數(shù)字式機電一體化SF6氣體密度變送器

沈陽儀表科學研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 劉 妍 張 建 胡 競

數(shù)字式機電一體化SF6氣體密度變送器

沈陽儀表科學研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 劉 妍 張 建 胡 競

數(shù)字式機電一體化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)測設(shè)備內(nèi)SF6氣體密度參數(shù),可輸出繼電器的閉鎖信號、報警信號和RS485總線信號，介紹了其結(jié)構(gòu)和電路原理，更好的滿足了電力工業(yè)對變電站用高壓電氣設(shè)備工作安全性、可靠性、實時性的要求。

SF6氣體；智能電網(wǎng)；密度；電磁兼容；RS485總線

1.引言

近年來，由于SF6氣體絕緣強度高、滅弧特性好，已成為當今高壓電氣設(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)備安全運行的重要保證。

SF6密度監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了從壓力表、機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，對監(jiān)測的可靠性和準確性，避免人為失誤，特別是這種非連續(xù)性監(jiān)測在設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)性泄漏時不能及時報警而釀成事故，要及時掌握組合電器GIS設(shè)備中的SF6密度及運行狀態(tài)，“在線、實時、遠傳、集中、智能、可靠”的監(jiān)測方式的要求，我們研制了數(shù)字型機電一體化的SF6氣體密度變送器［1］，在輸出繼電器報警信號、閉鎖信號的同時，又輸出RS485總線信號，集控制、保護作用和監(jiān)視作用于一身，以滿足智能電網(wǎng)對變電站內(nèi)高壓設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)的遠程在線監(jiān)測的需求，為變電設(shè)備狀態(tài)評價、風險分析、故障診斷、檢修策略決策提供技術(shù)支撐。

2.原理

2.1 數(shù)字式機電一體化密度變送器的原理

機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，兩個氣體回路互不影響，指針式密度繼電器通過壓力測試管和溫度補償片，指針指示所受壓力值，并輸出閉鎖信號和報警信號，起到控制和保護作用；壓力傳感器通過引壓孔感受壓力,同時有溫度信號測量氣體溫度，單片機對壓力信號和溫度信號進行處理,以RS485總線形式輸出密度信號傳至上位機,實現(xiàn)遠程監(jiān)視和測量。

圖1 數(shù)字式機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越高，所以電路主要由兩部分組成，抗干擾部分和信號處理部分，如圖2所示。

圖2 數(shù)字式機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

電力通訊設(shè)備的電磁兼容性在電網(wǎng)運行中占據(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)定運行。電力系統(tǒng)本身就是一個強大的干擾源，容易產(chǎn)生或出現(xiàn)電磁干擾，例如高電壓、大電流設(shè)備周圍的電場和磁場，射頻電磁輻射；雷電；供電電網(wǎng)的電壓波動、電壓突降和波動、諧波以及電子設(shè)備的工作信號和噪聲等，特別智能控制單元都采用了微電子元件，工作電壓低，輸入信號弱，耐壓水平低，易受外界電磁場干擾而導致控制單元順壞和失靈。因此，該變送器對電磁兼容性能進行了優(yōu)化設(shè)計。

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)絡和差模電路網(wǎng)絡，有效的抑制擾動信號；采用DC/DC隔離模塊切斷干擾傳播途徑實現(xiàn)電路與電路之間的電氣隔離，有效的解決地線環(huán)路帶來的設(shè)備與設(shè)備之間的干擾；各級有濾波電路，將無用的騷擾濾除，使有用信號和騷擾的頻譜隔離。

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

通過以上措施，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 信號處理部分設(shè)計

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

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)定性高擴散硅壓力傳感器，其體積小、重量輕，安裝使用方便。當被測氣體發(fā)生變化時，壓力作用在不銹鋼隔離膜片上，通過隔離硅油傳遞到擴散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)過精密的補償電路、信號處理芯片、最后轉(zhuǎn)換成電壓信號，該信號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，其反應快，機械性能好、耐振，便于安裝，使用壽命長等特點，經(jīng)信號電路輸出正比于溫度變化的電壓信號。

信號通過多路開關(guān)進行A/D轉(zhuǎn)換，傳送給單片機進行信號處理。單片機依據(jù)溫度—壓力曲線，如圖5所示，對數(shù)據(jù)經(jīng)行處理，計算出相當于氣體20℃時的壓力值即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，長距離傳輸和多站能力等優(yōu)點使其成為首選串行接口，但在工業(yè)控制領(lǐng)域，由于現(xiàn)場情況十分復雜，各個節(jié)點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，但當共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時，接收器就再也無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設(shè)備。

本變送器是通過帶隔離的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將信號隔離，并濾除接地回路和傳導噪聲引起的干擾,徹底消除共模電壓的影響。為防止信號反射，在終端接有120歐姆的電阻，從而在長距離通信中具有更高可靠性。

3.特點及優(yōu)勢

機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，只需一個過程接口連接管道，可實現(xiàn)兩種測量功能。改善了原有指針式和電子式密度傳感器分別安裝造價昂貴、安裝不便的安裝方式，進一步提高了安裝可靠性。

采用的溫度壓力補償方法測量密度，克服了溫度發(fā)生變化時壓力也隨之變化對密度帶來的影響，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，使氣體的密度測量的更加準確。

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)實現(xiàn)可靠的測量。

發(fā)揮現(xiàn)場總線控制技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了高壓電氣設(shè)備的智能管理，可以用一條總線，連接多個傳感器，采集多個傳感器信號到上位機，實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析、診斷及報警等功能，便于監(jiān)測系統(tǒng)集中管理，做到準確及時掌握運行設(shè)備的狀況，使運行人員及時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

數(shù)字式機電一體化SF6密度變送器，通過測量氣室內(nèi)SF6氣體的壓力和溫度，利用軟件溫度補償實現(xiàn)SF6氣體密度的測量，既可以輸出報警、閉鎖信號，同時又能輸出RS485總線信號，實現(xiàn)實時、可靠遠傳測量；同時該傳感器體積小，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)測和測量，被廣泛應用于220KV以下的高壓開關(guān)GIS設(shè)備SF6氣體密度的監(jiān)測，真正實現(xiàn)了“在線、實時、遠傳、集中、智能、可靠”的測量。

[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導則.

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

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