毕业设计（论文）-高压开关设备中sf6气体密度监控系统的设计

毕业设计题目高压开关设备中SF6气体密度监控系统的设计学院电气信息学院专业电气工程及其自动化班级1203学号学生姓名导师姓名完成日期诚信声明本人声明1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名日期年月日湖南工程学院毕业设计论文毕业设计（论文）任务书题目高压开关设备中SF6气体密度监控系统的设计姓名湛若水学院电气信息学院专业电气工程班级1203学号201201010323指导老师职称讲师教研室主任一、基本任务及要求主要设计内容包括（1）了解电力设备状态监测的研究现状以及SF6气体在线监测技术的发展及在线监测装置的开发状况（2）研究SF6气体参数的监测方法。主要研究P,T,H三个参数的获取方式。并推导了密度的计算公式；（3）SF6气体在线监测仪的硬件系统。设计硬件方案；后具体到各个电路分别介绍，例如处理器的选择、信号的调制、A/D转换等；最后介绍了传感器的选择；（4）SF6气体在线监测仪的软件设计。对软件设计中分下位机、上位机、WEB方式分别设计。上位机软件在编写过程中要体现模块化的思想。二、进度安排及完成时间1、收集资料，分析研究资料20163120163102、开题报告，论文提纲201631120163183毕业设计调研活动及其设计初级阶段201631920164104毕业设计中期实施阶段201641120164165毕业设计完善及其定稿阶段201641720164256毕业答辩准备阶段20164252016510湖南工程学院毕业设计论文目录摘要ABSTRACT第1章绪论111高压开关设备中六氟化硫气体密度监控的意义112高压开关设备中六氟化硫的气体密度监控的研究现状和发展趋势313主要研究内容5第2章SF6气体监测原理分析621P参数的监测原理6211传统压力监测6212在线检测P参数722H参数的监测原理7221SF6气体中水分的来源、危害及监管的必要性7222传统微水含量监测8223体积分数值PPMV（L/L）及其影响因素11224露点仪所测值不等于设备温度降到该露点时的设备内气体含水量值14225在线监测相对湿度概念的提出1423密度参数的监测原理15231密度在线监测的基本原理15232密度在线监测的数学基础16233算法推导分析16湖南工程学院毕业设计论文第3章SF6气体在线监测装置硬件系统设计1931SF6气体在线监测系统总体硬件结构1932在线监测系统硬件设计方案20321处理器的选择20322输入信号的调理20323多路转换电路21324A/D转换电路22325硬件看门狗电路23326通信接口电路24327液晶显示接口电路24第4章SF6气体在线检测装置软件系统设计2641在线监测系统软件主要算法26411湿度计算算法26412压力温度的测量2742在线监测系统下位机软件方案28湖南工程学院毕业设计论文43在线监测系统上层机就地管理软件设计28结束语31致谢32XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）I摘要随着社会经济的高速发展和科学技术的快速进步，整个电力系统对高质量高保障的能源供应有了越来越高的要求，逐步实现电力系统的配电智能化以及自动化，从而提高电力系统的供电安全性与可靠性，其经济效益与社会效益都是巨大的。本文的任务是对高压配电开关、高压配电设备中的绝缘和灭弧介质SF6气体的密度实施在线监测，提前找出泄漏源杜绝危险，从而达到电力系统运行安全、人员安全和经济保障的目的。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）IIABSTRACTWITHTHEFASTDEVELOPMENTOFSCIENCE,TECHNOLOGYANDSOCIALECONOMY,THEREQUIREMENTTOTHEELECTRICENERGYWITHHIGHERQUALITYANDRELIABILITYINTHEPOWERSYSTEMSBECOMEMOREANDMOREURGENTITISEVIDENTANDESSENTIALTOREALIZETHEAUTOMATEDANDSMARTDISTRIBUTIONINTHEPOWERSYSTEMSTEPBYSTEPRAISINGTHERELIABILITYOFTHEWHOLEDISTRIBUTIONSYSTEMINTHEPOWERSUPPLYHAVEAGREATSOCIALANDECONOMICBENEFITSOBVIOUSLYTHEPAPERDEALSWITHHOWTOMONITORTHEDENSITYOFSF6GASONLINE,AKINDOFINSULATIONANDACEKILLINGMEDIUMTHATISUSEDINTHEHIGHTENSIONDISTRIBUTIONSWITCHES,HIGHTENSIONDISTRIBUTIONEQUIPMENTHIGHPOWERTRANSMITTERSANDHIGHTENSIONCABLES,INORDERTOACHIEVESAFEROPERATIONANDMOREECONOMICUSEOFPOWERSYSTEMKEYWORDSXXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）1第1章绪论11高压开关设备中六氟化硫的气体密度监控的意义随着社会经济的发展,电能的需求量日益增加,从而加速了大型火电站、水电站和核电站的发展和建设。由于一次能源的地理位置的限制以及环境保护的需要,这些大型电站的建设往往远离负荷中心,因而促使了电力系统向大容量、远距离、超高压方向的发展。1952年,瑞典建成第一条400KV输电线路之后,500KV、750KV以及1000KV以上的输电线路陆续建成并投入运行。超高压输电系统的迅速发展是以高压电气设备的不断发展和更新为基础的,而高压电气设备的发展又是以新型绝缘介质和灭弧介质的发现及应用为前提。近三十年来,在使用最为广泛的三大电介质中,SF6气体的应用得到了空前的发展。六氟化硫SF6气体是由法国两位化学家MIOSSAN和LEBEAU于1900年合成的。工业上首次将SF6用于开断电流始于1953年,当时只做出了15161KV高压负荷开关,开断电流600A。美国开创了将SF6气体用于高压断路器的先河1956年,美国西屋公司首先开发出115KV1000MVA5KVSF6断路器。1965年,第一台SF6气体全封闭组合电器问世,使高压电器发生了质的飞跃。国产第一台110KVSF6气体全封闭组合电器也于1973年投运。目前,各种SF6气体绝缘设备的技术参数己达到了很高的水平。在中压领域,SF6开关同真空开关已成为并驾齐驱的两大支柱在高压、超高压及特高压领域,SF6气体几乎成为断路器和GIS的唯一绝缘和灭弧介质。SF6气体用途广泛,但其绝大部分却是用于高中压开关设备,乃至整个输配电设备,这主要是因为SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能。SF6气体无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧,属惰性气体。在常温、常压和较高温度下,化学性质稳定。在低于180情况下不与制造高压电器的任何材料发生反应本身的气体分解温度为500,高于电器设备的最高允许温度150,而气态稳定。SF6气体无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧,属惰性气体。在常温、常压和较高温度下,化学性质较稳定。SF6气体分子量较大,为146,是氮气分子量的52倍它的密度在20,气压在101325PA下是616KG/M3,为空气的51倍同体积、同压力的SF6气体比空气重。SF6气体的击穿过程与空气相似,所不同的是SF6气体中的氟是卤族元素,易于吸收自由电子形成负离子同时释放电子的亲合能,具有很强的电负性。与自由电子相比,负离子重量大,平均自由行程短,在两次碰撞之间的自由行程中获得的动能和漂移的速度小另一方面它和分子发生弹性碰撞又容易损失原来积累起来的能量。因此,负离XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）2子要积累足够的能量并导致气体进一步碰撞电离的可能性很小。其次,SF6气体分子的半径比空气中的氧气和氮气分子的大,使得自由电子在SF6气体中的平均自由行程缩短能量不易积累从而减弱碰撞电离能力。在SF6气体中,正是由于电子的净碰撞电离系数很小,迁移率低的负离子又极易与正离子结合为中性分子,因此SF6气体的绝缘强度很高。由于SF6气体具有以上优良的绝缘、灭弧性能以及SF6气体在绝缘组合电器中所体现出的优越性,近30年间SF6气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的进展。上面描述的绝缘、灭弧性能都是针对纯净的SF6气体,但是在很多情况下,现场电气设备中的SF6气体并非总是纯净的,其性能也就不能等同于纯净气体。SF6气体在其生产过程中或者在高能因子的作用下,会分解产生有毒甚至剧毒、强腐蚀性有害杂质,当体系中存在水分、空气、电极材料、设备材料等,会导致分解过程的复杂化,致使分解产物的数量和种类明显增加,其危害也显著加大。因而对SF6气体实施严格的质量监督与安全管理是确保设备可靠运行和人身健康安全的重要保证。SF6全球的年产量大约在8000千万吨左右，其中有近半用于电力工业，而在电力工业中，高压开关设备又占有极大的比重约为80左右。SF6气体被列为温室效应气体，这也引起了国际电工委员会的极大关注，国际电工委员会在1995年技术报告IEC1634C199504中就提到了SF6气体对温室效应的影响问题。在高中压开关设备中，高压开关的用气量最大，而其中GIS的用气量又是最大的。因此，在装有SF6开关的设备中，很有可能因为因为通风系统不好气体浓度过高或者气体泄漏造成含氧量不足，从而导致进入室内工作的工作人员中毒，甚至可能危及生命，这对电力系统的运行安全与维护造成了极大的隐患。根据中国电力科学院的统计表明，从1990年到1997年，国内的高压开关设备共发生故障约1500次，从1997年到2004年故障则上升为2400于次。而其中最大比重的故障原因是SF6气体的泄漏，该气体的泄漏上面以说明将会严重威胁工作人员的生命安全和电力系统的正常运行。因此对SF6气体密度在高压设备中的监测显得及其重要。在线监测其实就是利用高端的传感技术对运行中的SF6断路器的气体密度进行不间断的监测，并自行分析与统计后，对其运行状态做出预判，并能在必要时候予以报警或诊断。这样一来，既可以避免安全事故的进一步扩大，威胁人员安全，又能够保障电力系统安全运行，节省经济的损耗。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）312高压开关设备中六氟化硫的气体密度监控的研究现状和发展趋势国外对SF6气体检测研究工作要早一点，使用仪器仪表的自动化，智能化技术都要领先国内不少，其主要采用红外光谱和激光成像等技术来检测SF6气体的密度、湿度等等。红外光谱法又称红外分光光度分析法，是分子吸收光谱的一种，根据不同物质会有选择性的吸收红外光区的电磁辐射来进行结构分析，对各种吸收红外光成分的定量和定性的分析方法。红外光谱法利用SF6对红外有较强的吸收，采用热成像实现定性测量，主要应用于示踪和医疗领域。红外线成像技术原里，用红外先对测试区域发出激光，然后根据反射和漫射回摄像机的光有无SF6气体泄漏不同情况下形成的不同图像来进行判别，光谱上对比度较大的地方，就是气体泄漏严重的地方，该方法的有点是检测灵敏度较高，受到外界环境的干扰较小,但是由于价格偏高，而且存在一定的售后不足。再次，由于国内环境与国外环境不太一样，对气体的检测自然存在一定偏差，所以并不是特别适合于国内的气体检测。国内的SF6气体检测与研究技术起步较晚，并且目前仍然处于发展阶段，早期多是引进国外的设备和技术，尤其是引进的激光成像设备检测SF6气体泄漏，使用的情况比较好，但是由于环境因素等问题，使用代价比较昂贵，这成为了最大的阻力，所以国产化设备的研发成为了必由之路，今年来我国在这方面的研究也有了重大的突破，如超声波检测技术、气体密度在线数字式监测装置和高压负电晕放电检测技术高压负电晕放电检测技术、色的检测技术、光电检测技术等多项技术和产品。我国虽然在SF6检测技术研究中落后于国外，而且处于起步的初级阶段，但是近年来，我国在这方面也有了可观的研究成果12001年3月由南京供电公司的技术人员王春宁等人研发了SF6气体密度在线数字式监测装置而且现在已经产品化，相比较而言在抗干扰性和可靠性等反面比早期的机械式密度继电器的方法有了很大程度的提升。（2）2005年河海大学朱昌平教授的应用CPLD和超声波技术，实时监控的SF6微量气体浓度检测仪的研制。所谓超声波检测技术，既利用超声波在不同摩尔质量的气体中有不同的传输速度，对高压开关设备中泄漏的SF6气体进行检测。超声波波长短，频率高，在一定的距离内沿直线传播而且有良好的方向性和束射性，而且可以定向发射，而且其在不同的介质中的传输速度也有一定差别，这取决于介质的性质状态等等。为了使超声波传输的速度仅与介质的气体摩尔质量相关，我们可以采用差分法等方法来消除温度和外界的影响。SF6气体的摩尔质量约为空气的5倍，所以只要空气中的XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）4SF6气体含量发生变化，就会导致空气的摩尔质量发生变化，从而会导致超声波在其中的传输速度发生变化，我们便可以通过超声波的传输速度来判断空气中的SF6气体的含量，并通过数据分析等方法来计算出空气中SF6气体的浓度，从而达到我们预期的目的。该方法技术比较成熟，不易受外界环境的干扰，并且精确度较高，但是价格相对昂贵，国外的普及率较高，国内却不太试用。（3）高压负电晕放电检测是利用SF气体高度绝缘的特性。前面已经提及，SF6气体有很高的绝缘特性，因此当两个高压电极放电随着时间变化而变化时，我们可以认为是因为空气中SF6气体浓度不同导致的，根据检测这两个高压电极之间的放电电流的不同值从而最终分析出空气中的SF6气体浓度。高压负电晕放电检测技术是目前国内最为主流的技术，也是很多高压设备SF6气体检测所应用的技术，用该的技术设计的SF6气体泄漏监测设备大都性能可靠，结构比较简单，并且成本相对与上面提及的超声波检测技术大大降低，只是传感器的寿命不长，而且精确率不如超声波技术。基于以上的研究，可以看出实时在线检测SF6气体的技术在国内还相对不太成熟，仍处于初级探索阶段，特别是在传感器寿命，灵敏度和精确率方面还存在着较大的缺陷。而各种监测系统则存在监测功能不够完善，成本价格高，系统性和综合性稍差等缺陷。随着我国经济的快速发展和科学的进一步深化研究，对电力的需求也随之增高，生产的电力设备也会急剧增加，按照我国的相关规定，SF6气体的检测是电力开关室必备的，因此也有相关专家预测，2010年，363SSOKVGIS气体绝缘全封闭组合电器将占断路器的45，126252KVGIS将占断路器的35，这些显著增加的GIS设备的需求也将为其必备的SF6检测装置的发展提供了前所未有的发展前景。因此，SF6气体检测装置的未来是非常好的，这类相关的产品也将会带来很大的经济效益和社会效益。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）513主要研究内容本文主要是针对高压开关设备中SF6的气体浓度检测，及时检测及报警，避免造成严重的电力事故和人员伤亡，主要的内容是（1）了解电力设备状态监测的研究现状以及SF6气体在线监测技术的发展及在线监测装置的开发状况（2）研究SF6气体参数的监测方法。主要研究P,T,H三个参数的获取方式。并推导了密度的计算公式；（3）SF6气体在线监测仪的硬件系统。设计硬件方案；后具体到各个电路分别介绍，例如处理器的选择、信号的调制、A/D转换等；最后介绍了传感器的选择；（4）SF6气体在线监测仪的软件设计。对软件设计中分下位机、上位机、WEB方式分别设计。上位机软件在编写过程中要体现模块化的思想。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）6第2章SF6气体监测原理分析21P参数的监测原理211传统压力监测压力表监测用监测气体压力的方法来监测气体是否泄漏显然是一种很粗略的方法，只有在测量温度变化不是很大，泄漏明显的情况下起作用。因为SF6气体压力随温度变化是很明显的。例如如果100C时气体压力为065MPA，在没有泄漏的情况下，在400C时，其压力变为081MPA，如此大的压力变化范围使我们很难通过气体压力的变化来判断气体是否存在泄漏。引入SF6状态参数曲线可以改进用压力表直接测量气体压力判断是否漏气的缺陷。利用状态参数曲线，给出现场测量的温度及所测压力，则能根据曲线查得所测气体得密度。如果给出一条警戒密度线，则很容易判断现在密度是否越界。这样就很好地补偿了温度对压力的影响。利用传统压力表，根据状态参数曲线测量气体密度是一种可行的方法，目前有很大比例的高压断路器是采用此种方法对气体泄漏进行监测的。其局限性也是明显的，这一过程需要工作人员去读取压力值和温度值（现场一般没有温度计），然后对照设备上的状态参数曲线（设备上状态参数曲线很粗略）去查密度值。显然，由于工作人员的不同，读值和查表的误差很大。同时也没办法及时反应气体泄漏，因为巡视设备是有一定时间间隔的。密度继电器监测直接用用压力表监测气体的泄漏有它明显的不足，密度继电器克服了压力表监测的不能直接读数、不能实时报警的缺陷。密度继电器能反应气体的密度，则在其指针系统上装上一个开关量输出模块，当指针示数低于某一设定值时，输出报警开关量。这样，较之压力表监测法，密度继电器就能实现直观读数，即使报警的功能。但是，密度继电器毕竟是一个机械装置，其使用也存在一定的局限性。首先，密度继电器的精度一般，并接耐振性能很差，容易出现指针卡死，因振动导致读数不准等现象。其次，不能及时上传实时密度值，对于密度警戒值以上的泄漏不能及时发现，这不能满足现代状态检修的要求。最后，也是最重要的，双金属片对密度继电器示值变化的补偿并不是线形的，存在一个最优的温度补偿点，只能通过合理的选择双金属片的形状，使它的实际补偿曲线在一定温度变化范围内非常接近理想的补偿曲线。当温XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）7度超出这一范围时，误差将会增大。212在线检测P参数鉴于以上的缺陷，提出了在线实时监控压力的技术。采用压力传感器、变送器，将模拟的压力信号转换为电流信号，送到单片机中处理。处理后的结果可通过与上位机的配合就地读取报警或采用INTER网实现远端查询。为了精确测量和易于开发，本监测装置选用压力变送器。22H参数的监测原理221SF6气体中水分的来源、危害及监管的必要性运行中的SF6气体绝缘设备（GIE）无论怎样严格控制其安装及运行维护时的水分浸入，设备内总还是存在水蒸气，这是绝对的，只是多少不同。究其原因，人们已经知道源于以下几个途径（1）设备固体件（包括外壳内表面、导体、绝缘体及传感器等）吸收（ABSORBED）和吸附（ADSORBED）的水分（封装时不可能干燥彻底）。（2）充气时，充放气装置带入的水分。（3）SF6新气自身含有的微量水分（通常不大于881648PPMV）。（4）运行中的产品，从密闭圈及微孔隙向设备内部渗入的水分。尽管所充SF6气体压力远高于外部大气，但由于大气中的水分压通常是设备内水分压的数倍以上，故潮气向内部的扩散仍存在，尤其是密封件逐渐老化失效后；漏气相的水分通常会严重超标就是明证。这些湿气渗入设备内部后，仍以吸附于固体和扩散于腔中气体两种形式存在。吸附的湿气是以分子形式粘着在固体表面的水，吸收的湿气是以分子形式渗透到有机固体的水，渗透率正比于水蒸气在固体中的溶解度和扩散系数。在没有电弧或电晕的隔室中，水分的存在主要是降低耐压水平。有研究表明当SF6中水气含量达相对湿度30以上时（如图21中为约35），沿面放电电压开始明显下降，而当水分以液态凝结于绝缘表面（特别是附有杂质时），沿面放电电压可降到干燥时的6080。由于设备外部的水气分压总是远大于内部，向内的水分渗入虽然是缓慢的，但其随时间的增加是绝对的，人们不会无视危险的增加放弃对这一变化量的掌控，不要指望标准或规程会取消对水分的监督，只可能在水气含量控制值的高低上作出更科学的修正。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）8相对湿度RH（200C）图21SF6沿面绝缘的工频闪络电压与相对湿度的关系（P035MPA）图中1气体温度为20C400C2气体温度为20C290C在有电弧或较严重电晕存在的气室，除冷凝降低绝缘能力的危害外，由于电弧或电晕的高热，SF6及其低氟化物与触头材料、电极导体、固体绝缘等发生复杂的化学作用而产生如CUF2，WF6等金属氟化物和碳氢、碳氟的化合物，当H2O存在时，又不可避免的因水解作用而生成酸性物质SO2，SF2和毒性强、腐蚀性大的SOF2，SO2F2，H2SO4，HF等。这些放电生成物有的直接对某些金属体及绝缘体产生腐蚀作用，有的以粉末状漂浮于空间或粘附于绝缘体表面，严重降低耐压水平。短路开断后的断路器解体，曾发现铜及镀锌层表面变色，填充石英砂的环氧树脂浇注体表面有腐蚀砂眼。水分严重时，甚至出现因断口绝缘能力不足造成开断失败。对这样的气室，水分含量的允许值要求更低，对其跟踪监测更不可少。222传统微水含量监测重量法重量法是国际电工委员会IEC376号文件中列为仲裁法，因此，国内外在制定标准时，都把它列为基准方法。为了准确的测定SF6气体中的微量水分，各气体使用和生产部门均应建立此方法。方法原理是根据湿度量大小采集3050升SF6气体（在含量相当低的情况下，采气量可增加到50100升），通过颗粒状无水高氯酸镁（或五氧化二磷）吸收系统，定量的把水蒸气吸收下来，然后精确称其重量的变化。通过计算得出结果。此方法准确，操作严密，但繁琐、耗气量大是其缺点。电解法电解法是国际电工委员会IEC376号文件中列为日常分析方法而推荐的。在我国很多单位都有此种原理的分析仪器，应用比较普遍。此方法的原理是SF6气体通过一个电解池，把吸收下来的水分进行电解，电解电流经过仪表或反应出含水量。电解池是由两根平行白金丝作电极，装在玻璃或聚四氟乙烯管（棒）内（外）壁，在壁上涂以五氧化二磷吸附剂（用磷酸的水溶液涂敷电极，经脱水得到），当气体通过时，定量的把水分吸收下来，并进行定量的电解。反应式如下P2O5H2O2HPO3吸收过程XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）94HPO32P2O52H2O2电解过程上两式之和2H2OH2O2此电解电流严格遵守法拉第库仑定律，根据仪器测出电流和气体流量，很容器计算出流过了多少电量，电解了多少水，也可以计算出气体的微水含量。为了计量方便，便于仪表的制作，已把流量、温度和压力等等几个参数加以固定，所以当通以规定的流量时，便可以知道含水量了。此方法在测定SF6气体时干扰因素少，数据重复，准确度高、操作简单，尤其在测定低含水量时更显示它的优越性。但此方法最大的缺点是电解效率。一般来说新装上的电解池电解效率可达到98以上，随着使用时间延长，电解效率慢慢下降。有以下几个方面的原因（1）刚启动时，管路里含水量相当高，在电解过程中产生大量的H2和O2，P2O5薄膜又很薄，会逐渐被破坏，形成不均匀的堆积物，使薄膜局部变厚。（2）SF6气体里含有微量的矿物油，当气体通过电解池时，矿物油也都被吸收下来附着在电解池的表面。（3）在使用过程中，长期的用极干燥气体吹洗，以致造成电解池越来越干，使电解池内壁涂膜都由HPO3转变为P2O5粉末，随着气流的吹洗而吹掉。（4）气体中含有与P2O5反应的其他杂质气体。电解效率的降低势必会影响到测量的精度。一般情况下，当电解效率低于85时，就不能用了露点法露点法是直接利用露点进行水蒸气压的测量方法，也是一种日常控制水分的测量方法。露点法在国际电工委员会IEC376号文件及补充文件之二中作了介绍，在我国使用也是比较广泛的。目前国内使用的仪器主要有瑞士MBW公司的DP9，德国DILO公司的3030ROO1仪器，其原理是用液氮或半导体帕尔贴电堆作为制冷源，使测量系统金属镜面温度逐渐降低，当气体中的水蒸气随着镜面温度的逐渐降低而达到饱和时，镜面上则开始结露，这时的镜面温度称为露点。通过光电测量系统的测试，由仪表指示出露点值或含水量值。这种仪器对测试流量的变化不敏感，即测试流量在一定范XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）10围内变化时，露点值不变。在根据露点值确定SF6气体的湿度。此方法下限可达到800C左右，精度为（130C）。用露点法测量微水含量，需要消耗大量的冷源，测量过程需要排放一定体积的SF6气体到大气中，于设备运行和环境保护均不利。此外，当SF6气体中含油量或四氟化物等杂质较多时，往往会引起测量误差，从观察镜中看到结露时，有彩色或一层很厚的白霜，说明SF6气体中含油量或其他杂质含量过多。用普通露点仪测试露点时，需注意一下几个方面的问题（1）露点值是镜面压力的函数，即露点值是指对应压力下的露点，压力改变，露点改变。因此，该方法测试时，要精确测试镜面压力。在实用中一般采用大气压力法，即使镜面排气直通大气，镜面压力即为当地大气压，只要精确测出当地大气压，即可知镜面压力。（2）仪器制冷有过制冷现象，要等仪器露点值基本不波动时读数较为可靠。（3）测试读数按国际规定以L/L表示。露点与的换算关系为CP1106P0式中C露点值所对应的数P1露点值下的饱和水蒸气压P0测试露点值时的镜面压力当然，测量SF6气体微水含量的方法还有一些，比如氧化铝敏感元件测湿法，石英晶体振荡法，气相色谱法等。但目前常用的还是以上三种方法。经过归纳，以上测量方法有以下几个方面的缺点（1）三种测量方法均不能实现在线监测。（2）三种测量方法均对测量仪器及其规范使用有很高的要求。稍微的操作不慎可能会导致很大的误差。对测量人员的要求很高。（3）三种测量方法均需要耗费一定体积的被测气体，这无论是对于被测设备的使用还XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）11是环境保护均不利。（4）这三种测量方法很难考虑SF6气体压力，测量温度对测量结果的影响。所测数据能否客观、直观反应SF6气体微水含量是否安全值得探讨。223体积分数值PPMV（L/L）及其影响因素鉴于上述水分存在的危害，相关的国际和部标对水分的控制与限定作出了明文规定（如表21）。这些规定是以限定气体中水蒸气所占比例来表示的。目前最常用的指标量是体积分数PPMV（L/L），即气体中的水蒸气的体积与气体的总体积的百万分比。在工业现场目前多半采用露点仪测量气体中的含水量。采用露点法测量直接反应的是测量压力下（一般是从设备经露点仪和排气管向大气均匀稳定放气，故视为一个大气压）SF6气体中水分的凝露点温度所对应的饱和水气压，即设备中的气体降到一个气压时的绝对水气压，然后用这个绝对水气压乘以106再除以凝露室的压力（即当时的大气压）才能得到PPMV值。如果仪器直接给出的是PPMV值，那么它一定做了这个换算过程。如果只给出露点，要人为查表去完成这个计算过程。之所以能这样得出PPMV就是因为在同一温度下，不同气体的分压力之比就是分子数目之比，也即等于不同气体所占有的体积之比。表21GB8905中SF6设备在200C时的气体湿度允许值气体压力的影响我们从有些文献资料中曾看到PPMV值不取决于压力高低，比如说，如果SF6气体压力为304KPA（3ATM），微水含量为300PPMV，那么当压力减释为101KPA（1ATM）时，仍然为300PPMV的含水量。这是对的，因为压力减小体积膨胀时，水分子在绝对数量上也相对减少。我们这里所说的影响不是指这个层面的，而是指对不同的充气压力用同样的PPMV值来评价含水量是否越限不合理。如果暂不考虑温度对PPMV值的影响，设200C时，两设备的压力分别是P106MPA和P204MPA，微水含量均为937PPMV（或937L/L）则P100C273206019376112PA2932P200C273204019374365PA293200C、P200C分别表示换算到00C时两个容器内的水气压力。00C时水的饱和隔室有电弧分解物的隔室L/L无电弧分解物的隔室L/L交接验收值150500运行允许值3001000XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）12蒸汽压为6112PA。显然，设备二内在00C时不会凝露，而设备一内在00C时刚好凝露，即是说，在充气压力不同时，SF6气体中相同的微水含量体积比并不能代表相同的安全值或危险程度。这就是为什么能从有些相关文献看到压力水分含量界限图（见图22）。显然按这个图的界限控制管理水分含量就考虑了压力的影响。图22SF6电器设备水分管理界线温度的影响当设备内的水气总量不变时，若设备所处的温度不同，测量所得的PPMV值就明显不同，正是由于这一客观事实的存在才有表21“200C体积比”的出台。图23为SF6气体绝缘设备在含水量基本相同的情况下PPMV值随季节（温度）变化的典型曲线。图23温度对SF6电器设备中气体含水量的影响图中坐标1/3、1/7、1/11等系指从3月1日到11月1日。为什么温度对PPMV值有如此明显的影响呢这与设备内固体对湿气的吸收和吸附机理有关。SF6电气设备内部XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）13构件（包括外壳内表）与SF6气体构成一个系统，处于固体表面的原子，由于周围原子对它的作用力不对称，即原子所受的力不饱和，周围有剩余力场，可以吸附气体。SF6的气体分子量为146，水蒸汽的分子量为18，无论从重量还是体积，水分子更易被固体表面俘获。在一定温度下，固体构件和气相中的水分处于一种吸附和解吸的动态平衡中。当温度变化时，这种平衡被打破，温度升高，被吸附湿气吸收热量将获得动能脱离固体表面而释放到SF6气体中，故表现为PPMV值增大；温度降低，气体动能减少，易于被固体吸附，故表现为PPMV值减小。表21虽然给出了“200C体积比”的要求，但没有给出其他温度下的PPMV值与200C时PPMV值的换算关系，实际上也不可能足够精确的给出这种普遍适用的关系。因为各个设备内部其固体构件对水分的吸附能力随温度的变化不会是完全相同的，只能是相近的。正因为如此，当测量温度与200C相差较大时，如果设备厂家没有提供换算曲线，还是不知道水分含量处于何种警戒水平。所以说表21的规定缺乏可执行性，不是最科学的。检测系统和操作者个体的影响表22是不同类型微水测量仪对同一瓶SF6新气含水量测试的结果36。GB12022要求，SF6新气的含水量不大于8（质量分数），也即881648PPMV，那么这些仪器所测值可以说都在可信范围。但是，表中最高值是最低值的23倍。同一个厂家先后出厂的同系列仪器所测也有成倍的相差值。看似难以接受，实则不足为怪。因为这么低湿的干燥气体，影响测量值的因素很多，与取气管道的除湿程度、气流速度、仪器精度、操作者的熟练程度和数据读取技巧、环境及气源温度的波动等都有直接的影响。所以对同一台设备，前后两次的测量，即使各方面条件相同，也不见得所得结果一致。这也是为什么相关标准对测试方法和过程作出异常详细的具体要求的原因，对冷凝露点法还要求“测量时直到连续三次测试的露点差不大于150C为止”，而读数相差一度，所得绝对水含量就有可观的变化。表22不同类型微水测量仪对同一瓶SF6新气PPMV值测量结果的比较XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）14224露点仪所测值不等于设备温度降到该露点时的设备内气体含水量值0C，所得露点为50C，这只能说明设备中的SF6气体在温度为300C时的绝对水气压为50C下的饱和水气压872PA，并不表征该设备中的SF6气体在50C时就会冷凝结露。因为当设备随环境温度整体降低时，由于前述的吸附和吸收作用，气体中的绝对水气压会减小而远低于饱和水气压。这已为很多现场实测数据和运行实践所证明。这又从另一个角度告诉我们，离线检测SF6气体含水量所得的PPMV值对检测目的实用性的欠缺。225在线监测相对湿度概念的提出所谓相对湿度（RH）是指给定温度下，所测定的气体中的实际含水量与该温度下开始凝露（或霜）时气体含水量的比，也即实际水气分压与该温度下的饱和水气分压之比。气温为250C时，水蒸气的饱和水气压为317KPA，若测得某个定充气压为05MPASF6设备中的水气分压力为018KPA，那么其相对湿度为018317100568，若用PPMV值表示为018103106300PPMV0501106、实际上，在250C下测运行中充与表压的SF6断路器，其PPMV值常在1000PPMV上下，相应的其相对湿度在1520间。前已述及有研究表明，相对湿度达到30以上时，沿面放电电压才开始明显下降。实际上运行经验也证明1000PPMV含水量（250C时）完全能正常运行对绝缘无影响。如500KV断路器2350C时测得含水量为1217PPMV，29350C时测得其含水量为2069PPMV，90C时为5006PPMV都能长期正常运行。因此我们可以以相对湿度为2025为警戒值，对于有电弧生成物的隔室为限定电弧生成物对设备的腐蚀我们还可将警戒值压得更低，如相对湿度为510。以相对湿度作为水分含量的表示与控制指标，最明显的好处时抛开了温度和压力的影响，某温度下的相对湿度本身就是气体中绝对水气压对饱和水气压的比，含水量实测值含水量实测仪器型号制造厂家（PPMV）仪器型号制造厂家值（PPMV）SHAW英国30WTY180法国221MODEL700英国370SH81上海515厂470MODEL2000英国700USII成都202M340美国杜邦395USIIA成都96WMY270西德405DWS上海唐山仪表厂428XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）15可直接从相对湿度的多少看清离凝露有多少裕度。本来无论是我国的相关标准还是国外的相关标准都有可以用相对湿度表示含水量的条款，但由于一直以来，由于这种检测是离线式的，测量结果不能直接预知气体发生较大温度变化时的相对湿度值，所以一直延续习惯的PPMV（或L/L）值。目前，传感和在线监测技术高速发展，高分子聚合物等类型的电容式低湿测量用传感器已完全能满足SF6气体绝缘设备中湿度测量的要求，在线监测以便及时控制水分含量式完全可行的。23密度参数的监测原理介绍了密度在线监测的基本原理、数学基础及算法推导推导出计算密度以及计算200C温度下压力的算法，并分析其收敛性。231密度在线监测的基本原理因为温度的因素，压力不能直接反应SF6气体的密度大小和泄漏状况。根据压力表压力、估测环境温度和SF6状态参数曲线来得到气体密度显然是一种很粗略、不易操作的方法。目前使用的密度继电器能对压力进行温度补偿，显示出补偿到某一温度下气体压力的大小（实际上可以表示密度）。但是在实际使用过程中，密度继电器会出现指针卡死、抗震性能差、精度不够高等缺点，并且只有等到密度继电器指针明显偏转时才能发现泄漏，短时间内很难知道泄漏率。从压力表、温度计和状态参数曲线监测气体密度的方法出发，利用现代电子及传感器技术，可以找到一种精确的实时在线监测气体密度的方法。将前人在对SF6气体实验基础上得到的状态参数曲线加以数学处理（高次方程拟合），就可以得到气体压力P、气体温度T、气体密度之间的函数关系式。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P057104T1B2A（21）式中P为压力（MPA）；T为温度（K）；为密度（KG/M3）系数A、B分别为A07510410727103（22）B25110310846103（23）本论文所述的SF6气体密度在线监测的方法就是，用一定精度的压力和温度传感XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）16器直接测量出气体的压力P和温度T，在嵌入式系统中利用SF6气体状态参数方程直接计算出气体密度。如果压力和温度传感器有适当的精度，能计算出非常准确的密度值，就能分析出短时间的泄漏率。现在行业内仍习惯于用200C的压力来判断SF6高压电器设备是否压力越线。如果根据P和T，用21式计算出，则可以把和T2932（200C）代入21式，很方便计算出200C时的压力P20。用此种方法实现的密度仪能很方便的做到密度和200C压力的直接显示与远传；监测数据自动记录、分析与备份；密度低限的报警等功能，实现真正意义上的自动化与无人值守。232密度在线监测的数学基础如何在嵌入式系统中根据所测量的气体压力P和气体温度T，利用SF6气体状态参数曲线，实现SF6气体密度的计算和200C压力的计算为阐明这个问题，必须先说明工程数学的应用。迭代法是计算方法中构造许多数学问题算法的一种基本方法，它便于程序实现，对数字求解非线形性方程及线形代数方程组十分有效。简单迭代方程FX0总可以化为一个等价的方程XX若给定一个初值X0，带入24式右端，可算得一个新的近似值X1X0，再X1代入24式右端，又可得X2X1，如此，继续下去，得一迭代公式XK1XK，K0，1，2，3这时所得序列XK称为迭代序列，LIMXKK则称迭代序列XK收敛于X，只要迭代序列收敛，一般总收敛于原方程24的根。这时可取XK1作为24式根的近似值。这种求根法称为简单迭代法。233算法推导分析XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）17在前两节分析的基础上，本节主要针对21、22、23式方程组，推导出计算密度以及计算200C温度下压力的算法，并分析其收敛性。首先，根据21、22、23式所构成的方程组，将P和T作为已知量，求解。将22式、22式代入方程21式所以有将密度单位（KG/M3）改变为KG/L3。将上式变成式中C54525012103722TD014307T75E0057TFP迭代法迭代算法为该迭代序列在计算过程中很难收敛，如果采用加速收敛法，则可以使其收敛，加速收敛后的迭代序列变为XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）18计算中，将迭代函数封装成一个算法功能函数，输入，输出。计算前做如下置换，则将上式转化为定点计算算法，赋迭代初值MK800，将温度（K氏度）和P（KPA）代入迭代函数进行迭代计算可得M值。，单位为KG/M3。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）19第3章SF6气体在线监测装置硬件系统设计基于以上原理，本文提出了一种新型SF6气体在线监测仪的设计方案，该装置集测量、保护、监控为一体，主要可以实现对断路器SF6气体压力、温度、湿度等状态量的监测，对越限量自动报警提示，并可通过PC机实现SF6气体状态的在线监测和远方查询功能。31SF6气体在线监测系统总体硬件结构整个系统主要由3块插件板构成，分别为CPU板、电源板、液晶显示板。系统结构如图31所示图31SF6气体监测仪硬件框图SF6气体压力、湿度、温度状态分别通过传感器转换为电信号输入到该装置，经信号前向处理滤波，通过A/D转换进入CPU处理，处理结果通过液晶显示板输出，并通过串口信号上传到上层机。上层机选用PC机，它通过通讯接口与下层的监测仪即时交换数据。将采集到的SF6气体状态参数进行进一步分析，提供给现场运行人员；并可通过对其他数据综合应用各种诊断方法，完成对断路器、GIS等开关设备的状态诊断。同时可进行数据输出，包括显示，打印等功能。XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）2032在线监测系统硬件设计方案321处理器的选择装置选用的是INTEL16位80C196KC微处理器。80C196KC属于高性能单片机，采用CMOS工艺，具备16位数据总线，具有丰富的指令系统和较快的执行速度。在硬件上具有28各中断源（其中有3个外部中断源）、内部16位WATCHDOG定时器，全双工串行口、高速输入输出系统及32位乘除法功能等，特别适合工业控制领域需要实时监测的场合。虽然目前数字信号处理器（DIGITALSIGNALPROCESSOR，DSP）凭借其强大的运算处理能力，在电力系统测控装置中应用广泛，当基于本装置应用场合数据量不大，而且收到温度、压力传感器等硬件限制，对实时性要求不是太高，80C196KC单片机完全可以满足性能要求，且拥有丰富的片上资源可供扩展，具有很高的成本优势。322输入信号的调理SF6气体压力、湿度、温度状态分别通过传感器转换为电信号输入，这些量都是交流的正弦量，无可避免的存在奇次谐波，在前端调理电路中必须去除高次的谐波，本文采用一阶低通滤波。截止频率为FC1/2PRC1/23141034701093888HZ，仅允许五次谐波通过。前端信号调理电路（此出给出16个通道中的一个，其他类似）如图32所示16路信号通道经过一阶低通滤波滤除7次以上谐波后，接至运算放大器TL084的正输入极，TL084接成射极电压跟随器的形式，主要起信号的隔离和功率放大作用，在TL084的输出端形成待采样信号。图32信号调理电路图XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）21323多路转换电路由于选用的A/D转换芯片每次只能转换一路信号，3路输入信号经调理后，需要经过一个多路复用芯片控制其单路输出。这里选择的是ANALOGDEVICES公司生产的8通道多路复用芯片AD7501。具体电路如图33所示。图中，TA、HA、PA分别表示经运放调理后的温度、湿度、压力信号，S0S7为芯片的输入端，EN为使能信号，OUT为输出端，芯片通过A0、A1、A2三个引脚的电平及EN使能端选择S0S7脚的开关状态。其真值表如图34所示图33多路转换电路图图34AD7501真值表由图中的真值表可以看出，将使能端EN置1，当CHH2、CHH1、CHH0三根线电平分别为000时，S0开关导通，TA信号进行A/D转换，当三根线的电平为001时，HA信号进行A/D转换。通过这种依次访问的方式，通过一路A/D转换芯片完成XXXXXXXXXXXXX设计（论文题目）22对三路信号的转换工作。324A/D转换电路图35A/D转换电路系统A/D数模转换芯片选用的是美国AD公司推出的一种12位带并行微机接口的逐逼近型模/数转换芯片AD1674。该芯片内部自带采样保持器（SHA）、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。其采样频率为100KHZ，转换时间为10S，满量程校准误差为0125，内有10V基准电源，也可使用外部基准源；可选择电压输入范围为5V，10V或0V10V和0V20V，数据通过8/12位可选并行总线接口与微处理器连接，内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V，采用双电源供电模拟部分为12V/15V，数字部分为5V；为适应户外工作环境的需要，装置选择了AD1674A型工业级芯片，工作温度范围在400C850C。具体电路如图35所示这里模拟信号选择0V10V单极输入，转换结果通过8数据总线与单