SF6气体泄漏监测与报警系统

姜家旭　王恺笛　徐鹤铭　梅宏志　江昕

【摘 要】目前已有的SF6气体浓度测量手段，是借助超声波技术监测和高压负电晕放电完成检测。超声波技术监测是利用超声波在不同摩尔质量的气体中不同的传输速度，对空气中泄漏的SF6气体进行检测，但该技术对SF6浓度高的检测更加精确，对微量的SF6气体检测不适用。本文通过在太平湾发电厂户外SF6开关区域，设计安装了SF6气体泄漏监测与报警系统。针对SF6泄漏监测与报警系统展开深入探究。

【关键词】SF6气体泄漏监测；报警系统；数字信号处理技术

0 引言

SF6气体以其优异的绝缘和灭弧性能，在电力系统中得到了广泛应用，几乎成为了中压、高压和超高压开关中所使用的唯一绝缘和灭弧介质[1]。在使用SF6气体为绝缘和灭弧介质的室内开关在使用过程中发生泄漏时，SF6气体一经泄漏其分解物质，会往室内底层空间积聚，造成局部缺氧和带毒，对进入室内的工作人员生命俺去构成严重威胁。开展SF6气体泄漏监测与报警系统的研究对水电厂意义重大。以红外光谱吸收为检测手段的在线监测方法，具有准确可靠、反应迅速、易于测量、易于记录，实用性强等特点。对SF6/O2气体浓度的变化来准确判断设备内是否造成SF6气体浓度超标或缺氧的情况发生。

1 系统概述

1.1 工作原理

通过针对高压开关设备内部的SF6气体浓度，以及具体的反应发生变化情况时，SF6气体的具体吸收类特性，以及相应的浓度之间所存在的主要关系，由而对SF6的气体浓度是否发生相应变化完成判断。之后根据经过判断SF6气体浓度，从而判定浓度是否超标之后完成实时报警[2]。此种系统的工作原理是构建在光学、力学、声学以及电子、工业等多种领域原理知识，适用于电力系统、SF6开关室、GIS室、SF6主变等进行SF6气体的长期在线实时监测。

1.2 系统主要构成

本次研究中的SF6气体泄漏监测与报警系统开发，是基于SF6气体浓度检测基础之上研制的，该系统主要的结构功能构成包括三部分[3]：（1）采集器 该模块功能主要是为了能够对所泄漏的SF6气体完成收集，该结构是整个泄漏检测系统的主要采集功能端；（2）分析模块 该模块的主要功能是经由气路以及传感器所组成的，气路通过应用于对每一个采集端所收集的SF6泄漏气体进行抽取分析，之后借助传感器部分完成对气体的成分分析，进而经过一系列的计算得出SF6以及氧气的相应含量，之后经由无线传输的方法，将经过计算的数据发送至主机设备；（3）主机 该模块的主要功能实现了系统性的人机界面，该模块通过将各个采集器之间的经过计算数据得以显示，将各类报警数据完成储存，在报警过程中会联动警报器持续发出声光报警。

2 系统硬件及软件设计

2.1 系统硬件设计

该技术是采用朗伯比尔定律，当特别波长的光经过被测气体时，光强的减弱与被测气体的含量符合朗伯比耳定律。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红光有吸收，其吸收关系服从朗伯—比尔（Lambert-Beer）吸收定律。

设入射光是平行光，其强度I，气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时，根据朗伯—比尔吸收定律：dI/I=-KdN，式中K为比例常数。

传感器采用了双光束检测原理，一路測量光束，一路参比光束，与单光束相比，双波长双光束技术可以避免因为光源的老化、采样池和检测器表面污染而引起的漂移。参比通道的被调制的特定波长的单色光不会对被测量气体产生吸收。它产生一个稳定的信号，此信号只受外部影响而变化，不受被测量气体影响。具有抗其他气体干扰，长期稳定性好，寿命长、精度高等特点。

2.2 系统软件设计

该系统的主要软件组成包括两部分[5]：其一就是FPGA的采样及计算，通过借助Quartusil环境完成系统语言功能开发，之后在FPGA内部嵌入ARM软核，将FPGA完成测量计算数值转换送至ARM软核内，得出相应的数据有效值。其二就是DSP的SF6气体浓度检测分析功能，通过借助C语言开发以及（下转第151页）（上接第147页）汇编语言完成开发，主要的系统软件功能包括了SF6气体的浓度检测，以及O2气体的浓度检测、zigbee无线通讯、触摸屏人机界面及控制回路。

2.3 该系统运行测试结果

今年12月将该系统安装于太平湾发电厂一户外SF6开关场，进行了现场模拟测试，在采集器附近释放微量SF6气体，现场警灯立即报警，并通过zigbee无线通讯，将报警信号传输至办公楼的主控室（主控室安装有报警系统主机），主机实现对报警数据的存储盒查询。

本次研究的SF6气体浓度泄漏监测报警系统，在应用中通过采用SF6非分散红外线技术NDIR传感器[6]，有效的解决了由于光源发生老化、采样池和检测器表面出现多种外在污染因素，所引起的漂移、手外部影响而变化等问题。该系统在应用过程中，具备了较高的可靠实用性，在线监测系统更是有效的实现了监测控制、报警、数据记录和信息远传等功能，具有实时性好、可靠性高、免维护等特点。

3 结语

在本次研究中通过设计SF6气体泄漏浓度检测和报警系统，有效的解决了SF6气体浓度在检测过程中的诸多困扰，提升了误报率和稳定性，并且很大程度的避免了环境因素等造成的系统影响。通过借助优化数据类处理方法，采用SF6非分散红外线技术NDIR传感器，很大成效的提升了整体的数据处理速度，并且增强了数据的整体准确稳定性，减少了成本的投入，更在户外开关SF6信号采集方法和传感器安装方案等方面取得了实际经验，为户外SF6气体泄漏浓度检测和报警系统，取得商业应用绩效提供了必备的运用条件。

【参考文献】

[1]任峰峰.TK-EM8000SF6开关室环境监测报警系统的应用[J].电气技术，2013，14（8）：96-97.

[2]石静，赵震杰.变电站GIS室SF6气体泄漏监控系统的设计[J].电脑知识与技术，2012（11X）：7849-7853.

[3]杨润生.SF6气体泄漏监控报警系统在GIS高压组合开关室中的应用[J].中国高新技术企业，2013（18）：31-32.

[4]星成武，薛鹏生.高速铁路牵引变电所SF6气体监测系统的应用研究[J].工程技术：引文版，2016（9）：00094-00095.

[5]杨轶男，王本明.浅析110kV变电所SF6监测报警系统应用[J].城市建设理论研究：电子版，2012（21）.

[6]续文浩，宿筱.基于ZigBee的高压开关SF6气体泄漏监测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2014（1）：59-61.endprint