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摘要：高压断路器（开关）是电力系统最重要的设备之一，SF6断路器气体的密度、湿度和温度三项物理指标是否处于额定范围之内，决定着设备的安全运行状态。对SF6气体密度、含水量等参数进行准确地在线监测是保证电网SF6高压设备安全运行的重要手段。
关键词：高压断路器；SF6气体；在线监测系统
国内相关部门相继制定了相关标准对SF6气体质量，特别是微水含量进行严格控制。但由于相关标准中只是单一的无量纲SF6气体体积比（μL/L）的形式，而且没有测量方式、温度及压力对测量影响的限定，因此到目前为止绝大部分仍采用SF6密度继电器表、电解法、冷凝法和阻容法定期现场检测，这样势必造成检测结果受表的质量和环境条件影响，检测精度达不到要求。对此，本文研究了高压断路器SF6在线监测系统，根据SF6气体为绝缘的高压设备的压力、温度变化，实时在线监测SF6气体的密度及含水量变化，监测气体的微量泄漏，随时掌握气体含水量、密度的变化并适时报警、闭锁设备操作，便于运行状况下SF6气体电气设备的控制。通过在线监测气体的密度值、含水值可以及时分析在警戒密度值以上气体短期内的微量泄漏率，取代以压力表、密度继电器的监测方式，以达到监测精度和真实可靠的监测效果。
1高压断路器概述
高压断路器指的是额定电压3kv以上的断路器，其具有良好的灭弧结构和断流能力，能够根据需要控制电路的通断以及根据电气设备的负载电流情况使电气设备投入或退出运行，此外，高压断路器还能够同继电保护装置一同工作，切断电网系统中的故障部分，防止电力事故进一步扩散。高压断路器可以根据灭弧介质和方法分为油断路器、sf6断路器、10kv真空断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器。其中油断路器在我国电力系统中的应用最为广泛，sf6断路器主要应用在超高压电力系统中，10kv真空断路器的额定电压为12kv，具有重量轻、体积小、安全的优点，主要应用在操作频繁的场所，压缩空气断路器具有灭弧能力强、速度快的优点。目前，为了减少高压断路器的故障，灭弧的方式多为无油或少油，未来随着科技的发展，10kv真空断路器将得到进一步完善，在高电压电力系统运营中发挥更大的作用。
2设计方案
高压断路器SF6在线监测系统由现场监测终端、数据管理中继装置、监测系统主机和数据管理分析系统组成，如图1所示。
该系统每组开关的A相、B相、C相开关分别安装1个监测终端。监测终端各种传感器经特殊设计的多通件采集SF6气体参数，每个监测终端通过无线射频组网，与数据采集中继装置进行数据交换。数据采集中继装置将各监测点数据通过无线射频网络传送至远方计算机管理系统。实时在线监测SF6气体的密度及含水量变化，监测气体的微量泄漏，随时掌握气体含水量、密度的变化并适时报警、闭锁设备操作，便于运行状况下SF6气体电气设备的控制。通过在线监测气体的密度值、含水值可以及时分析在警戒密度值以上气体短期内的微量泄漏率。
3硬件电路设计
3.1现场监测终端
监测终端主要由微处理器电路、压力、湿度变送器及AD采集电路、温度传感器电路，和ＲF收发电路组成。温度传感器转换的数字量通过I2C总线送CPU处理，湿度传感器、压力传感器模拟量经过信号处理经AD进行转换后送CPU进行数据处理，并将测得的数据通过无线射频通讯方式传送到数据采集中继装置。
3.1.1监测终端工艺设计
监测终端为整体不锈钢壳体，结构如图2所示。
3.1.2电路设计
湿度传感器DMT143、压力传感器us381－000002－010BG输出信号为4～20mA，电流信号经过采样电阻和射极跟随器变成直流电压信号，连接到AD芯片（ADS1115）的模拟输入端，经AD转换后送CPU芯片MSP430F2131进行运算。在微控制器的控制下，AD芯片将直流电压转换为16位的数字量，微控制器读取压力、湿度数据并进行信号处理。温度传感器TMP112在微控制器的控制下，直接将SF6气体的温度转换为12位的数字量，微控制器读取温度数据并进行信号处理。由温度和压力值通过气体方程计算气体密度，微控制器将采集数据打包后，由ＲF收发器发送到中继装置。温度传感器采用美国TI半导体生产的I2C总线型数字温度传感器TMP112。将气体的温度转换为12位的数字量，微控制器读取温度数据并进行信号处理。TMP112的测量范围为－40～+125℃，精度为0.5℃。
31.3监测终端无线射频通讯电路设计
射频通讯电路是基于高性能的无线射频芯片JTT4432以及高精度外围元件组成，工作于433/470/915MHz的通用ISM频段，带有调制器和解调器，发送时可以自动打包，接收时可以自动地址匹配、自动CＲC校验。发送和接收完毕后，其NIＲQ中断引脚会自动设置为高电平，以表示发送或接收完毕。Si4432提供给应用的控制器一个SPI接口，速度由微控制器自己决定，因此编程非常方便。其功耗非常低，以20dBm的输出功率发射时电流为85mA，在接收模式时电流为15mA，待机状态电流仅为2.5μA。JTT4432共有4种工作模式，分别为掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发送模式，其工作模式切换通过配置寄存器07H实现。
3.2数据管理中继装置硬件设计
数据管理中继装置由MAGE64单片机、信号变换整理、JTT4432无线收发电路、电源管理电路、键盘显示单元等组成。通过无线射频或总线方式接收各监测点的数据，微处理器对数据进行综合处理后打成数据包，无线或总线方式传送到远方。每个数据管理中继装置可管理32个现场监测终端，是整个监测系统数据管理和交换的关键。数据采集中继器装置的微处理器采用ATMEL公司生产的新一代高性能、低功耗单片机ATmega64。采用先进的ＲISC结构，全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），低功耗，ATmega64单片机的工作电压范围为2.7～5.5V，同时具有休眠模式及闲置（IDLE）低功耗模式，功耗为1～2.5mA。
4现场运行
监测系统在某变电站500kV开关进行整体调试并投入运行，多次现场测试，对远方数据进行遥测，经过比较分析，所有监测数据准确无误，数据传输流畅，各项指标达到了要求。
5结论
结合压力测量、温度测量、射频通讯技术设计了一套SF6气体密度、湿度及泄漏在线监系统，并应用于现场，解决了长期由于温度、压力测量方式影响而造成误差和无法准确真实测量设备的SF6气体真实情况的技术问题，提高了设备运行安全性。
参考文献：
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[4]黄新波．变电设备在线监测与故障诊运行断［M］．北京：中国电力出版社，2010．
论文作者:张诗佳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/26
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