GISSF6气体密度在线监测系统开发研究与应用

北极星电力网技术频道作者:佚名 2008/6/4 18:07:44

关键词: GIS sf6

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作者：吴志奇　刘文忠　孔令宇

单位：绥中发电有限责任公司

摘要：本文介绍了GISSF6气体密度在线监测系统的功能及组成，及在绥中电厂500kVGIS设备上的应用情况，并对GISSF6气体密度在线监测系统发展前景进行了展望。供500kVGIS设备的设计、制造、安装及运行维护等相关技术人员参考。

关键词：GIS，在线监测，应用

1　引言

　　GIS是气体绝缘全封闭组合电器的英文缩写，为近几十年发展起来的高、精、尖输变电设备，该设备技术先进，维护工作量小，运行可靠性高。GIS设备发展速度非常快，从开始的几千伏等级已发展至220kV、500kV、750kV等级，有些国家正在发展1000kV等级的GIS。目前，在我国GIS设备正在向高电压设备的主流方向发展。

　　由于GIS设备采用具有一定压力的SF6气体作为绝缘、灭弧介质，因此监测GIS设备的SF6气体压力是监视GIS设备、运行状态的必须手段。现有的GIS设备普遍采用密度继电器在设备就地监视SF6压力，依靠密度继电器上的压力接点向远方发出SF6压力低报警、压力低闭锁信号。由于没有在线监测系统，不能及时发现SF6气体漏泄及其发展趋势，容易出现由于SF6严重漏泄，危及主设备安全，造成主设备损坏及影响系统稳定运行的事故。

　　随着计算机技术的飞速进步，在线监测系统在电力系统得到了广泛的应用。2002年开始，绥中发电有限责任公司与沈阳仪表科学研究院共同研究、开发了GISSF6气体密度在线监测系统，并在在绥中发电有限责任公司500kV、220kVGIS设备上进行应用。

2　系统功能及组成

2.1系统功能

　　GIS气体密度在线监测系统对GIS系统中各气室的SF6气体进行压力、温度数据检测，将压力换算成20℃时的压力P20作为密度指示供显示，并进行超限报警。从而实现在生产过程中对SF6气体密度进行实时、远程监测以及历史数据分析，加强监测手段，更好地保证设备安全、稳定运行。

　　系统投入运行后，在控制室内即可通过显示器的动态画面，直观、准确的观察到每个间隔内SF6气体的压力、温度、20℃时的压力P20和气体密度四种参数。多个下限的报警值可在计算机中全量程设定。当超过下、下下限报警值时，可在计算机上完成声光报警。

　　计算机中具备动态数据库，具有数据存储和历史数据检索等功能。软件还提供在线修改多个下限报警值、打印报表、动画显示、操作显示、成组显示、趋势图显示等功能。

　　通过气体密度在线监测装置系统，可对GIS装置中各气室内的SF6气体密度进行实时监测。由此提高工作效率、减轻劳动强度，使GIS装置稳定可靠运行得到有效的保证。

2.2系统组成

　　整套GIS气体密度在线监测系统主要由气体密度计、可编程序控制器、现场监控计算机、管理计算机构成。

　　电子式气体密度计实时检测GIS设备各气室SF6气体的压力和温度，将压力、温度分别转化为4—20mADC的标准信号，输出给可编程序控制器（PLC）的模入模块，再由可编程序控制器完成数据处理，数据上传给现场监控计算机，经计算后显示密度值，供现场监控和调试使用。现场监控计算机将数据上传到主控室管理计算机及电厂局域网中，完成存贮、制表、超限报警等功能。系统构成如附图1所示。

附图1气体密度在线监测系统示意图

　　绥中发电有限责任公司GIS设备分别安装在两个配电站中：一个为500kVGIS配电站，气体密度测量177点；另一个为220kVGIS配电站，气体密度测量31点。为了尽可能的平均分配采集的点数，使系统设备资源得到有效的利用，并兼顾系统的冗余度，确定设立三台可编程序控制器（PLC）采集柜，其中两台负责采集500kVGIS的气体密度测量数据，另一台负责采集220KVGIS的气体密度测量数据及66kV系统9点报警数据。

2.2.1电子式气体密度计

　　电子式气体密度计（即：密度变送器）作为直接安装于GIS设备上的测量元件，直接关系到GIS设备运行安全、整套系统的可靠性和测量精度。

　　密度变送器包括一个测量气体压力的压力变送器和一个测气体温度的温度变送器，分别输出两路4～20mADC标准信号，送到控制柜中的可编程控制器。压力变送器由压力传感器、变送电路和机械结构构成，温度变送器由温度传感器、变送电路和机械结构构成，两部分构成密度计变送器。

　　电子式气体密度变送器与机械式指针密度传感器不同，后者是通过机械方式测量压力，由机械式温度补偿得到20℃时的压力P20作为密度指示。而电子式气体密度变送器采用压力、温度两个传感器，测得气体的压力、温度值，通过数字运算求出密度ρ及P20值。这样，不仅得到实时的密度值ρ和P20值，而且随时监控到SF6气体的压力、温度值，有利于更全面地了解设备的工作状况。

　　压力变送器由压力传感器、变送电路和机械结构构成。根据被测气体的严格防泄漏要求，传感器的密封设计成如附图2所示结构：

图2压力传感器结构示意图

　　传感器采用全焊接结构，传感器本体的隔离膜片和TO座及本体与连接件之间氩弧焊接。承受压力2MPa以上，超过设计压力4倍以上。在变送器机械结构中，传感器的固定方式由传统的螺纹压环改为焊接结构，即把传统的胶圈密封该为焊接硬密封，虽然焊接后传感器不可拆卸，彻底解决了可能出现的泄漏问题。

为提高产品的可靠性，核心部件压力传感器采用了从美国IC公司、美国foxboro公司进口的扩散硅压力传感器（绝压传感器），其具有高精度、小型全固态结构、信号质量好的优点。该产品在国际上得到广泛应用，有长期稳定运行的可靠保证。

　　温度变送器由温度传感器、变送电路和机械结构构成。温度传感器采用德国进口的PT100薄膜铂电阻器件，体积小、反应灵敏、可靠性高。温度传感器直接安装在压力传感器最接近被测气体的螺纹头中（直径3毫米细孔）。

　　压力、温度传感器的变送电路采用美国BB公司的变送器专用电路。在通用转换电路基础上，增加了防高频、高压产生的电磁干扰功能的措施，进一步保证了气体密度变送器的可靠性。

　　气体密度变送器与现有德国指针密度计串联连接，中间连接采用SF6专用阀门。安装后，气体密度变送器连同SF6专用阀门一起进行压力试验，保证无泄漏。

　　传感器输出为双路4～20mA标准信号，经双层屏蔽电缆传输至可编程控制器的A/D采集模块。转换后的数字信号经计算得到密度和P20值，送显示器显示。

　　针对现场抗干扰问题，除在电路上增加滤波、屏蔽等部分外。在信号（两路4～20mA）的传输过程中，采用双层屏蔽电缆。其中一层接地，另一层接罐外壳。可保证信号不受干扰。

2.2.2微机测量系统

　　微机测量系统是在吸收国内外先进技术和经验的基础上，结合多年开发微机自动控制系统的经验，设计出了气体密度微机自动测量系统。

　　整套系统的工作原理就是现场的被测量参数，通过温度、压力传感器及变送器转换成4～20mA.DC标准模拟信号，经四芯双层屏蔽电缆接至数据采集单元，可编程控制器将采集的数据传至现场监控计算机数据处理后，以实际工程量值显示在屏幕上，并将数据上传到主控室管理计算机或电厂局域网中。

　　计算机采用台湾研华（ADVANTECH）公司的一体化工作站作为现场监控计算机，主控室管理计算机采用工业控制计算机。数据采集系统采用西门子的S7-300系列可编程控制器。现场监控计算机负责气体密度数据的计算与管理，从而生成实时图表与动画显示，并可形成历史数据库供用户查询。并将该数据通过MPI网或局域网，准确快速地传送给主控室管理计算机，这些信号用来实时显示、打印制表、数据储存、经济量累积核算等。与远程的管理终端相连，将数据传给管理层。

2.2.2.1数据采集单元

　　数据采集单元采用SIEMENS可编程序控制器S7-300系列。包括CPU模块、电源模块、A/D采集模块、内存卡、开关量输入模块，以及各种适配电缆等种配件。

　　为保证系统的可靠运行，A/D模块采用6ES7331—1KF00—0AB0、开关量采用6ES7321—1BH02—0AA0隔离型采集模块。

2.2.2.2主控室管理和现场测控计算机

　　主控室管理计算机和现场测控计算机采用目前国内使用较为广泛，性能价格比高的是研华工控系列。所以本方案中主控室的主机采用PCA—6156（PⅣ1.8G）工控机。机箱采用PCL—610型工控专用机箱，全部采用钢材料并符合EIA—310C19”矿机框架结构标准，可容纳14槽供PC机总线兼容的功能板使用，还携有高效率的开关电源（带冷却风扇），机箱正方还另配有两个过滤型推拉式冷却风扇及保护驱动器与电源开关的可锁门等特殊装置。符合UL/CB标准，EMI满足FCC/FTZA级标准，能经受强撞击、防震防尘并能在极端温度等恶劣的工业环境下正常运行。现场监测计算机采用ADVANTECH公司的一体化工作站。

2.2.2.3软件

软件底层采用MICROSOFT公司WINDOWS2000操作系统。检测系统采用北京亚控公司的工业组态软件----组态王6.5进行编程。

SF6检测系统软件的主要特点为：

①画面系统美观、操作简便、人机交互界面友好

每幅画面能显示过程变量（压力、温度、密度）的实时数据和运行设备的状态，这些数据和状态在不断更新。显示的颜色或图形将随过程状态而变化。棒状图和趋势图可随时调出。

②报警和事件系统

报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。一旦发生任何异常工况，及时并适当的向操作人员发出报警，以便操作人员及时进行处理，以提高系统的可靠性。

③报表系统

包括定期记录、报警记录、事故追忆记录、事故顺序记录、跳闸一览记录、操作记录等。可由用户随时调出和打印。

④OPC

全面支持OPC标准（既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端），可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到应用系统中；同时作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。

⑤通讯系统

支持远程拨号，支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。远程拨号与原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。

⑥安全系统

采用分级和分区保护的双重保护策略。新增用户组和安全区管理，999个不同级别的权限和64个安全区形成双重保护，另外能记录程序运行中操作员的所有操作。

⑦网络功能

检测程序完全基于网络的概念，是一种真正的客户--服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统

⑧冗余系统

提供全面的冗余功能，能够有效地减少数据丢失的可能，增加了系统的可靠性，方便了系统维护。

3　系统应用情况及前景

　　2004年3月，绥中发电有限责任公司GIS气体密度在线监测系统设计方案完成，并在500kV、220kVGIS设备上进行安装。整个系统对500kVGIS系统177个气室、220kVGIS系统31个气室、气体密度进行在线连续监测，并对66kVSF6断路器9个气室实现开关量报警。

　　2004年11月，整套系统安装、调试工作结束，正式投入运行。投入运行以来，该系统工作稳定，各气室压力显示值与原有的机械式指针密度传感器指示值偏差在合格范围内。2004年12月，某500kV气室压力下降到报警值，在线监测系统记录了整个压力下降过程，并正确动作，及时报警。2005年1月，在线监测系统3次监测到了200kVGIS设备的SF6压力下降，并及时报警。

　　SF6压力监测是GIS设备不可或却的运行监视手段，随着GIS设备在电力系统的广泛应用，GISSF6气体密度在线监测系统也将不断得到推广应用。用GISSF6气体密度在线监测系统取代机械式指针密度传感器将成为必然的发展趋势，GISSF6气体密度在线监测系统必将成为GIS设备的附属标准配置之一。

信息来源：全国火电大机组（600MW级）竞赛第十届年会论文集原文发表时间：2006-05-15

来源：中国电厂化学

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