制室

控制室內設置O2傳感器、為配合HFC-227ea自動滅火系統，僅選擇報警、手動啟動通風系統的功能。

2.4 監視控制

按規程要求分別在控制室、高壓室、電纜夾層入口處裝設LED顯示屏，即時顯示各種氣體含量、水位高度。

當用于有人值班的變電所時，可不再設置室外LED顯示，而將裝置顯示報警功能以485的方式與辦公電腦連接、在電腦上可以實時監測各處的氣體含量和水位。

檢修人員在設備巡視檢修時，開啟防火門前、室外LED即可看到即時的氣體含量和水位，或者巡檢人員用個人的手機連接當地路由器查看、控制啟動排風，防止誤入禁入區域危及人身安全的問題發生。

3 系統構成

牽引變電所室內氣體和積水狀況遠程監控系統基于CAN現場總線，CANOPEN協議，由數據采集、數據顯示、排風控制、主控制器4部分構成。

主控制器為CANOPEN主站，各數據采集器、LED數碼顯示屏、排風控制器為CANOPEN從站。數據采集包括六氟化硫含量采集，氧氣含量采集，水位采集；數據顯示為LED數碼顯示屏，顯示采集到的各空間數據；排風控制根據設定好的參數，當采集到的數值超過警戒值時自動控制排風系統開啟排風；主控制器控制各部分工作，并實現與上位機的通訊。

各部分均采用32位的Cortex-M3 ARM微控制器，模數轉換為24位AD芯片。通訊部分采取隔離結構。采集器使用鋁合金外殼，美觀，屏蔽性能好。這樣的硬件架構性能優良，分辨率高，抗干擾性好。

3.1 系統總體結構

牽引變電所室內氣體和積水狀況遠程監控系統總體結構如圖3。

圖3 監控系統總體結構圖

(1)SF6含量采集所用的前端傳感器為紅外擴散式模組，信號接口為UART輸出，MODBUS協議。經采集器采集轉換為CANOPEN協議。測量范圍0～1 500 μL/L，檢測分辨率1 μL/L，檢測誤差±2% FS。

(2)O2傳感器采用采用電化學原理，其信號輸出為微電流信號，經采集器的24位高精度AD轉換后轉換為數字信號。檢測濃度范圍0～30% VOL(電化學原理，壽命兩年)，檢測精度0.5%。

(3)以往的水位監測往往采用水浸探頭或者浮球開關的方法，在水面浸沒探頭導通或者使浮球浮起引起行程開關動作后，給出信號報警。此類設備原理非常簡單、也較為可靠，但僅僅能說明水位淹沒了探頭、并不能將實時的水位進行遠方傳遞，調度端、維護人員對于電纜夾層到底被水淹沒了多深，無從得知。

設計中采用了壓力傳感器實時監測水位高度變化的方案，根據壓力傳感器傳送的數據，按照P=ρgh公式，計算出具體的水位高度h。測量范圍0～1 m(壓力式)，測量精度 0.5%，防護等級IP68。

(4)設計中，遵循日常進行設備巡視檢修的順序、值班人員的習慣，設置LED。進入控制室前要觀看室外LED，其顯示內容為控制室的O2含量；從控制室進入高壓室前，要觀看高壓室SF6和O2含量；從高壓室下到電纜夾層前，需要了解電纜夾層SF6、O2含量和電纜夾層內的水位高低。3塊LED顯示的內容是有區別的，為了生產的方便，將LED設計為同樣的結構，在安裝時、將內部的撥碼開關分別置于不同的位置，顯示不同的對應內容。

(5)設計中，檢測到電纜夾層、高壓室SF6、O2含量超標后自動啟動通風系統。也可通過后臺關閉，但在設備巡檢時、必須將其置于自動狀態、確保作業人員的人身安全。為配合HFC-227ea滅火系統，控制室內僅選擇報警、手動啟動通風系統的功能。

排風控制前端為一固態繼電器，由系統根據設置好的條件控制排風系統的電源開關，和原來的手動控制部分并行工作，手動控制部分作為備用控制。

(6)系統使用交流220 V供電，前端經過一臺長延時不間斷電源，保證了系統供電安全和供電質量。交流停電的情況下，使用一只38 Ah閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池供電，供電時長不少于54 h。系統也可以選擇DC 110-DC 220供電。

3.2 客戶端的使用

使用手機連接上主控制器的WIFI后，打開瀏覽器，輸入地址：192.168.0.2打開客戶端界面，即可看到系統主界面。

該界面從上到下為按照實際區域分為3部分，控制室，高壓室，電纜夾層。每列數據從左到右順序為數據名稱，數據采集器和排風控制器狀態，若數據采集器或者排風控制器有故障，相應位置會出現紅色報警圖標。以數字方式顯示檢測數據值，以圖形方式顯示檢測數據值狀態，其中自動排風開關，手動排風開關以及排風狀態值以文字顯示。

輸入用戶名和密碼后進入系統后臺管理界面，可根據需要更改設置新的密碼。系統后臺管理包括手動排風，參數設置，系統校正，密碼修改4個功能區。

4 結束語

2016年6月19日牽引變電所室內氣體和積水狀況遠程監控系統在京廣高鐵崔曲AT所投入運行；2018年1月11日通過了中國鐵路北京局集團公司的技術評審。

(1)系統設計中，考慮到了監控系統距離高壓電纜較近和運行中牽引供電系統強大的電磁干擾、較大的地回流等因素，進行了特殊設計、電磁兼容性強。所有元器件進行了防潮設計，在較為潮濕的電纜溝、電纜井、電纜夾層內、甚至野外系統均能夠可靠運行。

(2)增加了現場WIFI、短信報警等適用性設計。系統除了預留有485接口，可方便地接入既有遠動系統外，增加了WIFI連接查看和短信報警功能。在進行無人所巡視時，巡檢人員利用自身手機連接當地WIFI，通過內嵌WEB服務器，實現了網頁訪問和設備的控制。在不構建復雜數據傳輸系統的情況下、利用手機短信息就可以做到涉及人身安全的信息報警、幾乎沒有通信費用。

(3)現場安裝和后期維護方便。系統基于CAN現場總線，CANOPEN協議，一根5芯電纜連接所有變送器及主機、控制器，可分立可組合，現場安裝非常方便、具有很高的現場適應性。利用手持式校驗儀或者在現場排風后較為潔凈的環境下，可方便地進行自動校正。為了后期維護的方便，進行了積木式設計，打開控制盒、只需更換相應壽命到期或者故障或者需要檢測的SF6、O2傳感器即可。