基于无线通讯的SF6气体湿度及密度的在线检测方法(超高压公司_殷红霞)

2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文基于无线通讯的SF6气体湿度及密度的在线监测方法新疆超高压公司检修工区殷红霞[摘要]介绍了一种基于无线通讯使用低湿相对湿度传感器的SF6气体湿度及密度的在线监测方法，详细介绍了SF6气体温度、压力与SF6气体湿度、密度之间的关系。[关键词]SF6气体在线监测湿度温度压力密度前言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。影响SF6气体绝缘性能主要有SF6气体密度（泄漏）和湿度两个方面，对SF6设备中SF6气体的检漏和湿度的检测是保证设备正常安全运行的两个重要内容。目前，SF6气体的检测主要用湿度检测仪和密度继电器。变电站SF6气体的湿度现场检测大多采用湿度检测仪定期巡检的方法测量，测量时都需要停电，无法做到在线检测，每次检测均需排放15—30分钟SF6气体，易对环境造成污染，测试过程需要近1小时的时间才能获得测试数据，通常在对一个气室进行2—3次测试后就需对SF6设备补气。为了克服现有检测方法的不足，减少日常维护工作量，在不排放SF6气体的前提下，实现SF6气体湿度和密度变化的在线监测，并将监测数据和报警信号无线传至主控室，为SF6设备实施状态检修提供技术保证，SF6气体在线监测系统得到了广泛应用。1SF6气体微水及密度在线监测原理SF6气体湿度及密度在线监测系统需要采集SF6气体的湿度、压力和温度三个特征物理量，并对这三个特征物理量信号进行采集、预处理、传送、存储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程。因此，在线监测系统可由安装于SF6设备处本地的监测仪和主控室的监控计算机系统组成，而SF6设备处的监测仪由传感器（相对湿度、温度、压力）、单片机、液晶显示、无线通讯控制器组成，主控室的监控计算机系统由监控计算机、打印机、无线通讯控制器组成。一台计算机可以与256台SF6在线检测仪进行通信。计算机可以随时向SF6在线监测仪请求当前的湿度、温度、压力、密度探头信号数据。PC机与单片机的通信方式为:PC机采用主控方式,单片机采用中断方式。每个单片机都有一个“本机”地址,以便计算机对其寻址。工作原理图2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文1.1本地在线监测仪本地在线监测仪的传感器主要由3部分组成:湿度传感器、温度传感器和压力传感器。为了便于随时装卸,设计了一种转接装置，将传感器安装于转接装置，转接装置再与设备取气口连接，通过取气口使传感器与被测气体连通。这样,SF6设备的湿度变化时,由于自然扩散的作用,安装于设备取气口外部的湿度探头也可以在较短时间内检测到SF6设备中湿度的变化。SF6气体中湿度的检测属于低湿度测量的范畴,因此该系统选用的是适于低湿环境测量的电容型湿度传感器HM1520,具有长期稳定性好、灵敏度高、响应快等优点。温度传感器采用的是AD592,该器件具有良好的线性和互换性,测量准确度高,并具有消除电源波动的特性;压力传感器选用的是压阻应变式压力传感器。为了方便本地观察，本地也装有液晶用于显示SF6气体中湿度、密度、温度。HM1520电容式低湿传感器，其特性敏感为物理吸附特性，介电常数εr为2～7,感湿材料随周围环境相对湿度（RH）的大小成比例地吸附。水分被吸附后，材料介电常数会大大提高，能在1%～100%RH范围内进行全程测量，具有长期稳定性好、反映速度快、测量精度高、可靠性强等特点。该传感器为电压输出型，具有能长期处于低湿环境下工作、功耗低、年漂移少等特点，在低湿环境下具有很高的测量精度，如下图所示。2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文图1HM1520测量精度示意图由图可见，在相对湿度低于17%时，其测量误差可控制在±2%；当相对湿度为40%时，其测量误差也只有±4%。这表明其线性度和可行性达到了使用测量的要求。23℃时，变送器相对湿度与输出电压的关系见图2。图2变送器相对湿度与输出电压的关系图2中所示等式可以用于超过30%RH，在1%～30%RH测量时，温度对输出没有影响（0～50℃），不需要温度补偿。计算公式RH=0.195Uout/US-38.5是由HM1520说明书提供，本文其他测量计算公式也依据此说明书公式完成。1.2主控室的监控计算机系统：主控室的监控计算机系统主要用于对整个监测系统及监测数据的管理。2密度与温度和压力的关系对SF6气体密度计算及20℃压力换算，由于SF6气体分子量比较大，理想气体状态方程不适用，比较准确而实用的SF6气体状态参数计算式可用贝蒂一布里奇曼Beattie-Bridgman状态方程：2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文由(2)、(3)、(4)式可以看出，在确定压强P和温度T后，只须通过解一个三次方程即可得到此时SF6气体的密度γ。在进行编程计算时，采用牛顿叠代法进行求解。经4次计算即满足精度，R误差2．O％以内。计算得到SF6气体的密度y后，令T=20+273，再通过(2)式计算出当前SF6气体在20℃时的压强P4。3采用HM1520传感器为核心的湿度计算算法由于SF6气体中水分含量较低，不同于通常的湿度测量，因此采用1K铂电阻压力传感器和PT100温度传感器，同时考虑了压力和温度对湿度的影响，成功地测量了相关压力、温度及湿度的值，并实现了将测量的湿度实时值换算成20℃时的湿度值。有关湿度的计算方法如下：3.1相对湿度计算：RH=0.195Uout/US-38.5式中，Uout为传感器输出电压,mV;US为系统电压，取5V，则RH=0.039Uout-38.53.2实时湿度计算：实时湿度的测量和计算在相对湿度基础上，结合了23℃时的对应关系，以及大气压对湿度的影响。其测量值与实时温度下的饱和水气压、23℃时的SF6气体饱和水气压、大气压和测量时的SF6实时压力值有关，计算公式（按HM1520说明书提供）如下：KS=K23P大PS/P2P3式中，PS为实时湿度饱和水气压，PS=RH·P2，Pa；P2为23℃时SF6气体饱和水压力，取P2=2810.06Pa；P大为大气压；P3为SF6气体实时测量压力；K23为23℃时水分体积比，；KS为实时湿度。由此可以换算出23℃时大气水分体积比K23=10.75Uout-10615将此式代入KS表达式中得2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文KS=（10.75Uout-10615)PSP大/P2P33.3修正为20℃时的湿度计算：由于温度变化对SF6气体温度影响较大，所以通常采用同一温度下测量或修正成20℃状态下的数值作为分析SF6气体湿度变化的依据。修正为20℃状态下SF6气体湿度体积比的常用公式称为归一修正计算方法［4］，该计算方法得到了长期试验的验证，修正公式为K20=H1P3P2S/P4PS式中，K20为20℃时的微水体积比，μL/L;H1为水分的实际测量值（即实时湿度计算值KS）；P3为测量时SF6气体的压力值；P4为换算到20℃时的SF6气体压力值；PS为测量时测量温度下的饱和水气压；P2S为20℃时的饱和水气压。把水分的实际测量值KS等同于H1代入方程可得K20=（10.75Uout-10615)PS×P大P3P2S/P2P3P4PS上式可简化为K20=（10.75Uout-10615）P大P2S/P2P4SF6气体在20、23℃饱和水气压对应的数值分别为2338.54、2810.06Pa，即P2S=2338.54Pa;P2=2810.06Pa。代入上式中有P4为换算至20℃下SF6气体的压力。上式表明，SF6气体在经过本方法的测试后，可以得到实时的湿度值，并可经过本公式换算出在20℃状态下的湿度值K20。4无线通讯原理基于ZigBee技术，采用FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5~10-6。大量应用于高压强干扰的电力系统监控。在空旷环境，天线安装位置离地面高度大于2米的情况下，可靠传输距离可达3000m(BER=10-3/1200bps)。5结论在线监测系统可方便监测到SF6气体的密度及湿度，并根据采集单元的数据可以在上位机绘制成曲线，随时了解SF6气体的真实状况，为SF6设备实施状态检修提供依据。2010年新疆电力行业专业技术监督工作会议论文参考文献：[1]官章全。詹晓卫．VisualC++6．0鳊程实例详解[M]．北京：电子工业出版社，2000．[2]黎斌．SF6高压电嚣设计【M]．北京：机械工业出版社。2000．[3]王晋根,黄弘.SF6电器中微水过量的危害及采标建议[J].高电压技术,2002.[4]罗飞,陈伟根,陈新岗.SF6气体中微水含量在线监测方法[J].高压电器,2004.