C-GIS充气柜SF_6气体状态综合在线监测装置设计

C-GIS充气柜SF_6气体状态综合在线监测装置设计

陈斌

江苏森源电气股份有限公司  江苏省苏州市  215312

摘要：我国经济正处于快速发展的重要时期，优质在线监测装置设计已经成为社会关注的重点内容。本文以GIS充气柜SF_6气体状态综合在线监测装置设计作为研究对象，简单进行SF6 气体状态参数分析，分析SF6气体状态在线监测单元的硬件构成，并从数据采集单元设计、下位机单元设计、上位机设计等维度，详细分析GIS充气柜SF_6气体状态综合在线监测装置设计，旨在为更多在线监测装置设计开发单位提供技术指导，助力我国电气领域的可持续发展。

关键词：充气柜；SF6气体；在线监测装置；设计

引言：

本发明采用SF6绝缘技术、密封技术和空气绝缘技术，采用SF6气体绝缘介质、固体绝缘材料和特种绝缘结构，将高压元件如断路器、隔离开关、接地开关、母线等以密封的金属箱作为密封容器，以达到绝缘水平：插入绝缘母线或气体绝缘母线，由接线接头完成进出线，既保证了高压电网的总体密封，又保证电力安全高效的输送。

1 SF6 气体状态参数分析

1.1基本物理化学参数

SF6气体与其它气体相同，存在着固态、气态和液态三种状态。在设计工作条件下，其为气体状态。一种装置中的气体的容积一般为固定的，一种装置中的气体状态可以用3种状态参数（P）、温度（T）和密度（y）来表示。

SF6气体的含水率是设备运行的一个重要指标，它可以反映出煤气的分解产物和设备的密封情况。SF6气体湿度与装置的绝缘等级有很大关系；湿度的改变可以反映出设备的密封性，密封不好。在煤气装置中，通常湿度会逐步升高；在电弧分解过程中，湿气会增加分解产物的数量，危害程度也会增大。因此，在相关的规范中有明确的要求，要定期进行 SF、湿度的测试，现有的方法仍是依靠离线的仪器进行，既要耗费人力、物力，又要进行湿度的在线监测。

1.2故障参数

除基本的物理化学参数外，它还具有故障检测功能，可通过对仪器的基本物理化学参数进行检测。由于SF6气体在装置中发生放电，分解产物会产生分解产物，从而产生分解产物。但是，分解物的反应敏感性很差，因为其在分解过程中的分解产物的含量相对较少，并且在分解过程中，分解物的扩散需要更多的时间。该设备暂不进行检测，而是通过对压力浓度的检测和检测，实现对设备的故障位置及报警。

2 SF6气体状态在线监测单元的硬件构成

(1)SF6气体在线监测装置的硬件电路主要包括三个部分，分别是：

1)信号处理模块：包含SF6气体温度、压力、湿度等模拟量信号的转换、信号调节、 A/D转换等功能。

2)主要控制部分： CPU、时钟、计时、断电、数据通讯等。

3)输出与显示部分：人机界面控制板及 LED数字管显示.

由于检测装置是在实际的变电站运行状态下运行，所以在电路设计时必须充分考虑设备的现场适应性，也就是说，该设备的 EMC抗干扰必须满足一级严格的标准，并且最好是 IV级的严格标准。

(2)传感器的选用及相关问题的解决。该元件的检测精度与可靠性是影响其检测精度与可靠性的重要因素。本装置采用温度、压力、湿度三个感应器，实现了系统的总体检测。密度值是由测量的压力、温度值来计算的。根据 SF6的特点，选择了不同的传感器：温度传感器采用成熟技术和高可靠性的铂电阻。目前，全球仅有少数公司能提供适用于SF6气体湿度测定的湿度传感器。但其体积大、成本高、测量范围资源浪费大，不利于大规模推广应用。而本方案中使用的是一种低成本的湿度传感器，可以很好地解决 OEM型传感器的密封问题。通过对SF6气体湿度的测量，通过对湿度测量权威机构的检测，该传感器完全符合有关标准和要求。

3对C-GIS充气柜SF6气体状态实施在线监测的必要性

SF6气体在绝缘和灭弧方面表现出优异的性能，近十年来，SF6在高压电器领域的应用已取得了令人瞩目的进步。但是，SF6气体的变化会对 GIS设备的安全使用产生很大的影响，因此，对SF6进行严格的质量监控和安全管理，对于保障装置的正常使用和人员的健康起着至关重要的作用。SF6气体状态的改变导致的绝缘性和灭弧性的降低，其原因有如下。

3.1 SF6气体泄漏

SF6是一种无色、无味、无嗅、无毒、无腐蚀性的纯SF6气体，常温常压下，其化学性质十分稳定。然而，SF9在 GIS设备中的泄漏也会造成很大的危险。其具体表现为： GIS绝缘抗压强度下降、绝缘失效；GIS气体室内湿度增大；SF。通过电弧放电产生的气体泄漏、温室效应等。

3.2 SF6温度过高

由于 GIS装置长期运行，其内部的电气触头会产生较差的接触面，导致其触点的电阻增加，在经过负荷时会产生热，导致 SF的产生。气体正在升温。此外，外部环境的变化对SF6的温度也有一定的作用。

SF6气体的升温将使 SF、 SF的绝缘特性下降，甚至出现电弧击穿，从而导致电力系统的短路，从而导致巨大的经济效益。此外，在 GIS中，SF6气体的温度也会对室内的湿度有一定的作用。

由于SF6气体的变化所造成的危害，为了防止上述风险， NGIS公司制订了专门的技术规范，对 SF6气体等 GIS装置进行了常规的预防试验。随着电力设备运行状况的日益成熟，为了取代常规的预防性试验，开发一种能够实时监测 SF和燃气的实时在线测量仪器[1]。

4在线监测装置的具体设计

4.1 C-GIS充气柜SF6气体状态在线监测装置的功能和原理

本论文所研制的C-GIS气柜SF6气态在线监测系统，能够实时监控和预报SF6气体的状况，其中SF6的检测项目为 SF6气体温度，微水含量，气体泄漏。监控数据和信息由上位机设计，在上位机上以友好的人机界面进行显示，显示的内容有 SF。另外，该设备还具备监控数据的储存、查询等功能。其基本原理是：将温度传感器、湿度传感器、气压传感器集成在C-GIS气室中，并将 SF6、 VCO、 SF等数据进行集成，并将传感器的检测信号作为电压信号输出。然后将其经屏蔽线路传送到下位机，经 AD变换后，将其转化为 ASCII编码。下位机采用Atmega16高性能、低功耗8位 AVR微处理器作为主控系统。在下位机完成数据转换后，按照下位机和下位机的通讯协定，进行数据交换。该系统采用串行方式，将三个 SF、温度、湿度、压力信号的 ASCII码通过RS485线路传送到计算机，并利用计算机的强大计算功能，对SF6气体的状态信息进行最后的处理。

4.2数据采集单元设计

本装置将温度、湿度、气压等传感器集成、封装在C-GIS的气室中，以获取 SF6气体的状态。该传感器的输出信号与 YII电连接器的电极相连接，并通过 YII电连接器输出该信号。由于C-GIS具有结构紧凑、体积较小的特点，因此一组数据可以很好地反映整个 C-GIS的 SF6气体状况，从而大大简化了系统的结构。

4.3下位机单元设计

下位机主要包括三个部分：主控、显示、通讯。主控系统采用Atmega16高性能8比特 AVR芯片作为其核心。Atmegal6具有16 K字节的可编程 Flash (RWW), EEPROM 512字节， IK字节 SRAM,32个通用I0端口，32个通用I0端口，32个通用工作寄存器。选择OCM12864液位显示模块。OCM12864 LCD模块为128X64点阵型的 LCD，能显示多种文字和图像，并能直接与 CPU进行连接，并具备8个数据总线、6个控制线和电源线路。通讯模块采用RS-485标准接口，作为下位机和主机之间的通讯，并将经过主机的数据进行串口传送。通讯采用半双工模式，讯息每隔30秒传送一次[2]。

4.4上位机设计

上位机的功能主要是由软件来完成，该设备采用了 LabVIEW的虚拟仪器软件。LabVIEW是一款专用的测量控制软件，它能大大减少开发周期，而且开发出来的程序接口也很漂亮，易于修改和扩展。此外，本系统还能实时监控SF6气体压力、温度和含水率（换算成20 ℃)，并与使用者自己设置的阈值进行对比，当超过规定值时，可以显示红色警告，并以数字或曲线形式显示：同时，利用 LABSQL模块实现监控数据与 Access数据库的接口，可以将监控数据以标准格式保存在 Access表中，便于历史地查询监控数据。

结束语

本系统采用C-GIS充气柜，实现了 SF6气体状态的实时监控，并能根据现场的工作状况，给出不同的报警信号。根据实际情况，自动设定报警门限，满足各种工况要求。该设备能够根据实际需求单独运行或与变电站的集成自动化系统进行连接。另外，若针对不同电压等级 GIS的特性及监控内容，对设备的软硬件进行改进，则可在各个电压级别的 GIS变电站中推广使用。

参考文献：

[1]童伟,王晓霏. C-GIS充气柜SF6气体状态综合在线监测装置设计[J]. 硅谷,2013(15):33-34,32.

[2]张梦柯,田红超,刘永豪. C—GIS充气柜SF6气体状态综合在线监测装置设计[J]. 百科论坛电子杂志,2021(5):1770.