六氟化硫断路器液压油检测系统设计

王瑞英，韩丹丹，杨学存

（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐，830011；2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安，710054）

0 引言

六氟化硫断路器在电力供应系统中的广泛应用，得益于它的性能优势，与其他类型的断路器相比，六氟化硫断路器中具有很强的介电性能并且其结构相对简单，容易维护，能够稳定可靠的运行以及具有较强的灭弧能力。断路器操作杆的液压系统正常工作是保证断路器每一次正常开断的关键。液压油是液压传动系统中用来传递能量的液体工作介质，除了传递能量外，它还起着润滑相对运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。恶劣的环境对六氟化硫电气设备中使用的液压油有巨大的影响。液压油污染是设备发生故障以及使用寿命降低的主要原因，因此有必要对液压油进行不定期的检测，掌握其污染信息，进而减少机械故障，降低故障带来的损失，保证设备安全运行[1]。

1 检测系统总体方案设计

系统将油液检测传感器安装在专用的导油模块上，通过自吸的方式将油液从导油模块进油口流入，途经传感器再从出油口流出，油液在流过导油模块的整个过程中传感器将会采集数据。系统包括供电电源模块、水分测量模块、颗粒检测模块、粘度检测模块、显示模块及报警模块。这些模块的相互协调工作，构成了整个液压油检测系统。整体设计方案如图1所示。

图1 系统整体设计方案

图2 时钟系统电路原理图

图3 复位电路原理图

图4 电源电路原理图

2 系统硬件的设计

2.1 微控制器最小系统设计

本系统采用STM32F103ZET6作为主控制器[2][3]，具有64KB的SRAM，512KB的FLASH，2个基本定时器，4个通用定时器，2个高级定时器，3个SPI，5个串口，1个USB，1个CAN，3个12位的ADC，1个12位的DAC，1个SDIO接口，1个FSMC接口以及112个通用I/O口。其最小系统主要包括时钟系统、电源和复位。其电路图如图2-4所示。

2.2 传感器检测模块电路设计

2.2.1 水分检测

图5 水分检测原理框图

油液中的水分值变化是衡量油液是否变质的重要指标，油液水分检测传感器用于油液中含水量检测[4]。系统采用中航高科智能测控有限公司的水分传感器，该传感器电源供电是12-32V, 介质温度为-40℃-125℃，信号输出为4-20m A，输出参数为油液中的微水含量0-100%。原理框图如图5所示。

图6 CAN通信电路原理图

2.2.2 粘度检测

对于六氟化硫断路器来说，油液粘度检测是必须的，因为粘度的测量能反映出油液是否变质，通过粘度的测量可以在油液变质的早期获得信息，以便对油液及时进行维护，避免断路器发生故障。在本系统中，粘度测量采用中航高科智能测控有限公司的粘度传感器，该传感器电源供电是12-36V,介质温度为-40℃-85℃，精确度是量程10%，输出信号通过CAN总线输出。CAN通信电路如图6所示。

2.2.3 颗粒污染度检测

颗粒污染度指单位体积油液中所含各种尺寸的颗粒数。系统采用天津大学生产的基于光阻法的GWJ-5型激光传感器进行颗粒污染度的测量[5]-[8]。光阻法的基本工作原理为从光源处发出一组相互平行的光束，该光束透过油液检测区时，如果油液中有颗粒存在，那么颗粒会对光线有一定的遮挡作用，使投射出来的光强减弱，并被接收器的光电二极管将接收到的光能转换成电能。如果油液中无颗粒存在，则接收器输出的电压为一定值。接收器接收到的电信号微弱，需利用放大器将信号放大，最后传输到颗粒计数装置，该装置将采集到的电压信号进行比较处理， 判别油液中颗粒的个数和大小。光阻法原理图如图7所示。

图7 光阻法颗粒度检测原理图

3 系统检测数据分析

3.1 液压油水份与时间的散点图及其分析

以新疆某些地区的六氟化硫断路器液压油的检测系统为例，断路器的电压等级分为750KV和220KV两种。断路器液压油水分与时间的关系图如图8和图9所示。

在图8中，红点代表电压等级为750KV，黑点代表220KV。从图8所示电压等级对于液油中的水份影响较大，电压等级越大，航油中的水份就越大，基本能达到1倍以上。在图8里750KV的电压等级下的水份基本保持在70mg/L左右，而220KV的电压登记下航油的水份只有30mg/L左右。只有极个别的有所差异。

在图9中，红点代表的地区是吐鲁番，蓝点代表的是哈密和巴州。从图示9可以看出，吐鲁番与哈密和巴州差距比较大，吐鲁番的航液油水份在35mg/L左右。而哈密和巴州在60mg/L左右。虽然电压等级都为750KV，但是却出现如此差异。经过调查，吐鲁番属于干燥地区，每年的降水量很少，哈密和巴州地区的降水量较多一些。所以水份与地区的干燥程度也有一定的关系。

图8 50个月内水份与时间散点图

图9 50-100个月内水分与时间的散点图

由图8和图9可以看出，航油的水份与时间和地区以及电压等级都有一定的关系。在短时间内，电压等级的影响会更大。电压等级越高水份会越大。而在相同的电压等级下，随着时间的推移，降水量大的地区航油中的水份会越来越大，干燥的地区航油中的水份基本保持不变。

3.2 粘稠度与电压等级的关系分析

同样以新疆某些地区的六氟化硫断路器液压油的检测系统为例，液压油粘度与电压等级的关系如图10所示。

如图10所示，横坐标为电压等级，纵坐标为粘稠度。从图10可以很明显的看出，在220KV的电压等级下粘稠度的范围是9.75-11.75之间。而在750KV的电压等级下，粘稠度的范围在8-10之间。对比下可以得出一个结论，电压等级越高粘稠度越低。

图10 粘稠度与电压等级的散点图

3.3 颗粒污染度与颗粒总数的关系分析

本系统的颗粒污染度以大于＞5μm的颗粒数来表示。颗粒污染度与颗粒总数的关系分析见图11所示。图中横坐标表示颗粒污染度等级，采用美国NAS1638油液污染物等级标准，纵坐标表示颗粒污染总数。

图11 颗粒污染度与颗粒总数的散点图

从图11中可以明显看出，两个变量之间存在一种递增的关系。污染度会随着颗粒总数的增加而上升。

4 结论

本文主要论述了六氟化硫断路器液压油检测的必要性，进行了液压油检测系统方案的设计和软硬件的设计，并对检测结果进行了分析。通过对液压油性能指标的检测，可以提前判断出设备的运行状况，大大降低设备发生故障的可能，从而保障电网能够安全、经济、高效的运行。