高壓斷路器SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

孫福軍,王寶軍,王振浩,成 龍

(1.國網(wǎng)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(jiān)測系統(tǒng)研究

孫福軍1,王寶軍1,王振浩2,成 龍2

(1.國網(wǎng)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(nèi)SF6氣體所含水分會凝結(jié)在固體介質(zhì)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(fā)電路及數(shù)據(jù)采集電路,開發(fā)了集成度較高的一體化高壓斷路器SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過無線組網(wǎng),實時在線監(jiān)測SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)測氣體的微量泄漏,并在某500 kV變電站進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明,監(jiān)測系統(tǒng)中的設備運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)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(tǒng)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(nèi),決定著設備的安全運行狀態(tài)。對SF6氣體密度、含水量等參數(shù)進行準確地在線監(jiān)測是保證電網(wǎng)SF6高壓設備安全運行的重要手段[2-4]。

國內(nèi)相關部門相繼制定了相關標準對SF6氣體質(zhì)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(xiàn)場檢測[5-8],這樣勢必造成檢測結(jié)果受表的質(zhì)量和環(huán)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(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)SF6氣體為絕緣的高壓設備的壓力、溫度變化,實時在線監(jiān)測SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)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(jiān)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(nèi)的微量泄漏率,取代以壓力表、密度繼電器的監(jiān)測方式,以達到監(jiān)測精度和真實可靠的監(jiān)測效果[10-12]。

1 設計方案

高壓斷路器SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)管理中繼裝置、監(jiān)測系統(tǒng)主機和數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)組成,如圖1所示。

圖1 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構

該系統(tǒng)每組開關的A相、B相、C相開關分別安裝1個監(jiān)測終端。監(jiān)測終端各種傳感器經(jīng)特殊設計的多通件采集SF6氣體參數(shù),每個監(jiān)測終端通過無線射頻組網(wǎng),與數(shù)據(jù)采集中繼裝置進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集中繼裝置將各監(jiān)測點數(shù)據(jù)通過無線射頻網(wǎng)絡傳送至遠方計算機管理系統(tǒng)。實時在線監(jiān)測SF6氣體的密度及含水量變化,監(jiān)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(jiān)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(nèi)的微量泄漏率。

2 硬件電路設計

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測終端

監(jiān)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(fā)電路組成。溫度傳感器轉(zhuǎn)換的數(shù)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(jīng)過信號處理經(jīng)AD進行轉(zhuǎn)換后送CPU進行數(shù)據(jù)處理,并將測得的數(shù)據(jù)通過無線射頻通訊方式傳送到數(shù)據(jù)采集中繼裝置?？傮w結(jié)構如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端結(jié)構框圖

2.1.1 監(jiān)測終端工藝設計

監(jiān)測終端為整體不銹鋼殼體,結(jié)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(fā)射天線

圖3 監(jiān)測終端工藝結(jié)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(jīng)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(jīng)AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為16位的數(shù)字量,微控制器讀取壓力、濕度數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量,微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)打包后,由RF收發(fā)器發(fā)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(chǎn)的I2C總線型數(shù)字溫度傳感器TMP112。將氣體的溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量,微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)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(jiān)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(diào)制器和解調(diào)器,發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)射時電流為85 mA,在接收模式時電流為15 mA,待機狀態(tài)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(fā)送模式,其工作模式切換通過配置寄存器07H實現(xiàn)。電路原理如圖6所示。

圖6 無線射頻電路

2.2 數(shù)據(jù)管理中繼裝置硬件設計

數(shù)據(jù)管理中繼裝置由MAGE64單片機、信號變換整理、JTT4432無線收發(fā)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(jiān)測點的數(shù)據(jù),微處理器對數(shù)據(jù)進行綜合處理后打成數(shù)據(jù)包,無線或總線方式傳送到遠方。每個數(shù)據(jù)管理中繼裝置可管理32個現(xiàn)場監(jiān)測終端,是整個監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和交換的關鍵。數(shù)據(jù)采集中繼器裝置的微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的新一代高性能、低功耗單片機ATmega64。采用先進的RISC結(jié)構,全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi)),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(jié)構框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理中繼裝置框圖

3 現(xiàn)場運行

監(jiān)測系統(tǒng)在某變電站500 kV開關進行整體調(diào)試并投入運行,多次現(xiàn)場測試,對遠方數(shù)據(jù)進行遙測,經(jīng)過比較分析,所有監(jiān)測數(shù)據(jù)準確無誤,數(shù)據(jù)傳輸流暢,各項指標達到了要求。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 語

結(jié)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(jiān)系統(tǒng),并應用于現(xiàn)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。

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(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(tǒng)自動化方面的技術管理等工作。

TM561

B

2095-6843(2016)06-0533-04