牵引变电所室内气体和积水状况远程监控系统的设计

李彦吉， 齐利军

(中国铁路北京局集团有限公司 石家庄供电段， 石家庄 050000)

京广高速铁路采用了许多新技术、新工艺，但是在牵引供电系统实际运行中，由于缺少必要的监测手段，不能掌握运行检修人员工作环境的实时状态、远程监控关键项目偏少、现场实用性不足，不能满足铁路总公司、北京局集团公司规程的有关要求，存在安全隐患。

1 运行中存在的问题

1.1 存在误入禁入系统的危险

现阶段牵引变电所(含分区所、开闭所、AT所)均采用了HFC-227ea(七氟丙烷)自动灭火系统。这是一种以化学灭火为主、兼有物理灭火作用的洁净气体灭火系统。其主要原理是当火警发生时，七氟丙烷从罐的出气口排出、迅速把火警发生场所的氧气排走并冷却火警发生处，从而达到灭火的目的。即系统喷发时、如若周围有人意外闯入、将会窒息或者冻伤。

2015年9月23日北阳村AT所的自动灭火系统就出现了误动作问题，供电调度通知调度台显示有烟感动作信号，要求邢台东网电运行工区进行巡视。此过程存在极大的安全风险，倘若控制室内O2含量不达标或者在七氟丙烷喷发过程中意外进入、将造成人员的人身伤害。

1.2 SF6配电装置低位区的电缆夹层巡视检修危及人身安全

牵引变电所2×27.5 kV侧设备均采用了GIS柜，作为主变压器低压侧和馈线设备。此类设备在10 kV配电室也多有应用。配合GIS柜的应用，其进、馈线采用高压电缆从其底部进出，这样在GIS柜下部均修建了一个电缆夹层、位于SF6配电装置低位区。

中国铁路总公司《高速铁路牵引变电所安全工作规则》[1]第111条规定，“高压室、电缆夹层入口处应装设SF6气体含量显示器”“进入SF6配电装置低位区或电缆沟进行工作应先检测含氧量(不低于18%)和SF6气体含量不超过1 000 μL/L”。

《电力安全工作细则》[2]对电力专业也有类似的规定。第112条：“在SF6配电装置室低位区应安装能报警的氧量仪和SF6气体泄漏报警仪，在工作人员入口处应装设显示器。”

而这些SF6配电装置低位区的要求在京广高铁各变电所、配电室均没有任何监测手段。

为了保证巡视检修人员的人身安全，现场采用便携式含氧量测试仪和SF6气体含量测试仪手动测试，以做到对牵引变电所有限空间环境的掌握。虽然这类仪器可以测得SF6配电装置低位区(如电缆夹层)的O2、SF6的含量，但必须得有人将仪器放置进有限空间内、并读取含量数值，如若真的环境有问题、那对放置和读取数值人员将造成人身伤害。

1.3 不能实时掌握高压电缆状态

《牵引供电高压电缆管理办法》[3]要求，“电缆室内部无积水、水浸探头状态良好”。而现场电缆夹层没有安装任何水浸远程报警装置，对现场电缆的状态掌握只能靠“有人值班变电所值班人员每天对所内电缆设备1次”“无人值班的开闭所、分区所、AT所、接触网开关站所内高压电缆设备每月1次”的巡视。在巡视间隔期间，特别是无人所、将有可能造成高压电缆最多2个月的水中浸泡。

在京广高铁崔曲、延康AT所就曾经发生过电缆夹层积水超过60 cm的现象。

1.4 不能实时掌握设备现场的状况

以上问题的检查确认都是靠人实现，必须等待人员到达现场后才能检查确认，一旦确认失误或者疏忽将酿成检查确认人员的人身伤害，或者贻误最佳的故障处理时机。

2 解决方案

针对上述问题，研制开发了“牵引变电所室内气体和积水状况远程监控系统”，方案定位于满足规程的要求、实时监控有限空间的即时状态并远传测量值、自动远端报警和隐患的及时发现处理，确保牵引变电所有限空间作业的安全。

该系统硬件上由SF6在线监测系统、O2检测系统、水位监测系统、强制排风系统、实时通信报警系统、远传通信告警系统组成。以崔曲AT所为例，如图1。

图1 监控系统安装示意图

2.1 电缆夹层

分别在处于SF6低位区的电缆夹层设置SF6传感器、O2传感器和压力(水位)传感器，监控主机对传感器输出信号进行采集。

图2 监控通讯系统示意图

当检测到电缆夹层的SF6含量超过规程要求的1 000 μL/L 或者O2含量低于18%、水位高于10 cm时(以上数据可根据需要设定)，装置告警，按既定程序启动强排风装置，以短信息的方式将结果发送给负责维护人员的手机、并可选择以485方式连接综合自动化装置通信管理机(既有)送往供电调度端、或者连接办公电脑、巡检笔记本显示。

2.2 高压室

高压室内仅布置SF6传感器、O2传感器，工作过程同上。

2.3 控制室

控制室内设置O2传感器、为配合HFC-227ea自动灭火系统，仅选择报警、手动启动通风系统的功能。

2.4 监视控制

按规程要求分别在控制室、高压室、电缆夹层入口处装设LED显示屏，即时显示各种气体含量、水位高度。

当用于有人值班的变电所时，可不再设置室外LED显示，而将装置显示报警功能以485的方式与办公电脑连接、在电脑上可以实时监测各处的气体含量和水位。

检修人员在设备巡视检修时，开启防火门前、室外LED即可看到即时的气体含量和水位，或者巡检人员用个人的手机连接当地路由器查看、控制启动排风，防止误入禁入区域危及人身安全的问题发生。

3 系统构成

牵引变电所室内气体和积水状况远程监控系统基于CAN现场总线，CANOPEN协议，由数据采集、数据显示、排风控制、主控制器4部分构成。

主控制器为CANOPEN主站，各数据采集器、LED数码显示屏、排风控制器为CANOPEN从站。数据采集包括六氟化硫含量采集，氧气含量采集，水位采集；数据显示为LED数码显示屏，显示采集到的各空间数据；排风控制根据设定好的参数，当采集到的数值超过警戒值时自动控制排风系统开启排风；主控制器控制各部分工作，并实现与上位机的通讯。

各部分均采用32位的Cortex-M3 ARM微控制器，模数转换为24位AD芯片。通讯部分采取隔离结构。采集器使用铝合金外壳，美观，屏蔽性能好。这样的硬件架构性能优良，分辨率高，抗干扰性好。

3.1 系统总体结构

牵引变电所室内气体和积水状况远程监控系统总体结构如图3。

图3 监控系统总体结构图

(1)SF6含量采集所用的前端传感器为红外扩散式模组，信号接口为UART输出，MODBUS协议。经采集器采集转换为CANOPEN协议。测量范围0～1 500 μL/L，检测分辨率1 μL/L，检测误差±2% FS。

(2)O2传感器采用采用电化学原理，其信号输出为微电流信号，经采集器的24位高精度AD转换后转换为数字信号。检测浓度范围0～30% VOL(电化学原理，寿命两年)，检测精度0.5%。

(3)以往的水位监测往往采用水浸探头或者浮球开关的方法，在水面浸没探头导通或者使浮球浮起引起行程开关动作后，给出信号报警。此类设备原理非常简单、也较为可靠，但仅仅能说明水位淹没了探头、并不能将实时的水位进行远方传递，调度端、维护人员对于电缆夹层到底被水淹没了多深，无从得知。

设计中采用了压力传感器实时监测水位高度变化的方案，根据压力传感器传送的数据，按照P=ρgh公式，计算出具体的水位高度h。测量范围0～1 m(压力式)，测量精度 0.5%，防护等级IP68。

(4)设计中，遵循日常进行设备巡视检修的顺序、值班人员的习惯，设置LED。进入控制室前要观看室外LED，其显示内容为控制室的O2含量；从控制室进入高压室前，要观看高压室SF6和O2含量；从高压室下到电缆夹层前，需要了解电缆夹层SF6、O2含量和电缆夹层内的水位高低。3块LED显示的内容是有区别的，为了生产的方便，将LED设计为同样的结构，在安装时、将内部的拨码开关分别置于不同的位置，显示不同的对应内容。

(5)设计中，检测到电缆夹层、高压室SF6、O2含量超标后自动启动通风系统。也可通过后台关闭，但在设备巡检时、必须将其置于自动状态、确保作业人员的人身安全。为配合HFC-227ea灭火系统，控制室内仅选择报警、手动启动通风系统的功能。

排风控制前端为一固态继电器，由系统根据设置好的条件控制排风系统的电源开关，和原来的手动控制部分并行工作，手动控制部分作为备用控制。

(6)系统使用交流220 V供电，前端经过一台长延时不间断电源，保证了系统供电安全和供电质量。交流停电的情况下，使用一只38 Ah阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池供电，供电时长不少于54 h。系统也可以选择DC 110-DC 220供电。

3.2 客户端的使用

使用手机连接上主控制器的WIFI后，打开浏览器，输入地址：192.168.0.2打开客户端界面，即可看到系统主界面。

该界面从上到下为按照实际区域分为3部分，控制室，高压室，电缆夹层。每列数据从左到右顺序为数据名称，数据采集器和排风控制器状态，若数据采集器或者排风控制器有故障，相应位置会出现红色报警图标。以数字方式显示检测数据值，以图形方式显示检测数据值状态，其中自动排风开关，手动排风开关以及排风状态值以文字显示。

输入用户名和密码后进入系统后台管理界面，可根据需要更改设置新的密码。系统后台管理包括手动排风，参数设置，系统校正，密码修改4个功能区。

4 结束语

2016年6月19日牵引变电所室内气体和积水状况远程监控系统在京广高铁崔曲AT所投入运行；2018年1月11日通过了中国铁路北京局集团公司的技术评审。

(1)系统设计中，考虑到了监控系统距离高压电缆较近和运行中牵引供电系统强大的电磁干扰、较大的地回流等因素，进行了特殊设计、电磁兼容性强。所有元器件进行了防潮设计，在较为潮湿的电缆沟、电缆井、电缆夹层内、甚至野外系统均能够可靠运行。

(2)增加了现场WIFI、短信报警等适用性设计。系统除了预留有485接口，可方便地接入既有远动系统外，增加了WIFI连接查看和短信报警功能。在进行无人所巡视时，巡检人员利用自身手机连接当地WIFI，通过内嵌WEB服务器，实现了网页访问和设备的控制。在不构建复杂数据传输系统的情况下、利用手机短信息就可以做到涉及人身安全的信息报警、几乎没有通信费用。

(3)现场安装和后期维护方便。系统基于CAN现场总线，CANOPEN协议，一根5芯电缆连接所有变送器及主机、控制器，可分立可组合，现场安装非常方便、具有很高的现场适应性。利用手持式校验仪或者在现场排风后较为洁净的环境下，可方便地进行自动校正。为了后期维护的方便，进行了积木式设计，打开控制盒、只需更换相应寿命到期或者故障或者需要检测的SF6、O2传感器即可。