基于GIS拆装智能平台的环境监测技术

张弛 钱平 郑雷 邵先军 李俊民 黄展先

摘 要：综合考虑各种环境因素对GIS户外安装及检修的影响，对基于GIS拆装智能平台的环境监测技术进行了研究，提出了满足GIS户外安装及检修的环境要求，设计了一套用于GIS拆装智能平台的的环境检测系统，大大提高了GIS户外安装及检修的质量保证。

关键词：GIS拆装智能平台；环境监测系统；户外安装及检修

中图文分类号：TP29 文献标识码：A

Abstract：This paper considers the impact of various environmental factors on the outdoor installation， inspection and repair of GIS，studies the environmental monitoring technology based on the intelligent GIS disassembly and assembly platform，sets out the environmental requirements concerning the outdoor installation，inspection and repair of GIS，and designs an environmental monitoring system for the intelligent GIS disassembly and assembly platform， which significantly improves quality assurance of the outdoor installation，inspection and repair of GIS.

Keywords：intelligent GIS disassembly and assembly platform；environmental monitoring system；outdoor installation， inspection and repair

1 引 言

在電力系统中，有众多类似于变电站的无人值守的工作区域，同时从实际角度出发电力系统又需要对发生问题的区域做出更快的反应，一旦发生问题必须进行应急反应，及时补修将损失降到最低。将智能化的运行环境监测系统应用到变电站中，将对变电站内的各项指标进行采集和分析，并将数据及时传输至统一的管理平台。这将大大促进变电站乃至整个电力系统的智能性，保证电力系统正常运行[1]。

相较于传统的裸露式高压配电装置，以SF6气体为绝缘介质的绝缘金属封闭开关设备GIS（Gas Insulated Switch gear）具有体积小，设备故障率低、维护量小等优点，广泛应用于电厂、变电站等场所。据相关资料统计和运行经验表明，GIS源于制造厂造成的故障约占GIS总故障的26%、源于现场安装施工造成的故障约占GIS总故障的40%、源于设计造成的故障约占GIS总故障的7%、源于其他原因造成的故障约占GIS总故障的27%，其中施工环境极大的影响了现场安装施工的质量[2-4]。因此，综合考虑湿度、粉尘等环境质量因素对GIS安装的影响，确定满足GIS现场拆装的环境要求并提出适用于GIS拆装智能平台的环境监测技术，对提高安装质量具有非常重要的意义。

2 影响GIS现场拆装质量的环境质量因素的种类

纯净的SF6是一种绝缘性能和灭弧性能都非常良好的气体，而当其中混入水分时，气体绝缘和灭弧性能都受到影响，严重时会发生闪络击穿。含水量较高的气体在电弧作用下生成的酸性物质，会腐蚀固体有机材料和金属，缩短设备寿命。除去新气中自带的一定量水分，GIS装配过程中带入的水分是造成SF6气体含水量增大的最主要原因。安装工作要求在空气相对湿度小于80%的条件下进行。

环境温度对现场产品安装检修质量的影响主要体现在对气体含水量的影响上，GIS产品装配一般规定在一定的温度范围内进行。温度过低时，待安装的壳体、绝缘件、导体等零部件从空气中吸收水分；组装完成后，当环境温度升高时，零部件中的水分会渐渐释放到SF6气体中，严重影响产品的绝缘性能。当现场安装检修时间如果遇到温度由高温急剧降低时，处于空气中待安装的壳体、绝缘件、导体等零部件会在表面形成凝露，严重时甚至发生流水现象，这时组装的产品含水量将会受到极大影响[5-7]。

风力达到4级时就会吹起地面及其它物体上的灰尘等颗粒物，严重影响施工场地的空气洁净度进而影响气室的净度；无风时又不利于拆装中设备有毒气体的扩散。因此，对风速的控制也是影响现场产品安装检修质量及人身安全的重要因素。

另外对于GIS绝缘来说，灰尘、金属屑、纱纤维等颗粒物容易积存在壳体的底部，尤其是垂直壳体和管道的水平盘式绝缘子的上表面处。在高电压作用下，颗粒物开始漂浮，当颗粒物运动到电场较弱处，特别是迁移到壳体边缘或盘式绝缘子边缘时，气体发生局部放电。轻则造成绝缘试验不通过，重则造成绝缘子的绝缘性能永久性破坏，设备损坏，财产严重损失。因此，保证空气净度是GIS安装时质量控制的关键，施工环境中颗粒物含量应被严格控制，要求无风沙，无粉尘。

3 基于GIS拆装智能平台的环境监测技术

在GIS拆装智能平台的应用中，环境监测占据着重要的地位。通过对影响GIS安装质量的环境指标的监测，对施工现场的环境进行有效地控制，来保证GIS的安装质量，正是研究环境监测的意义所在。

3.1 环境监测系统的设计

提出一种以单片机为核心的便携式多参数环境监测装置。用户通过设定监测组数及每组监测的时间间隔，使单片机在特定时间段、时间间隔内采集环境数据并将数据进行反馈和处理。整个系统由数据采集、数据处理、显示、无线通信和自动报警五个主要模块组成。监测系统具有测量范围广、测量精度高、具有声光报警功能、报警参数可以根据用户需要设定更改、安装方便，可以固定在GIS拆装智能平台的运输车上，随车移动等优点。基于MSP430F167的环境监测系统框图见图2

3.1.1 微处理器选择

选用IT公司的MSP430F167微处理器作为主控芯片，该芯片功耗极低、处理速度快、抗干扰能力强、成本低廉、运行稳定行高，现已广泛应用于民用及工业生产各个领域。芯片工作温度为-40℃至80℃。

3.1.2 温湿度检测

在测量温湿度方面，选用DHT22（AM2302）数字温湿传感器作为采集器。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，含有一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，在对环境温度与湿度测量要求较高的情况下使用，具有极高的可靠性和出色的稳定性。传感器测量范围为-40℃至80℃，精确度达到0.1℃。

3.1.3 粉尘检测

粉尘检测原理图见图3。通过抽气泵将待检空气吸入光学系统所在的暗室中，经过大功率LED光源照射，将粉尘的散射光射在光敏感区的光电倍增管上。光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件，它输出的电流和照射到阴极的散射光成比例关系，而受到光照时粉尘的散射光强又正比于其质量浓度，因此，通过测量光电倍增管输出的电流即可计算出被测粉尘的质量浓度。粉尘检测电路原理图见图4。

3.1.4 风速监测

采用一个带扇叶的直流电机装置，风吹过扇叶带动电机转动，产生直流电压。将直流电压接入主控芯片的ADC（数模转换器）接口，利用风速与转速成正比、转速与直流电机电压成正比的关系，通过编程将电压输入转化为0-30m/s的风速数据。

3.1.5 显示系统

采用HT16K33 mixly 8 × 8 LED点阵，该点阵模块采用HT16K33芯片作为驱动，可以仅仅使用2个IO管脚就能驱动点亮I2C点阵模块。通过编程转换将芯片接收到的环境数据在LED点阵上滚动播出。

3.1.6 自動报警装置

由扬声器和指示灯组成。通过编程实现，当检测结果超出给定数值时，由芯片控制报警模块接入电源，扬声器发声，指示灯亮。

3.1.7 无线通信

选用爱立信公司的蓝牙模块ROK101008来实现处理器与上位机的通讯。该模块具有蓝牙通讯功能，能够将单片机采集的数据和要发送的信息无线传输给具有蓝牙功能的手机，电脑等上位机[7-10]。

4 GIS户外安装及检修的环境要求

为了满足GIS户外安装及检修的环境要求，国家电网公司、南方电网公司和各级产品制作商都作了大量的研究，摸索出一套行之有效的规定。

施工现场作业区内不得进行产生粉尘及金属微粒的工作，不得在风沙的天气施工，不得在阴雨天施工，不得在有昆虫、苍蝇、蚊子飞舞的状况下施工。

空气质量按照空气质量指数（IAQI）大小分为六级，相对应空气质量的六个类别，指数越大、级别越高说明污染的情况越严重；根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633-2012）规定：空气污染指数划分为0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300六档，对应于空气质量的六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对应颗粒物（粒径小于等于10μm）24小时平均浓度限值见表1。

电网公司规定，装配施工时，作业区内灭弧室安装时空气洁净度等级应达到或优于 8 级，其它部件安装时空气洁净度等级应达到或优于 9 级。因此为了保证产品质量，必须选择空气质量指数优（0-50）的条件进行，也就是PM10≤50 μg/m3。

综合以上考虑，总结出GIS智能拆装平台的环境监测具体指标要求：①PM10参数值大于50 μg/m3时；② 湿度大于80%时；③风速达到7.9 m/s时（对应风力4级）三个报警值并列存在，只要一个参数报警，施工现场就应停止进行安装检修工作，从环境因素方面确保产品的质量。

5 结 论

阐述了各种环境因素对GIS户外安装及检修的影响，提出应用于GIS智能拆装平台的环境监测技术，最后结合电网公司的规定及用户探索，确定了满足GIS户外安装及检修的环境要求，作为监测系统的报警条件：①PM10参数值大于50 μg/m3时；② 湿度大于80%时；③风速达到7.9 m/s时，根据三个报警参数设计了GIS户外安装及检修监测系统，为GIS拆装提供环境保障。

参考文献

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