SF6氣體密度在線微機測量系統

　　1 引言

　　SF6氣體是一種無毒、無色、無味，化學性能極穩定的物質，具有優異的滅弧和絕緣性能。目前，SF6氣體廣泛應用于電力企業的電氣設備中，如SF6斷路器、SF6高壓組合電氣設備(GIS)等。在電力企業含SF6氣體設備的使用中，SF6氣體如產生泄漏，將直接影響電氣沒備的絕緣性能，甚至發生重大事故。同時，泄漏的SF6氣體由于被電弧分解或與空氣中的一些成分發生反應，生成有毒的氣體，將會對工作人員產生巨大危害。因此，對這些設備中SF6氣體密度的監測至關重要，SF6氣體的密度是電力企業安全運行的重要參數之一。

　　傳統的監測手段是通過機械式指針儀表來測量設備中SF6氣體的密度。雖然也有報警輸出，但測量數據不能遠傳，不利于組成在線監測系統，給安全生產帶來隱患。同時，由于電氣設備安裝的限制，很多測點位于很難直接觀測到的位置，給日常的測量和記錄帶來很大麻煩。

　　本文提出的SF6氣體密度微機測量系統是一種在線SF6氣體多參數采集系統，它具有自動快速地進行氣體壓力數據采集、溫度補償、精確計算氣體密度等處理功能，從而實現電廠在生產過程中對SF6氣體密度進行實時監測以及歷史數據分析，以達到最佳的管理效果。

　　2 系統結構

　　本系統由密度變送器、微機測量系統兩部分組成。其中微機測量系統包括數據采集站和客戶端兩部分。客戶端設在調度室，采用臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業控制計算機。數據采集站設在含SF6氣體設備的工作室內，由下位機和上位機組成，采用臺灣研華(ADVANTECH)公司的IP-PC平板電腦Industrial Panel PC系列作為上位機，以西門子(SIEMENS)PLC(可編程控制器)作為下位機，系統結構如圖1。

　　通過以上的集散式采集方式，使系統具有開放式的結構。可根據現場的測量點數，組合成各種規模的測量系統。

　　3 密度變送器

　　SF6氣體狀態參數計算可用Beattie-Bridgman公式表達

　　式中：p為壓力(Pa);γ為氣體密度(kg/m3);T為氣體熱力學溫度(K)。

　　根據式(1)，當氣體密度γ不同時，可得到SF6氣體壓力與溫度按不同的斜率成線性變化的關系，SF6氣體壓力-溫度成一組狀態參數據曲線簇，如圖2。

　　密度變送器的敏感元件采用溫度、壓力復合傳感器芯片。復合傳感器是通過一系列特殊的工藝，在一個硅片上集成壓力傳感器和溫度傳感器。可以感受設備內部同一點SF6氣體的壓力和溫度。這樣，通過式(1)，可計算出SF6氣體的密度。

　　密度變送器的電路部分采用微處理器智能處理技術，單片機采用C8051F023微處理器芯片。C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，功能完善，設計靈活。壓力和溫度信號通過輸入信號處理電路接入模數轉換器件AD7705。AD7705是利用∑-△轉換技術實現了16位無丟失代碼的模數轉換芯片。單片機完成數據采集后，計算出SF6氣體的密度，通過D/A輸出4～20 mA標準信號給微機測量系統。

　　密度變送器的機械結構設計也很重要。如果傳感器密封不好，或傳感器與高壓設備的連接設計不合理導致SF6氣體泄漏，將會給安全生產帶來巨大威脅。因此，在設計中采取了以下多項措施，保證變送器密封：

　　①密度變送器的安裝位置與指針密度表的安裝位置相同，串聯連接，截止閥控制，如圖3所示。

　　②傳感器采用全焊接結構，傳感器本體的隔離膜片和TO座及本體與連接件之間氬弧焊接。承受壓力7 MPa(70個大氣壓)以上，超過設計壓力(0.7 MPa)10倍，徹底解決可能出現的泄漏問題。

　　③密度變送器安裝前要經過打壓試驗，安裝后，還要用便攜式檢漏儀檢漏，以確保變送器密封。

　　4 微機測量系統

　　測量系統包括數據采集站和客戶端兩部分。

　　4.1 數據采集站

　　數據采集站分為下位機和上位機兩部分。

　　下位機采用西門子(SIEMENS)PLC(可編程控制器)S7-300系列，完成對密度變送器信號的采集。在一個SF6設備工作室內，可根據測量點數設計PLC采集模塊的規模。各不同的SF6設備工作室也可以由一條PROFIBUS電纜組成下位機系統。S7-300的CPU模塊把采集到所有密度數據通過工業通訊網卡把數據傳給上位機。

　　上位機采用研華(ADVANTECH)公司的Industrial Panel PC平板電腦。IPPC平板電腦采用不銹鋼結構，LCD采用鋼化玻璃保護，符合NE-MA4/IP65標準。使工業控制計算機得到可靠的防護。Soket370結構CPU使IPPC工業電腦的硬件結構更加穩定、可靠。采用15英寸(380 mm)XGATFT LCD顯示屏，使操作更具人性化。分辨率為1024×768，色深256 k。CPU為P42.4G，PCM-957181CPU板;操作系統采用WINDOWS2000。完成所有數據的采集并實時顯示，在畫面上為實時狀態圖和實時參數表分別顯示，同時完成實時報警、趨勢曲線、歷史數據存貯等功能。

　　4.2 客戶端

　　很多SF6設備工作室為無人值守，為了能使測量數據及時地顯示給工作人員，數據采集站的上位機設計了網絡接口，與調度室的客戶端計算機組成點對點的網絡。這樣，一旦有報警發生，調度室的工作人員第一時間就能從彈出的實時報警窗口中了解到故障出現的具體位置。

　　客戶端為臺灣研華(ADVANTECH)公司的工業控制計算機。硬件組成與現場計算機相同，配接打印機，完成與數據采集站的通信，同時在調度室完成所有現場計算機具有的顯示功能，并具有網絡報警、網絡數據庫、報表打印功能。

　　同時，可以通過客戶端的計算機，使測量數據、顯示頁面上傳到企業的局域網。這樣，企業的相關管理部門也可能通過網絡，及時地了解SF6設備工作室各測點SF6氣體的密度。

　　5 軟 件

　　采集站和客戶端采用同一種組態軟件，軟件底層采用MICROSOFT公司WINDOWS2000操作系統。組態軟件采用北京亞控公司的工業組態軟件——組態王6.5進行編程。界面包括登錄、實時狀態圖、實時參數表、報警窗口(實時報警窗口和歷史報警窗口)、歷史曲線、報表打印等。

　　本系統已在國內某大型電力企業中實際應用，測量點數超過了200點，于2004年9月投入運行。整個系統一直運行安全、無泄漏發生、測量準確、運行可靠，軟件界面友好、工作穩定、使SF6氣體的監測有了實時性和可靠性保證，提高了勞動生產率和工作效率。使用中成功地對某氣室中SF6氣體的密度過低進行了報警，給生產管理提供了安全保證。目前，已成為該企業控制生產運行的安全性所必不可少的系統之一。