開關室是電廠、變電站等設備集中的地方,尤其是裝有SF6設備的開關室,平時因為通風不良可能會缺氧或因設備中SF6氣體泄漏而污染室內環境,使進入開關室進行巡視、檢修的工作人員的健康甚至生命受到嚴重威脅,給電力安全運行帶來隱患。因此,國內《電業安全工作規程》特別規定,在相關場所安裝氧氣和SF6檢測報警裝置,并安裝必要的通風換氣裝置。同時,從環保的角度來考慮,在電廠、變電站、高壓開關廠等相關場所也有必要安裝SF6檢測報警裝置。因此,設計一套集SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度等參數為一體,同時具備自動控制現場排風扇進行排風功能的SF6環境監測系統是十分必要的。

1系統組成及功能

1.1幾種SF6氣體濃度檢測方法的比較

空氣中微量的SF6氣體濃度的檢測是比較困難的,以前所采用的方法主要有:紅外吸收法、放射源型電子捕獲檢定器法、電火花電離法及半導體傳感器等方法。紅外吸收法和放射源型電子捕獲檢定器法反應速度快、靈敏度較高,但價格昂貴,設備體積大;電火花電離法是放射源型電子捕獲檢定器法的簡易型,即利用高頻電壓放電火花的方法取代放射源,而形成一個了離子流(基流),而此基流在接觸到SF6等強電負性的物資時會使其基流下降,從而檢測出SF6氣體的濃度。此種方法靈敏度高、非線性,容易受空氣中其他物質(如水分)及溫度的影響,尤其是放電電極的熔蝕現象,使其產生的基流極不穩定。因此,此方法常用于便攜式鹵族元素及其化合物的檢漏使用,半導體傳感器的方法靈敏度較低,溫度、濕度等環境的影響非常大,穩定性差,因此應用較少。上述的幾種方法都是物理方法,并且這幾種方法都有一定的缺點,所以上述幾種方法都沒有被廣泛應用。

近幾年發展起來的電化學傳感器檢測技術逐漸成熟,并且由于電化學傳感器具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性好、使用壽命長、價格低等優點,使其在氣體檢測方面得到了廣泛的應用。但是,由于SF6氣體的分子結構極其穩定,無法使用電化學傳感器直接對其進行測量,因此,系統采用熱裂解-電化學復合檢測技術。由儀器內置的吸氣泵使SF6氣體吸入儀器并通過熱裂解器使其發生裂解反應,其分解產物與空氣中的氧氣、水等化合后生成二次產物,利用電化學傳感器檢測其二次反應的生成物就可以達到間接測量SF6氣體的目的。SF6濃度的檢測就是采用電化學傳感器進行設計的。

1.2系統組成

系統由監控主機、多功能控制器、SF6氣體采集器、SF6濃度電化學傳感器、氧氣探測器、溫度變送器、濕度變送器、紅外傳感器等組成。

1.3系統功能

監控主機主要完成數據采集、數據顯示、報警數據存儲、發送控制指令、報警指示、數據上傳、軟硬復位等功能,配備TFT64位真彩LCD液晶顯示屏、鍵盤操作面板、RS485總線接口,具有靈活的人機交流功能。

多功能控制器控制SF6采集器中的氣泵及電磁閥,分時將各個通道的SF6氣體從現場抽到SF6采集器的氣室內,再由SF6濃度電化學傳感器的內置泵從氣室內吸入SF6氣體,采用熱裂解-電化學復合檢測技術對采集到的SF6氣體濃度進行分析,并將結果轉換為4～20mA的標準信號送到多功能控制器,多功能控制器通過RS485總線,將測量結果送到監控主機進行顯示、報警、存儲。

由于氧氣傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器已經采用了RS485總線的通訊方式,因此配電室環境中的氧氣含量、溫度信號、濕度信號通過RS485總線直接與監控主機連接,監控主機將對接收到的信號進行分析判斷、顯示、報警、存儲。

2工作原理

2.1監控主機的工作原理

監控主機是系統中一個重要組成部分,采用嵌入式操作系統,大屏幕LCD液晶顯示屏,鍵盤操作面板,圖形界面友好,其控制流程如圖2所示。

監控主機依次與多功能控制器、氧氣探測器、溫度變送器、濕度變送器進行通訊,讀取各個通道SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度的數值,當監控主機檢測到配電室中某通道SF6氣體的濃度超過10-3時,或者氧氣的含量低于18%時,系統將自動啟動排風扇進行排風,并發出SF6氣體濃度超標或氧氣含量過低的聲響報警,將SF6氣體濃度數值、氧氣含量數值、通道位置等報警信息通過RS485總線或網絡傳輸的方式,傳送到有關負責人及維修人員的辦公室,提示工作人員進行及時的維修,避免產生重大的生產事故,同時提示進入配電室工作的工作人員作好防護措施。

同時,為了保持SF6配電室中的空氣暢通,還專門設計了定時自動啟動排風扇的功能,即工作人員可以根據需要,自行設定幾個時間點,當設定的時間到時,系統將自動啟動排風扇排風,并且每次排風的時間也可以根據需要設定。為了*大程度地保護工作人員的身體健康,還設定了手動開啟和停止排風扇的手動開關,工作人員可以根據需要隨時開啟和停止排風扇。另外,系統采用紅外傳感器,無論什么時間,只要有工作人員進入SF6配電室,紅外傳感器都能夠感知到,并且自動啟動排風扇進行排風,保護進入現場的工作人員生命安全。

2.2多功能控制器的工作原理

2.2.1多功能控制器的硬件設計

多功能控制器是系統中另一個重要的組成部分,采用P89V51RD2單片機作為檢測、控制的核心,采用AD7705模數轉換器進行數據采集,采用繼電器、電磁閥控制采集通道的切換,采用485總線方式進行通訊。其硬件結構框圖如圖3所示。

2.2.2多功能控制器的軟件設計

多功能控制器循環檢測SF6的濃度,進行A/D轉換,將數值轉換為數字量,保存在P89V51RD2單片機的RAM中,并且P89V51RD2單片機的串行口工作在中斷的工作方式下,采用MAX485芯片與監控主機進行485通訊。當監控主機向其發送讀取數據的命令時,多功能控制器就將SF6濃度的數值、通道的信息、報警信息發送到監控主機;當設定的通道采集時間到時,多功能控制器通過控制繼電器、電磁閥、吸氣泵等設備,完成通道的切換和SF6氣體的采集。

3安科瑞配電室環境監控系統

3.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子系統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

3.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1實時監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，實時顯示有關故障、告警等信息。

3.4.2數據查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數據。

3.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

3.4.4運行報表

查詢配電室內設備的運行數據報表。

3.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。

3.4.6歷史事件查詢

能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。 

3.4.7用戶權限管理

設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

3.4.8網絡拓撲圖

支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

3.4.9遙控功能

可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

3.5系統硬件配置

4結束語

實現高壓開關配電室環境中SF6氣體的監測,對電力行業、高壓開關生產廠家的安全生產,保障現場工作人員的身體健康,都有著重要的意義。隨著國內工業的不斷發展,電力的需求也必將迅速增加,必然會新建更多的電廠、變電站,高壓開關配電室SF6環境監測系統必然有廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1]陳家斌.SF6斷路器實用技術.北京:中國水利水電出版社,2004.

[2]孔祥飛.SF6氣體在線檢測裝置的設計.西安:第九屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集,2005:466-469.

[3]求是科技.單片機典型模塊設計實例導航.北京:清華大學出版社,2004.

[4]朱善君,孫新亞,吉吟東.單片機接口技術與應用.北京:清華大學出版社,2005:217-224.

[5]馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機的C語言應用程序設計.北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[6]徐愛鈞,彭秀華.單片機高級語言C51Windows環境編程與應用.北京:電子工業出版社,2001.

[7]何方，呂成軍.高壓開關配電室SF6環境監測系統的設計[J].

[8]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

開關室是電廠、變電站等設備集中的地方,尤其是裝有SF6設備的開關室,平時因為通風不良可能會缺氧或因設備中SF6氣體泄漏而污染室內環境,使進入開關室進行巡視、檢修的工作人員的健康甚至生命受到嚴重威脅,給電力安全運行帶來隱患。因此,國內《電業安全工作規程》特別規定,在相關場所安裝氧氣和SF6檢測報警裝置,并安裝必要的通風換氣裝置。同時,從環保的角度來考慮,在電廠、變電站、高壓開關廠等相關場所也有必要安裝SF6檢測報警裝置。因此,設計一套集SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度等參數為一體,同時具備自動控制現場排風扇進行排風功能的SF6環境監測系統是十分必要的。

1系統組成及功能

1.1幾種SF6氣體濃度檢測方法的比較

空氣中微量的SF6氣體濃度的檢測是比較困難的,以前所采用的方法主要有:紅外吸收法、放射源型電子捕獲檢定器法、電火花電離法及半導體傳感器等方法。紅外吸收法和放射源型電子捕獲檢定器法反應速度快、靈敏度較高,但價格昂貴,設備體積大;電火花電離法是放射源型電子捕獲檢定器法的簡易型,即利用高頻電壓放電火花的方法取代放射源,而形成一個了離子流(基流),而此基流在接觸到SF6等強電負性的物資時會使其基流下降,從而檢測出SF6氣體的濃度。此種方法靈敏度高、非線性,容易受空氣中其他物質(如水分)及溫度的影響,尤其是放電電極的熔蝕現象,使其產生的基流極不穩定。因此,此方法常用于便攜式鹵族元素及其化合物的檢漏使用,半導體傳感器的方法靈敏度較低,溫度、濕度等環境的影響非常大,穩定性差,因此應用較少。上述的幾種方法都是物理方法,并且這幾種方法都有一定的缺點,所以上述幾種方法都沒有被廣泛應用。

近幾年發展起來的電化學傳感器檢測技術逐漸成熟,并且由于電化學傳感器具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性好、使用壽命長、價格低等優點,使其在氣體檢測方面得到了廣泛的應用。但是,由于SF6氣體的分子結構極其穩定,無法使用電化學傳感器直接對其進行測量,因此,系統采用熱裂解-電化學復合檢測技術。由儀器內置的吸氣泵使SF6氣體吸入儀器并通過熱裂解器使其發生裂解反應,其分解產物與空氣中的氧氣、水等化合后生成二次產物,利用電化學傳感器檢測其二次反應的生成物就可以達到間接測量SF6氣體的目的。SF6濃度的檢測就是采用電化學傳感器進行設計的。

1.2系統組成

系統由監控主機、多功能控制器、SF6氣體采集器、SF6濃度電化學傳感器、氧氣探測器、溫度變送器、濕度變送器、紅外傳感器等組成。

1.3系統功能

監控主機主要完成數據采集、數據顯示、報警數據存儲、發送控制指令、報警指示、數據上傳、軟硬復位等功能,配備TFT64位真彩LCD液晶顯示屏、鍵盤操作面板、RS485總線接口,具有靈活的人機交流功能。

多功能控制器控制SF6采集器中的氣泵及電磁閥,分時將各個通道的SF6氣體從現場抽到SF6采集器的氣室內,再由SF6濃度電化學傳感器的內置泵從氣室內吸入SF6氣體,采用熱裂解-電化學復合檢測技術對采集到的SF6氣體濃度進行分析,并將結果轉換為4～20mA的標準信號送到多功能控制器,多功能控制器通過RS485總線,將測量結果送到監控主機進行顯示、報警、存儲。

由于氧氣傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器已經采用了RS485總線的通訊方式,因此配電室環境中的氧氣含量、溫度信號、濕度信號通過RS485總線直接與監控主機連接,監控主機將對接收到的信號進行分析判斷、顯示、報警、存儲。

2工作原理

2.1監控主機的工作原理

監控主機是系統中一個重要組成部分,采用嵌入式操作系統,大屏幕LCD液晶顯示屏,鍵盤操作面板,圖形界面友好,其控制流程如圖2所示。

監控主機依次與多功能控制器、氧氣探測器、溫度變送器、濕度變送器進行通訊,讀取各個通道SF6濃度、氧氣含量、溫度、濕度的數值,當監控主機檢測到配電室中某通道SF6氣體的濃度超過10-3時,或者氧氣的含量低于18%時,系統將自動啟動排風扇進行排風,并發出SF6氣體濃度超標或氧氣含量過低的聲響報警,將SF6氣體濃度數值、氧氣含量數值、通道位置等報警信息通過RS485總線或網絡傳輸的方式,傳送到有關負責人及維修人員的辦公室,提示工作人員進行及時的維修,避免產生重大的生產事故,同時提示進入配電室工作的工作人員作好防護措施。

同時,為了保持SF6配電室中的空氣暢通,還專門設計了定時自動啟動排風扇的功能,即工作人員可以根據需要,自行設定幾個時間點,當設定的時間到時,系統將自動啟動排風扇排風,并且每次排風的時間也可以根據需要設定。為了*大程度地保護工作人員的身體健康,還設定了手動開啟和停止排風扇的手動開關,工作人員可以根據需要隨時開啟和停止排風扇。另外,系統采用紅外傳感器,無論什么時間,只要有工作人員進入SF6配電室,紅外傳感器都能夠感知到,并且自動啟動排風扇進行排風,保護進入現場的工作人員生命安全。

2.2多功能控制器的工作原理

2.2.1多功能控制器的硬件設計

多功能控制器是系統中另一個重要的組成部分,采用P89V51RD2單片機作為檢測、控制的核心,采用AD7705模數轉換器進行數據采集,采用繼電器、電磁閥控制采集通道的切換,采用485總線方式進行通訊。其硬件結構框圖如圖3所示。

2.2.2多功能控制器的軟件設計

多功能控制器循環檢測SF6的濃度,進行A/D轉換,將數值轉換為數字量,保存在P89V51RD2單片機的RAM中,并且P89V51RD2單片機的串行口工作在中斷的工作方式下,采用MAX485芯片與監控主機進行485通訊。當監控主機向其發送讀取數據的命令時,多功能控制器就將SF6濃度的數值、通道的信息、報警信息發送到監控主機;當設定的通道采集時間到時,多功能控制器通過控制繼電器、電磁閥、吸氣泵等設備,完成通道的切換和SF6氣體的采集。

3安科瑞配電室環境監控系統

3.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子系統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

3.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

3.3系統結構

3.4系統功能

3.4.1實時監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，實時顯示有關故障、告警等信息。

3.4.2數據查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數據。

3.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

3.4.4運行報表

查詢配電室內設備的運行數據報表。

3.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。

3.4.6歷史事件查詢

能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。 

3.4.7用戶權限管理

設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

3.4.8網絡拓撲圖

支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

3.4.9遙控功能

可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

3.5系統硬件配置

4結束語

實現高壓開關配電室環境中SF6氣體的監測,對電力行業、高壓開關生產廠家的安全生產,保障現場工作人員的身體健康,都有著重要的意義。隨著國內工業的不斷發展,電力的需求也必將迅速增加,必然會新建更多的電廠、變電站,高壓開關配電室SF6環境監測系統必然有廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1]陳家斌.SF6斷路器實用技術.北京:中國水利水電出版社,2004.

[2]孔祥飛.SF6氣體在線檢測裝置的設計.西安:第九屆全國敏感元件與傳感器學術會議論文集,2005:466-469.

[3]求是科技.單片機典型模塊設計實例導航.北京:清華大學出版社,2004.

[4]朱善君,孫新亞,吉吟東.單片機接口技術與應用.北京:清華大學出版社,2005:217-224.

[5]馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機的C語言應用程序設計.北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[6]徐愛鈞,彭秀華.單片機高級語言C51Windows環境編程與應用.北京:電子工業出版社,2001.

[7]何方，呂成軍.高壓開關配電室SF6環境監測系統的設計[J].

[8]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.