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SF6微水/密度在线式监测装置的研究
作者：郭云川
来源：《数字技术与应用》2010年第07期
[摘 要]文章简述SF6气体绝缘设备中水分的来源,气体泄露原因分析及现有检测方法的缺陷;提出了SF6气体密度计算方法和微水20℃修正方法,阐述了以高分子薄膜电容式露点传感器,压力传感器和温度传感器作为组成元件的新型在线监测微水/密度装置的结构原理和应用系统的构架,并指出其现实意义。
[关键词]密度 在线监测 SF6气体 微水含量
[中图分类号]TP872 [文献标识码]A [文章编号]1007-9416(2010)07-0100-01 引言
SF6气体作为一种重要的绝缘介质,因其良好的绝缘性能和灭弧性能得到了人们的认可。并被广泛应用于高压开关气体绝缘。在SF6 高压电器设备中,当SF6气体中的气相水含量达到一定程度时,在电弧或电晕作用下,SF6气体分解物会经水解反应产生毒性,对设备产生化学腐蚀,继而严重影响设备的正常运行和现场工作人员的身体健康。因此,对SF6气体中的微水含量及密度实行在线监测,以实现水分和气体密度的合理控制,对保证设备的安全稳定运行具有重要的作用。
1 目前的监测方法及存在的问题
目前国内电力行业的应用在微水监测方面基本上都是使用离线式方法,这种方法在一定程度上实现了微水检测的功能,但是也存在着一些不足,比如:非实时;受环境影响大;费时、费事、费气;成本高以及危害工作人员身体健康和大气污染,已经不符合环保节能等现代化趋势。
2 新型在线式微水监测装置的原理
由于一般情况下高压开关设备SF6中的水含量比较微量,这就对水份传感器提出了较高的精度要求。我们采用先进的高分子薄膜电容传感器,传感器拥有高精度,高灵敏,高稳定性等特点,当气体中的水分通过高分子薄膜时,介电常数发生变化,导致电容发生变化,信号处理单元把电容转变成电信号,系统数据处理器把电信号处理转变成数字信号。如图1所示。
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3 SF6微水在线式监测装置的硬件构成
该装置是机电一体化的产品,由机械气体采样室,连接器,传感器,和处理系统组成,电气结构框图如上图:(1)信号采集模块:主要采集的三个物理量由三种不同的传感器得到,分别是温度传感器,压力传感器和露点传感器。经过模拟量信号的转变,信号调理和A/D放大把信号提供给处理器。(2)信号处理模块:中央处理器采用ARM技术,对所采集的数据进行分析处理,错误数据滤除,以及数据远传通讯。(3)可选功能:可选LCD/LED显示,继电器输出报警功能。
4 SF6微水在线式监测装置软件设计
软件设计的重点在于解决气体压力修正计算及水份修正的算法问题。 (1)气体压力修正到20℃的方法:
利用现有在线测量的气压值和温度值,运用气体的状态参数方程,可以在在线嵌入式系统中计算出气体的密度值和修正到20℃时的气压值。根据拟合方法和拟合精度的不同,可以得到很多种不同方程次数、不同形式的关系式。目前最常见的SF6气体状态参数方程如下[8] 式中 P为压力,MPa;t为温度,K;ρ为密度,kg/m3;系数A、B分别为
现在行业内习惯于用20℃的气压来判断SF6高压电气设备是否气压越限。根据P和t,用上述方程计算出r,把r和t=293.2k(或20℃)代入式(1),很方便计算出20℃时的压力P20℃。 实践证明,用此种方法实现的密度仪能很好解决密度和20℃的气压测量问题。 (2)水份的计算及修正到20℃的方法:
可以通过露点传感器的露点值计算得到水汽分压Pw,在露点时候的水汽分压即为水汽的饱和分压Pws
计算公式中的Tn,m,A等参数根据不同的露点温度有不同的参数值,可以参看以下表1。 对同一密封完好的气室的测试表明,当环境温度高时,所测得的气体水份相应也较高;温度低时,气体水份相应也较低。造成这种现象的原因,主要是气体中的水分和吸附在固体材料(金属、绝缘材料、吸附剂等)表面的水分之间的吸附和蒸发平衡。温度低时,较多的水分吸附在固体材料表面,气相中的水分相对较少;温度升高时,更多的水分进入气相,使气体水份增大。
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5 在线监测系统的方案与实现
RS485通讯方式由于其布线的简单快捷,性能可靠,在线监测领域广泛应用。在监测设备上电后,采集到的数据即通过RS485总线进行传输到后台系统。对于使用的每一台仪表,都有一个单独的地址对应,与后台系统进行问答式的通讯,当后台系统发送问询指令后,相应地址的仪表就进行回答,把采集到的温度,压力,密度,PPM信号以二进制码的形式通过RS485传输,然后后台系统解码后获得数据,经过一轮轮询采集后,即可得到所有使用该新型装置的监测点的数据,就可以进行分析,存储,打印,数据WEB发布等一系列工作。该系统可以挂接128台甚至更多监测点,通过中继的信号放大,可以传输数千米远到达主控室内。通过网络信号的发布,可以使主控机成为台服务器,远端客户可以任意浏览现场状况。 6 结语
微水在线监测系统在GIS变电站成功实现和应用,将极大的方便设备的维护和检修,以及对顺应配网自动化,环保节能的历史潮流,必将为我国的电网安全运行,提高经济效益提供最有力的支持。