C—GIS充气柜SF6气体状态综合在线监测装置设计

摘 要 C-GIS充气柜是一种小型化、智能化的GIS设备，是将GIS的SF6绝缘技术、密封技术与空气绝缘金属封闭开关设备制造技术进行有机结合的产物。本文详细分析了C-GIS的应用背景和GIS中SF6绝缘气体状态变化可能导致的严重后果，设计了一套C-GIS充气柜SF6气体状态综合在线监测装置。并对该装置的基本结构、功能及具体实现进行了全面的介绍。

关键词 C-GIS；温度；湿度；压力；在线监测

中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）15-0033-02

1 C-GIS充气柜的应用背景

C-GIS充气柜是将SF6绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关制造技术有机结合的产物，其利用低压力的SF6气体绝缘介质、固体绝缘材料以及特定的绝缘结构将将断路器、隔离开关、接地开关、母线等高压元件集中装在密封的金属箱体中，达到耐受额定绝缘水平的要求；各柜之间采用插接式绝缘母线或气体绝缘母线连接，由插接式电缆终端实现进出线，使整个高压系统处于完全封闭的状态，保证电能的安全高效传输。图1是ABB公司ZX2型GIS开关柜剖面图。

C-G1S具有体积小、免维护及安全可靠性高的显著优点，因而在国内外供电系统中得到了广泛的应用，以进一步降损节能、提高供电能力，提升配电网的供电能力和适应性，降低配电网损耗和供电成本，节省土地资源。本文所设计的C-GIS充气柜SF6气体状态综合在线监测装置就是为C-GIS设备的安全可靠运行提供强有力保障的监测控制系统。

2 对C-GIS充气柜SF6气体状态实施在线监测的必要性

由于SF6气体具有优良的绝缘、灭弧性能，在过去的几十年里，SF6气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的进展。然而，SF6气体状态的改变会对GIS设备的安全运行造成非常严重的影响，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气体状态变化造成绝缘和灭弧性能下降主要是以下几个方面。

2.1 SF6气体含水

SF6气体中水分的来源是多方面的：GIS在制造、运输、安装、检修的过程中都可能接触水分；GIS的绝缘部件本身也会带有0.1%～0.5%ppmv的水分，在运行的过程中慢慢的向外释放；GIS设备中的吸附剂也含有水分。水份是SF6气体中危害最大的杂质，GIS设备中的SF6气体含有水分并达到一定程度后，会引起严重不良后果，其危害主要表现为设备化学腐蚀、降低绝缘性能、影响断路器开断能力等。

2.2 SF6气体泄露

纯净的SF6气体，无色、无味、无嗅、无毒、无腐蚀性，在常温常压下化学性能稳定。但是，GIS设备中的SF6气体一旦泄漏也具有巨大的危害。具体体现为造成GIS绝缘耐压强度降低，绝缘击穿；GIS气室水分含量增加；SF6气体经电弧放电分解出的有毒物质泄漏和温室效应等。

2.3 SF6温度过高

GIS设备由于长期的运行可能会引起内部电触头的接触不良，使触头接触电阻变大，在负载电流流过时会产生发热现象，导致SF6气体温度升高。同时，外界环境温度的变化也会对SF6气体温度造成一定程度上的影响。

SF6气体温度升高会使SF6的整体绝缘性能下降，严重时甚至击穿，进而引发短路，形成重大事故，造成重大经济损失。此外，SF6气体温度的变化还影响到GIS中的水分含量。据有关研究表明，SF6设备气体水分含量随温度的升高而升高。

正是由于SF6气体状态变化可能造成的危害，国家电网公司制定专门技术规范，要求对GIS设备中的SF6气体定期开展预防性试验，以防止上述危害的发生。随着电气设备状态检修技术的越发成熟，开发一套能够实时监测SF6气体状态的在线监测装置取代预防性试验也就成为了一项非常必要的课题。

3 C-GIS充气柜SF6气体状态在线监测装置的功能和原理

本文设计的C-GIS充气柜SF6气体状态在线监测系统可以实现对C-GIS中的SF6气体状态的在线监测与趋势预测，监测项目包括SF6气体温度、微水含量和气体泄露情况。监测数据和信息通过相应的软件设计在上位工控机上以友好的人机对话窗口显示，显示项目包括SF6气体温度、压力、微水含量的数值量及变化曲线和相应的超限报警信号。此外，装置还具有监测数据存储查询等功能。图2是该装置的原理框图。

装置的基本实现原理是：将温度传感器、湿度传感器和压力传感器封装，集中内置于C-GIS气室中采集SF6气体状态信息，传感器检测信号为电压信号输出，再通过屏蔽线传输至下位机进行A/D转换处理成数字信号，并转换为ASCII码。下位机选用Atmel公司的Atmega16高性能、低功耗8位AVR单片机作为主控制芯片。下位机完成数据转换后，根据上下位机之间的通信协议，通过串口将三路SF6气体状态信号（温度、湿度、压力）的ASCII码经RS485线传输至上位机，利用上位机强大的运算能力完成对SF6气体状态信息的最终处理。

4 在线监测装置的具体设计

4.1 数据采集单元设计

数据采集单元的任务是采集SF6气体状态信息。该单元将温度传感器、湿度传感器和压力传感器整合封装，安装于C-GIS气室中采集SF6气体状态信息。传感器输出信号连接到Y11型电连接器的电极上，由Y11型电连接器将信号输出。由于C-GIS结构紧凑，气室容积小，一套传感器所采集的信息就基本能够反映采集整台C-GIS的SF6气体状态，使得系统结构大为简化。

4.2 下位机单元设计

下位机单元由主处理模块，显示模块和通信模块三部分

组成。

主处理模块选用Atmel公司的Atmega16高性能、低功耗8位AVR单片机作为主控制芯片。Atmega16具有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器；用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程；三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。图3是下位机主处理模块硬件电路图。

显示模块选用OCM12864液晶显示。OCM12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。

通信模块选取标准的RS-485接口作为下位机与上位机的通信接口，通过串口将经主处理模块转换后的传感器信息传输至上位机。通信采用半双工方式，每30秒传输一次信息。

4.3 上位机设计

上位机主要通过软件设计实现其功能，本装置选用虚拟仪器软件LabVIEW进行编制。LabVIEW是专业的测控软件，使用该软件进行编程可以缩短开发时间，并且开发出的界面美观，便于修改和扩展。本文所设计的C-GIS充气柜SF6气体状态综合在线测温装置主界面如图4所示。

从图4可见，该装置可实时监测SF6气体压力、温度和含水量（均为折算到20℃的值），并与用户自己设定的阀值进行比较，在超标时可发出红色报警指示，监测值以数值和曲线两种方法表示；同时，应用LABSQL组件实现监测数据与Access数据库的接口，可将监测数据以标准格式存储到Access表格中，以利于对监测数据进行历史查询。

5 结束语

该装置应用于C-GIS充气柜中，可以对其SF6气体状态的变化进行实时在线监测，并能够根据实际运行情况发出不同警报，用户可以通过友好的人机对话界面查看SF6气体的实时状态，并可自主设置报警阀值以适应不同条件的需要。装置既可以独立工作，也可以依据实际需要与变电站综合自动化系统相连。此外，如果根据不同电压等级GIS的特点和监测项目对装置的软硬件加以改造，该装置完全能够应用于各电压等级的无人值守GIS变电站。

参考文献

[1]罗学琛.SF6气体绝缘金属全封闭组合电器（GIS）[M].中国电力出版社，1999.

[2]曲明鑫.气体中的水分管理[J].中国电力，1994（7）.

[3]陈新港.环境温度及湿度对SF6断路器中微量水分的影响及控制措施[J].高压电器，2004，40（1）.

[4] Q/GDW-10-316-2007.20kV交流气体绝缘金属封闭开关技术规范[S].江苏省电力公司企业标准，2007.

[5]刘刚.LabVIEW8.2中文版编程及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

作者简介

童伟（1980-），男，硕士，工程师，主要从事电力系统设计方面工作。

王晓霏（1980-），男，本科，工程师，主要从事变电站电气设计方面工作。