（光学工程专业论文）sf6气体浓度在线监测系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 s f 6 气体具有理想的绝缘和灭弧性能，已被广泛应用于高压开关领域。由于制 造、安装等质量差异以及材料老化等因素，s f 6 高压开关设备发生s f 6 气体泄漏是一 个普遍存在的现象。s f 6 气体的泄漏会影响高压开关设备的正常运行，也会对室内工 作人员的安全带来严重的威胁。如果能够在线监测s f 6 的气体的泄漏情况，就可以 防患于未然，减少事故的发生。 在对国内外s f 6 气体在线监测技术进行调研的基础上，本文提出采用双s f 6 传感器 和高压自适应技术，对传统的负电晕放电监测s f 6 气体泄露的方法进行改进，同时应 用多种传感器数据融合技术对报警信息进行优化处理，有效地提高了s f 6 传感器的使 用寿命，解决了原监测方法误报警率高的问题。研究成果已申请国家发明专利1 项( 申 请号：2 0 0 7 1 0 1 4 4 0 2 9 7 ) ，已授权实用新型专利2 项( 专利号：z l2 0 0 7 2 0 0 0 9 1 2 1 8 ， z l2 0 0 8 2 0 1 0 1 0 2 3 1 ) 。 本文介绍t s f 6 气体浓度在线监测系统的设计方案，从系统的关键技术、硬件、 软件、通信协议、提高系统抗干扰能力等方面进行详细阐述。经过2 年的技术攻关， 已研制出样机，测试表明：系统的稳定性、使用寿命，应用场合的适应性和可扩展 性方面均具有突出优势，已达到预定设计目标。 关键词：s f 6 气体，负电晕放电，在线监测，高压自适应技术 中文文摘 中文文摘 s f 6 ( 六氟化硫) 气体因其绝缘性能和灭弧性能良好，被广泛应用于高压开关设 备领域，如六氟化硫全封闭组合电器( g i s ) 、s f 6 断路器等。由于制造、安装等质量 差异以及材料老化等因素，s f 6 高压开关设备发生s f 6 气体泄漏是一个普遍存在的现 象。这些高压开关设备一旦发生s f 6 气体泄漏，将给电力设备的安全运行和室内工 作人员的安全带来严重的威胁。我国国家电网公司电力安全工作规程( 简称安 规) 特别规定，在相关场所必须安装氧气和s f 6 检测报警装置，并安装必要的通 风换气装置。 本文依托课题组承担的福建省教育厅项目“s f 6 0 2 h 系列开关室环境智能监控系 统( 项目编号j b 0 6 2 0 6 ) ，对s f 6 气体在线监测系统的关键技术进行研究，提出采 用双s f 6 传感器、高压自适应和多传感器数据融合等技术，在监测方法和数据处理上 对s f 6 气体在线监测系统进行改进，完成了系统现场监测终端( r t u ) 和数据集中器 ( d i ) 的软硬件设计，有效地提高7 s f 6 传感器使用寿命，解决了传统负电晕放电监 测方法误报警率高的问题。科研成果已申请国家发明专利1 项：一种恒压放电型六氟 化硫泄漏的检测方法( 申请号：2 0 0 7 1 0 1 4 4 0 2 9 7 ) ：已授权实用新型专利2 项：一种 基于多传感器的s f 6 气体泄漏在线监测装置( 专利号：z l2 0 0 8 2 0 1 0 1 0 2 3 1 ) ，一种新 型的六氟化硫气体微量泄漏在线监测装置( 专利号：2 l 2 0 0 7 2 0 0 0 9 1 2 1 8 ) 。 本文详细介绍高压开关室内s f 6 气体浓度在线监测系统的关键技术和软硬件设 计，共分为5 章。 绪论主要阐述本课题的研究背景和研究意义，分析了国内外s f 6 气体在线监测技 术的发展与现状，介绍了涉及本课题的主要研究内容。 第一章分析了s f 6 气体的特性及其浓度的测量方法，指出高压负电晕放电检测 方法的优势：传感器结构简单、测量范围大、灵敏度高、成本较低，适合于大范围 的在线监测。阐述了采用高压负电晕放电原理检测s f 6 气体浓度的方法，并通过实 验验证了方法的实际效果。针对基于高压负电晕放电原理构建的s f 6 传感器的特性， 介绍为了提高检测系统可靠性拟采用的关键技术，包括双电极结构传感器及其控制 策略，自动定标技术，高压自适应控制技术，温湿度补偿技术和多传感器的数据融 合技术。 第二章介绍了本系统下位机的功能需求和所要达到的性能指标，重点介绍s f 6 i 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 气体在线监测系统的方案设计。系统综合级联方式和分布式监测的架构，在结构上 分为三层：一层为r t u 、二层为d i 和( 人机交互终端) ，三层为远程监控中心的 p c ( 以下简称p c ) ，同时给出每一层所要实现的功能和原理框图。整个系统由r t u 、 d i 、u i 、p c 和通信链路5 部分构成。 第三章介绍r t u 和d i 的硬件设计，主要内容有r t u 中的p i c 微处理器系统、 s f 6 气体传感器及各种环境参数传感器、c a n 总线、无线数传、电源等电路的设计。 d i 中a r m 处理器系统、自动语音提示、r s - 4 8 5 通信、报警和通风控制等电路的设 计。 第四章介绍r t u 和d i 的软件设计过程和设计思路，给出r t u 软件的主程序、 中断程序、e e p r o m 配置程序、数据采集程序和通信程序的设计，以及d i 软件中 的u c o s i i 操作系统的移植、初始化流程和任务的划分与建立。阐述了为提高软件 的可靠性而采取的限时服务、数字滤波和数据的分层多级处理等技术。最后一节介 绍本系统中自定义的c a n 通信协议、无线通信协议和r s 4 8 5 通信协议。 第五章介绍了系统的调试方法和测试结果，测试结果表明：所研制的监测系统 达到预定的设计目标要求。 本系统的主要创新点有： 1 ) 、采用双s f 6 传感器、高压自适应技术和多种传感器的数据融合技术对传统 的监测系统进行技术改造，较好的解决传统监测系统s f 6 传感器寿命短和工作稳定 性差的问题； 2 ) 、综合应用新型0 2 传感器、h 2 s 传感器、s 0 2 传感器和湿度传感器，利用这 些环境参数与s f 6 传感器特性的相关性，结合数据融合技术，提高系统报警的准确 性； 3 ) 、采用d i 与u 1 分离，结合无线数传技术构建的分布式监测系统，系统架构 更加灵活，解决了传统监测系统存在的结构问题，满足了一个开关室多个进出口或 一个变电站多个开关室的应用场合的需求。 本课题的研究已取得初步成果：样机已经在福州宏博科技有限公司进入试生产 阶段；在核心刊物发表论文1 篇录用1 篇；主持和参与申请专利6 项，已获实用新 型专利4 项。 i v 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 a b s t r a c t s f 6g a sw i mi d e a li n s u l a t i n ga n da r c q u e n c h i n gp e r f o r m a n c e ，h a sb e e nw i d e l yu s e d i nl l i g hv o l t a g es w i t c h g e a rf i e l d b e c a u s eo ft h ef a c t o r so fm a t e r i a la g i n ga n dd i f f e r e n t q u a l i t ys u c ha sm a n u f a c t u r i n g ，i n s t a l l a t i o n , s f 6g a sl e a k a g eh a p p e n e di saw i d e s p r e a d p h e n o m e n o ni nt h es f 6h v ( h i g hv o l t a g e ) s w i t c h g e a r s f 6g a sl e a k a g ew i l ln o to n l y a f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h eh vs w i t c h g e a r , b u ta l s ow i l lp o s e sas e r i o u st h r e a tt o t h es t a f fw h ow e r ew o r k i n gi nt h es w i t c hr o o m i ft h es f 6g a sl e a k a g ec a nb em o n i t o r e d o n - l i n e ，a c c i d e n t sc a l lb ed i m i n i s h e d o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho ns f 6g a so n l i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s a th o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rp r e s e n t st h a tu s i n gd u a ls f 6s e n s o ra n dh i g h - v o l t a g e a d a p t i v et e c h n o l o g y , t oi m p r o v i n gt h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs f 6l e a k a g eb a s e do n n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g et e c h n o l o g y , w h i l ea p p l y i n g 、析t hm u l t i s e n s o rd a t af u s i o n t e c h n o l o g yi no r d e rt oo p t i m i z i n gt r e a t m e n t o fa l a r mi n f o r m a t i o n ，t h el i f e o ft h es f 6 s e n s o rw a si m p r o v e da n dt h ep r o b l e mo ft h eh i g l lf a l s ea l a r mr a t ec a u s e db yt h eo r i g i n a l m o n i t o r i n gm e t h o d sw a ss o l v e d t h er e s u l t si st h a tai n v e n t i o np a t e n th a sb e e nf i l e d ( a p p l i c a t i o nn o 2 0 0 710 14 4 0 2 9 7 ) a n dt w op r a c t i c a ln e wp a t e n th a sb e e na u t h o r i z e d ( p a t e n tn o z l2 0 0 8 2 0 1 0 1 0 2 3 1a n dz l2 0 0 7 2 0 0 0 9 1 2 1 8 ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd e s i g ns c h e m eo fas f 6g a so n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，w i t h d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fk e yt e c h n o l o g y , h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n d s y s t e ma n t i - j a m m i n ga b i n t yo fs y s t e m t h r o u g ht w o ) , c a r st e c h n i c a lr e s e a r c h ，t h e p r o t o t y p eh a sb e e nd e v e l o p e d t h et e s t 她r e s u l t ss h o w e dt h a t t h es y s t e ms t a b i l i t y , s e r v i c e l i f ea n df i e l da d a p t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yh a do u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s m o r e o v e r , t h e d e s i g nh a sr e a c h e dt h ep r e d e t e r m i n e dd e s i g ng o a l s k e y w o r d s ：s u l f u rh e x a f l u o r i d eg a s ，n e g a t i v ec o r o n ad i s c h a r g e ，o n - l i n em o n i t o r i n g ， h i g h - v o l t a g ea d a p t i v et e c h n o l o g y 福建师范大学学位论文使用授权声明 福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) 型咝鉴学号乏翌12 兰2 专业 拯歹礁所呈交的论文( 论文题 目：娠u 研姬谚磊钱馐吲畚任，力砷谚孑沼叶 ) 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成臬。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名 1 2 丛必 指导教师签名 签名日期生马至兰坠兰垒： 绪论 绪论 1 课题背景和意义 s f 6 ( 六氟化硫) 气体因其绝缘性能和灭弧性能良好，现已被广泛应用于高压开 关领域，如六氟化硫全封闭组合电器( g i s ) 、s f 6 断路器等。为了减少变电站的占地 面积，近十几年来积极发展六氟化硫全封闭组合电器( g i s ) ，它把断路器、隔离开关、 母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中集中组 成一个整体外壳，充以六氟化硫( s f 6 ) 气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧 凑、体积小、重量轻、不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰 等优点，具有很好的发展前景【1 1 1 2 3 。 由于制造、安装等质量差异以及材料老化等因素，s f 6 高压开关设备发生s f 6 气 体泄漏是一个普遍存在的现象【4 】【5 1 。根据中国电力科学研究院统计，1 9 9 0 一1 9 9 7 年 国内高压开关设备共发生故障1 5 0 0 次，1 9 9 7 - - 2 0 0 4 年共发生2 4 1 2 次，出现故障的 主要原因之一是s f 6 气体发生泄漏 6 j 1 7 1 。高压开关设备一旦发生s f 6 气体泄漏，将给 电力设备的安全运行和室内工作人员的安全带来严重的威胁【引，我国国家电网公 司电力安全工作规程( 简称安规) 特别规定，在相关场所必须安装氧气和s f 6 检测报警装置，并安装必要的通风换气装置。因此，实现对开关室内环境的在线监 测、实时报警和通风控制具有十分重要意义【9 】【1 0 1 。 据国家电监会统计，截止到2 0 0 6 年底全国地市级共有供发电企业4 3 1 家、县级 2 6 9 8 家，采用s f 6 电气设备的变电所或配电装置室2 0 0 0 多个【l l 】，由于s f 6 监测系统 是安规规定电力开关室必配设备，其销售额大约在2 3 亿人民币之间。按照人 均发电装机容量达到l k w ，才算进入用电小康社会，我国电力行业还需增加1 0 亿 k w 装机容量。如果按每年4 0 0 0 万k w 新增装机容量推算，则需要2 5 年的时间。这 意味着我国高压开关行业未来2 5 年仍将处于稳定发展时期，较长时间内保持2 0 3 0 的高速增长。根据有关专家预计，2 0 1 0 年，3 6 3 - - 5 5 0 k vg i s 将占断路器的4 5 ，1 2 6 - - 2 5 2 k vg i s 将占断路器的3 5 ，因此这都将为g i s 设备相关的s f 6 监测 产品提供难得的发展契机和广阔的发展空间。可见，g i s 设备相关监测产品在国内 的市场发展前景不言而喻，其社会效益和经济效益明显。 目前，国内电力行业上的s f 6 气体在线监测技术和系统研制尚处在研发和初级应 用阶段：随着电网的迅速发展，越来越多的g i s 设备投入运行，采用先进的s f 6 在 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 线监测手段势在必行【1 2 】【1 3 1 。 2 国内外s f 6 气体在线监测技术的发展现状 国外对s f 6 气体监测的研究工作较国内早，主要采用红外光谱和激光成像技术 检测s f 6 气体，并取得了一些成果。红外光谱法利用s f 6 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【1 4 】【1 5 】；美国一项专利( 专利号： 2 0 0 7 0 0 1 8 1 0 4 ) 采用c 0 2 激光器研发了一种s f 6 泄漏检测装置，其使用二氧化碳激光 和中红外差分吸收激光雷达技术【1 6 】；s h w e h d i 和g o n d a l 所在的课题组提出采用光声 系统测量泄漏的s f 6 气体浓度，可调c 0 2 激光器产生的激光射入一特制的含有采样 气体的气腔( p a ) 中，如果射入的激光的波长与采样气体的吸收点相一致，则气体 分子温度升高，产生周期性的压力变化，利用麦克风探测该信号，实现s f 6 气体的 检测，该方法能测量到几个p p m 的s f 6 气体1 7 1 1 8 1 ，a n d d a n o v 所在的课题组也对该 项技术进行了研究【1 9 】；美国l i s 公司生产的g a sv u ct g 3 0 激光成像s f 6 气体泄漏 定位系统，是一种比较新型的系统，由美国电力科学研究院( e p 对) 进行评估及设计 改进，利用s f 6 气体有较强的红外吸收能力这一特性，采用红外线成像技术，用一 红外线激光摄像机向被测区域射出激光，射向背景激光的一部分被反射或反向散射 回到摄像机，在有无s f 6 气体泄漏的情况下形成两幅图像，它们的对比度越大表明 泄漏越严重，该技术可以准确定位泄漏源【2 0 】【2 1 1 。 国内的s f 6 气体监测研究起步较晚，早期多是引进国外设备，有多家公司购进美 国g a sv u et g 3 0 激光成像s f 6 气体泄漏定位系统，应用情况较好，但价格昂贵，我 国的国情决定国产化是必然趋势。近十年来，国内对该领域的研究较热门的有： ( 1 ) 2 0 0 1 年3 月由南京供电公司的王春宁等人研发了s f 6 气体密度在线数字式 监测装置并已经产品化，较早期的机械式密度继电器的方法，在可靠性和抗干扰性 方面都有了很大的提高圆】。 ( 2 ) 2 0 0 5 年河海大学朱昌平教授的课题组应用c p l d 和超声波技术，实现了可 实时监控的s f 6 微量气体浓度检测仪的研制。利用声波传播速度随空气和s f 6 气体 两种样品气体组分的比例不同而变化，通过测量声速的变化就可以算出空气中所含 s f 6 气体的浓度【2 4 】。 ( 3 ) 2 0 0 5 年姜宝林等人发表了紫外线电离型s f 6 气体检漏仪，采用紫外线 照射一金属电极，电极向外发射光电子，这些光电子在加速电场的作用下，向加速 电极移动，形成了基流，通过开关控制紫外线光源，即可输出三角波信号，由于s f 6 2 绪论 气体分子量大，移动速度较慢，使得该基流信号发生了延时。通过检测这延时的长 短计算s f 6 气体浓度的大j 4 2 5 ，该产品应用局限于便携式设备，未查到有大范围的 应用的报导。 ( 4 ) 高压负电晕放电检测是利用s f 6 气体高度绝缘的特性。该技术通过检测一 对高压电极之间的放电电流随空气中s f 6 气体浓度的不同而变化，只要检测出该高 压电极的放电电流【2 6 2 7 1 ，就可以换算出空气中s f 6 气体浓度。这种检测方法传感器 结构简单，成本较低，适合于在线监测阱 e 2 7 j 。 基于以上研究在实时在线监测的产品相对较少，检测技术还处于初级阶段，特 别在传感器的使用寿命和可靠性方面还存在不少问题 3 0 1 1 3 1 1 。国内许多变电站的电器 设备仍按照电力设备预防性试验规程的要求定期进行预防性试验，影响了用户 的正常用电。对高压开关室内s f 6 气体泄漏进行实时监测，是开展s f 6 气体泄漏防 范工作的第一步，也是保障设备的正常运行，确保人身和环境安全的重要手段陬j 。 随着计算机技术、网络技术及通讯技术的发展，无人值班变电站运行模式已成为一 种趋势，变电站内主要电气设备的状态检测，特别是采用技术手段让无人值班变电 站中心监控站的值班人员对变电站内设备的运行状态能进行实时地监测，已成为重 要的技术问题。 3 课题来源和研究内容 本文依托课题组承担的福建省教育厅项目“s f 6 0 2 h 系列开关室环境智能监控系 统”( 项目编号旧0 6 2 0 6 ) ，对s f 6 气体在线监测系统的关键技术进行研究，开发 一套适合于国内变电站管理模式的s f 6 气体在线监测系统。主要研究内容有： ( 1 ) 分析了国内外s f 6 相关研究的最新进展，基于在线实时监测系统的特点， 依据电力系统用户的反馈意见及对s f 6 监测的实际需求，结合文中所阐述的理论和 方法，开发一套适合于国内变电站管理模式的s f 6 气体在线监测系统。 ( 2 ) 从研究s f 6 传感器放电的特性出发，开发提高放电电极有效使用寿命和放 电稳定性高的s f 6 气体传感器。 ( 3 ) 研究s f 6 气体与环境参数的关联程度，在此基础上选择合适的测量数据补 偿和定标方法，提高了s f 6 气体浓度的测量精度。 ( 4 ) 研究多传感器数据融合技术，用于优化输出报警信号策略，提高报警的可 信度。 ( 5 ) 系统综合应用传感器、计算机、网络通信、数据采集等技术，通过对测量 3 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 方法、系统结构和控制策略等方面进行研究和创新，力求在提高传感器的使用寿命、 降低误报警率、提高现场环境的适应性方面有所突破。 4 第一章s f e 气体浓度在线监测系统的关键技术 第一章s f 6 气体浓度在线监测的关键技术 第一节s f 6 气体浓度的检测技术 1s f 。气体的特性 s f 6 气体是由最活泼的氟( f ) 原子和硫( s ) 原子结合而成，分子结构是个全对称的 八面体，硫原子居中，六角是氟原子。纯净的s f 6 气体无色、无味、无臭、无毒、 不燃、比重比空气大，在常温下化学性质特别稳定【3 3 1 。s f 6 气体是目前世界上最优 良的绝缘介质和灭弧介质，因而被广泛应用于高压开关设备中做为绝缘介质。 2s f 6 气体浓度测量方法 目前，s f 6 气体浓度检测较热 的研究方法主要有5 种，各种方法的优缺点对比 如表1 所示，高压负电晕放电检测方法采用的传感器结构简单、测量范围大、灵敏 度高、成本较低，适合于大范围的在线监测，若能改善其不足s f 6 传感器的使用 寿命较短，高压电极放电特性不稳定，那么该方法具有很大的推广应用的潜力。本 课题基于该原理，研究s f 6 气体浓度在线监测的相关技术，力求在提高传感器的使 用寿命、降低误报警率、提高现场环境的适应性方面有所突破。 表l 各种测量方法对比 t a b l e1th ec o m p a r i s o no f v a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d s 测量方法优点缺点 s f 6 高压开关设备自带适合于大量泄漏的情况 对于安规规定的1 0 0 0 p p m 这种浓度的泄漏， 压力传感在线监测以及获取相关的气体信这种诊断装置检测不出这么微小的变化。 息 基于超声波的原理s f 6可靠性高，误报率低， 检测的速度较慢，检测下限太高 在线监测系统不存在频率漂移的影 响，误差小， 紫外线电离法s f 6 检漏精度高，误报率低 测量范围小，需特制水银灯、真空泵和高压 系统，加速电极，传感器结构复杂；调理电路需实 现小信号放大整形以及脉宽检测，电路复杂。 激光成像原理s f 6 检漏 能快速、准确定位s f 6 气需特定的激光源，技术含量高，结构复杂， 系统体泄漏位置价格十分昂贵，不适合在线监测。 高压负电晕放电检测传感器结构简单，成本s f 6 传感器的使用寿命有限，高压电极放电特 原理s f 6 在线监测系统较低 性不稳定 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 3 高压负电晕放电检测原理 高压负电晕放电检测方法是利用s f 6 气体高度绝缘的特性。通过检测s f 6 传感器 内的一对高压电极之间的放电电流随空气中s f 6 气体浓度的不同而变化，只要检测 出该放电电流，就可以换算出空气中s f 6 气体浓度。由于传感器的结构特性，采用 负高压更容易产生电晕【3 4 】【3 5 】。 测量原理框图如图1 所示，m c u 通过p w m 控制高压模块产生一负高压，该负高 压施加于s f 6 传感器内部的放电电极两端上i 放电电极起晕放电，经w 转换和放大 电路对放电电流信号进行调理，产生与s f 6 气体浓度成反比关系的电压信号，通过 m c u 的a d 采集与处理后转换成s f 6 气体浓度。m c u 还根据测量值的大小去调节高 压模块的输出高压值，形成高压的闭环控制回路。 高压负电晕放电测量原理有恒压测流 和恒流测压两种方法。恒压测流：高压模 块的输出恒定高压值，测量放电电流大 小，然后将放电电流换算成s f 6 气体浓度 的方法。恒流测压：s f 6 传感器放电电极 的放电电流恒定不变，测量放电所需高压 值的大小，然后将该高压值换算成s f 6 气 体浓度的方法。 为了验证该两种方法的实际效果，随 机抽取1 0 0 个高压放电电极平分成两组进 图1s f 6 气体浓度测量原理框图 f i g 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs f 6g a s c o n c e n t r a t i o nm e 嬲w e m e n t 行实验，一组采用恒压测流方法，另一组采用恒流测压方法，实验统计结果( 见表2 ) 表明：恒压测流方法可获得较高的测量精度( 有效分辨率1 1 0 2 4 ) ，但只有3 0 的放 电电极可以正常放电，放电电极的平均使用寿命只有8 0 0 0 次；恒流测压方法的测量 精度较低( 有效分辨率1 4 0 0 ) ，但8 0 的放电电极可以正常放电，放电电极平均使 用寿命较长，可到到2 0 0 0 0 次。 表2 两种测量方法对比 t a b l e2t h ec o m p a r i s o no f t w om e a s u r e m e n tm e t h o d s 方法分辨率使用率平均寿命 恒压测流1 1 0 2 43 0 8 千次 恒流测压1 4 0 08 0 2 万次 第一章s f 6 气体浓度在线监测系统的关键技术 4 负电晕放电型s f 传感器的放电特性 恒压测流方法的s f 6 传感器 放电特性曲线如图2 ，在分析 恒压测流的实验数据中发现： s f 6 气体浓度增大到一定值时， 部分传感器放电电极出现不放 电的现象，即放电电极的击穿 电压存在较大差异；有的放电 电极在统一设置的高压下不能 放电，传感器使用率低。恒流 测压方法的s f 6 传感器放电特 性曲线如图3 ，为了方便数据 处理，图中将放电高压取绝对 值。这种方法克服了恒压测流 方法中高压放电电极不放电现 象，但放电电极的击穿电压受 环境因素和电极自身物理特性 影响大，测量精度低。显然， 两种测量方法所存在的不足， 都直接影响测量系统的稳定 性、可靠性和使用寿命，因此 必须在测量方法和手段上加以 改进。 图2 恒压测流高压放电电极特性曲线图 f i g 2t h ec h a r a c t e r i s t i cg r a p ho ft h eh i g h - v o l t a g ed i s c h a r g e e l e c t r o d eu n d e rc o n s t a n tv o l t a g em e a s u r e dc u r r r e n t 憧压测漉放电电饭的特性曲堍 图3 恒流测压高压放电电极特性曲线图 f i g t h ec h a r a c t e r i s t i cg r a p ho f t h eh i g h - v o l t a g ed i s c h a r g e e l e c t r ( ) d eu n d e rc o n s t a n tc u r r r e n tm e a s u r e dv o l t a g e 忸漉潮匿j 坡电电极的特性曲线 孑 7 f r ， j少 7 ， 兹 1 影 彳； i 8 - ，恒漉洲压撤据 i： l 二谯拟合 第二节提高检测系统可靠性的关键技术 1 双电极结构传感器及其控制策略 为了提高s f 6 传感器测量的可靠性，采用了双放电电极结构的s f 6 传感器如图4 所示，对双放电电极结构传感器的控制策略有如下两种： 7 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 控制策略一：如图4 ，两传感器共用一个高压模块，信号调理与采集电路各自 独立，相当于两传感器同时工作， 控制简单，测量数据经过处理后 可获得较高准确值，对系统的稳 定性和可靠性有明显提高。缺点 是不能提高传感器的使用寿命。 控制策略二：如图5 ，与控 制策略- 的区别仅在增加高压切 换电路，两传感器的工作模式完 全独立，可实现分时控制，即同 一时刻只有一个传感器工作。只 有在第一个传感器数据偏离正常 值时才启动第二个传感器，因此 传感器的有效使用寿命得到明显 提高。通过适当的控制策略和数 据处理，可以获得比模式一更高 的系统稳定性和可靠性。关于高 压切换的问题还在研究中，有望 进一步提高系统的性能，系统样 机先按控制策略一设计实现。 2 自动定标技术 图4 共用高压模块的框图 f i g 4t h ed i a g r a mo f t h es h a r e dh i g h - v o l t a g em o d u l e 图5 采用电路切换的框图 f i g 5t h ed i a g r a mo fu s i n gs w i t c h i n gc i r c u i t 由于s f 6 传感器中高压放电电极的击穿电压会随使用时间而提高，放电电流随使 用时间而下降，因此必须定期进行校正，也就是采用所谓的自动定标技术。具体做 法是在每天开关室通风之后，将第一次测量时在电极放电电流达到2 0 u a ( 出厂时的 默认值) 时的负高压值，作为新的负高压基准值，从而达到校正因电极老化引起的 测量误差。 3 高压自适应控制技术 高压自适应控制技术的两项重要内容：一是根据高压放电电极的放电电流自动 调整负高压的大小，二是调整负高压至最新自动定标的设定值。由2 1 3 小节的分析 第一章s f 6 气体浓度在线监测系统的关键技术 可知，不管采用恒压测流方法还是恒流测压方法，都存在不可避免的缺陷。综合利 用两种测量方法和高压自适应技术，可以获得比较理想的测量方法。具体方法如下： 首先采用恒流测压法，确保高压放电电极击穿放电，然后将负高压调至最新自动定 标的设定值，再用恒压测流的方法测得此时的电流值，最后换算为s f 6 气体的浓度 值。其主要优点是解决高压放电电极击穿电压的离散性及环境因素对击穿电压的影 响，确保高压放电电极击穿放电，同时可以延长高压放电电极的使用寿命；其次是 可确保测量环境一致性，从而获得准确的测量结果。 4 温湿度补偿技术 s f 6 气体浓度受环境温湿度影响较大，在一定温湿度范围内，可以采用近似的 s f 6 气体与温湿度系数来估算s f 6 气体随温湿度的变化，其误差在工程上是可以接受 的口7 】【3 8 】【3 9 】。故计算s f 6 气体浓度时，根据环境参数中的温度、湿度值，对s f 6 气体 浓度修正为： c = c + k l t + k 2 h 式中：c 为被测s f 6 气体的浓度( p p m ) ；t 为环境参数中的温度( ) ；h 为环 境参数中的湿度( ) ；k l ，k 2 为补偿系数。 5 多传感器的数据融合技术 5 1 测量o ：、h 2 s 和s 0 ：气体浓度的必要性 s f 6 气体的比重是空气的5 倍，开关室( 高压开关设备通常安装的室内，简称开 关室) 通常是相对密闭的，空气流动多是靠通风设备来控制的，因此，泄漏出来的 s f 6 气体会往室内低层空间积聚，且不易散发，造成室内底层空间氧气浓度下降，可 见，有必要对开关室内的氧气进行监测。 s f 6 气体高压开关设备内部经过高压放电、电弧、电晕、局部放电等因素的作用 下，若s f 6 气体中含有微量的水份，就极易分解为剧毒物质，如二氧化硫( s 0 2 ) ， 硫化氢( h 2 s ) ，氟化亚硫酰( s o f 2 ) ，四氟化硫( s f 4 ) ，二氟化硫( s f 2 ) 等，有些 物质即便是微量也能致人非命【4 0 】【4 1 1 。因此，有必要对室内的分解物进行监测，鉴于 分解物中的部分物质的测量条件还未具备，本课题仅对二氧化硫和硫化氢这两种分 解物纳入监测的范围。 5 2 多传感器的数据融合技术 多传感器的数据融合技术包括检测信息融合技术和决策信息融合技术两部分内 9 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 容。检测信息融合技术是对环境参数( 包括温度、湿度、0 2 气体浓度、h 2 s 气体浓 度、s 0 2 气体浓度) 实行实时采集，经过预处理后获得对应的参数信息。为了延长 高压放电电极的有效使用寿命，s f 6 气体浓度采用定时采集，上述环境参数采用不间 断的连续采集。当检测到某一环境参数超过预定值或某环境参数变化率超过预定值 时，即将其定义为一级异常事件，一旦一级异常事件产生，立即启动对s f 6 气体浓 度的采集，若本次采集测得s f 6 气体浓度超标或连续两次s f 6 气体浓度变化率超标， 即定义为二级异常事件。 决策信息融合技术是对某一时刻获得的环境参数测量值的加权系数进行信息融 合，做出报警的最佳决策，若融合后的报警信息值大于最低报警门限，即产生报警 信号。 a l a r m 宅a i x i 式中：a l a r m ：为报警信息 籼：各环境参数的测量值的加权系数 x i ：各环境参数的测量值 i - 环境参数的个数 第三节本章小结 本章介绍了s f 6 气体的特性，根据绪论中对目前s f 6 气体在线监测领域的调研情 况，对比了s f 6 气体浓度的测量原理，指出高压负电晕放电检测方法在在线实时监 测方面具有突出优势j 并将其确定为本课题的研究方法。随后阐述了高压负电晕放 电检测原理、s f 6 传感器的特性和s f 6 气体浓度测量的方法，并提出需要解决的问题。 最后针对s f 6 传感器的特性，介绍本系统中为了提高检测系统可靠性所采用的关键 技术：双s f 6 传感器设计、高压自适应技术、温湿度补偿技术以及多传感器数据融 合技术。其中高压自适应技术与多传感器数据融合技术分别申请了专利( 专利号： z l 2 0 0 7 2 0 0 0 9 1 2 1 8 ：z l 2 0 0 8 2 0 1 0 1 0 2 3 1 ) 。 1 0 第二章s f 6 气体浓度在线监测系统方案设计 第二章s f 6 气体浓度在线监测系统方案设计 第一节系统的功能 根据调研、实地考察以及电力用户提出的要求，本系统分为上位机和下位机， 下位机指具有现场数据收集功能，能做出报警和通风控制，在没有上位机的情况下 并不影响监测系统的运行。下位机功能需求如下： ( 1 ) 具有实时采集温度、湿度、氧气和s f 6 气体浓度的功能； ( 2 ) 实现1 2 种s f 6 气体衍生物的检测： ( 3 ) 系统的常规维护周期从半年延长到一年； - ( 4 ) 具有数据自动存储功能，循环存储数据周期大于1 个月； ( 5 ) 具有报警数据存储功能，循环存储数据2 0 0 条； ( 6 ) 具有灵活的参数设置功能； ( 7 ) 能响应上位机的指令功能； ( 8 ) 具有声光报警功能； ( 9 ) 现场总线可选用c a n 总线或无线通信； ( 1 0 ) 无线通信视距大于1 5 0 m ； ( 1 1 ) 通过远动集控系统的光缆进行测量数据的传输： ( 1 2 ) 有继电器输出，可与现有的消防报警系统连接，提供预警信号( 可扩展) ； ( 1 3 ) 开关室门口有人体接近检测功能； 0 4 ) 具有主机及传感器自检功能，二旦主机或传感器发生故障时能发出故障报警 信号； ( 1 5 ) 有手动强制排风功能等。 第二节系统的性能指标 本系统工作参数见表3 ： 表3系统参数 t a b l e3 s y s t e mp a r a m e t e r s 项目指标要求 工作电源15 0 2 4 0 v 5 0 h z 工作环境湿度 8 0 工作环境湿度- 1 0 + 4 5 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 本系统的需要达到的性能指标如表4 所示： 表4本系统主要技术指标 t a b l e4t h em a i nt e c h n i c a li n d e x e so f t h es y s t e m 项目测量范围精度 报警设置范围 s f 6 气体浓度3 0 0 。1 5 0 0 p p m 5 8 0 0 。1 5 0 0p p m 温度 - 3 0 - + 1 0 0 o 5 4 0 - 1 0 0 湿度 0 9 9 3 氧气浓度 0 - 3 0 1 1 7 - 2 0 s 0 2 气体浓度0 。2 0 0 0 p p m 5 p p m5 0 0 1 5 0 0 p p m h 。s 气体浓度0 - 2 0 0 p p m 根据功能需求，d i 的结构框图如图8 所示。d i 需存储大量数据，要有足够大的 存储器空间，一般采用f l a s h 实现；需存储本机和r t u 的配置信息，一般采用 e e p r o m 实现；系统需要能提供精确的实时时钟；与r t u 的通信链路有c a n 和无线 两种通信方式；需提供两个r s 4 8 5 接口，分别用于与u i 通信和控制中心的计算机通 信；需有声、光报警、风机控制接口和若干备用接口；电源适配器等。 一一一一一一一一一一一一一 福建师范大学陆生贵硕士学位论文 3 人机交互终端( u 1 ) 根据系统的功能需求，选用目前市场上较成熟的a r m 9 通用开发板做为的硬 件平台，其结构如图9 所示。图中主控器具有a r m 9 内核的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 ， 外部扩展5 1 2 m bn a n df l a s h 、1 6 m bn o rf l a s h 和5 1 2 m bs r a m 存储器；带有 e e p r o m 和r t c 实时时钟；预留u s b 设备接口和s d 卡接口电路 4 2 1 ，以便扩展存储器 或用于数据备份；8 寸真彩色液晶触摸屏，用于人机交互；通过r s - 4 8 5 实时获取d i 的数据；增加红外热释传感器和语音电路实现人体接近自动提示功能。 i j i 选用w i nc e 嵌入式操作系统为软件开发平台，应用软件采用w i n c e n e t 与c 撑结合进行开发，建立s q lc e 数据库。- 实现用户权限管理、历史数据、报警数 据、风机状态、风机控制记录、 运行记录等各种监测数据的查询 和数据的图表显示，可进行添加 删除d i 或r t u 设置，设置修改 d i 或i 唧的参数等。每个步骤的 操作均有操作说明和相应的语音 提示，方便工作人员操作。 4 远程监控中心的p c 为了实现远程监控，开发了安 装于控制中心p c 的s q l 数据库 图9u i 的结构框图 f i g 9t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fu i f a l s h s 洲 e e r o m 实时时钟 u s b 接口 s d 卡接口 m c u 和客户端软件。p c 上安装的客户端软件与u i 的应用软件架构基本相同。提供用户 信息、r t u 、d i 等管理功能，可设置操作权限及有关r t u 、d i 配置，实现r t u 数 据的管理、维护和数据备份。系统具有显示各种监测数据的图表、风机控制记录、 终端工作日志和报警日志等功能。 第四节本章小结 本章介绍了本系统下位机的功能需求和所要达到的性能指标，重点介绍了系统 方案设计，采用级联方式和分布式监测，一级为现场终端( r t u ) ，二级为数据集中器 ( d i ) 和人机交互终端( ) ，三级为远程监控中心的p c ，各级并行工作，相互协作。 阐述了r t u 和d i 所要实现的功能和框图，并简要介绍了和远程监控中心的p c 软件。 一一圆圆圆一 一一一一一一 第三章s f 6 气体浓度在线监测系统的硬件设计 第三章s f 6 气体浓度在线监测系统的硬件设计 本系统的硬件主要包括三部分：即r t u 、d i 和u i 的硬件电路。作者在系统研 发中主要承担r t u 和d i 的硬件电路设计。 第一节r t u 电路设计 1 传感器的选择 r t u 需要多种的传感器，传感器的性能参数直接关系到测量方式和系统的性能 指