SF6断路器微水含量模拟在线监测技术研究

SF6断路器微水含量模拟在线监测技术研究

连三山李锐锋施叶玲

（国网山西省电力公司检修分公司山西太原030032）

摘要：根据SF6气体具有优良的绝缘、灭弧性能，SF6断路器在高压电气场合中得以广泛的应用。然而，在实际使用中，SF6微水含量超标时，会腐蚀设备，降低开关的机械性能，进而影响开关的开断性能，对设备的绝缘产生危害。针对以上问题，本文设计了一种SF6断路器微水在线监测系统，并详细论述了该系统结构、工作原理以及LabVIEW监测界面。重点研究了压力、温度与SF6气体相对湿度的关系。经过检验，该模拟装置可实现SF6气体状态的实时在线监测，采用在线监测相对湿度的方式，相对提高了采集的准确性，有效保证了设备的安全运行。

关键词：SF6断路器；微水含量；在线监测；LabVIEW；

SF6气体本身极稳定，具有很高的绝缘强度和灭弧性能。高温，强烈放电条件下SF6气体中的水分可与其分解产物发生水解反应产生有害物质，这可能影响设备性能并危及运行人员的安全。SF6微水含量超标时，会导致SF6气体分解物化合反应产生毒性化合物，腐蚀设备，降低开关的机械性能，进而影响开关的开断性能，对设备的绝缘产生危害，因此必须对高压断路器中SF6气体微水含量进行测量。

1系统方案设计

本系统以单片机为核心，运用湿度传感器，温度传感器，压力传感器，将输出数据通过A/D转换器传送至单片机并输出数据到LCD显示单元进行在线显示，以及通过串口通信，将数据发送到PC机，通过LabVIEW软件将SF6断路器中微水含量曲线进行显示，如果SF6微水含量超标，则有报警单元进行声光报警。

2系统硬件设计

2.1湿度传感器

湿度传感器是本设计核心测量器件。因为本设计模拟SF6断路器中低湿度环境，水含量极低，所以所选传感器为HM1520LF低湿度传感器，该传感器适用于微水监测，其量程为0～20%RH，输出为电压信号1～1.5V，供电电源为5V，可将相对湿度直接转换为电压输出。

2.2温度传感器

温度传感器选用LM35DZ温度传感器。模拟SF6断路器环境温度也在0℃～100℃内，假定外部水分不能进入到模拟SF6断路器内部，则模拟SF6断路器系统内水分含量为一固定值，当温度升高或者下降时，气体中的水分含量也会随温度的变化而变化。

2.3压力传感器

SF6液体是否液化与压力有一定的关系，SF6气体的微水含量也受到压力的影响，本实验压力传感器选用MS5540C压力传感器，MS5540C具有自动电源开关（ON/OFF）、低功耗、低电压的特点。量程为200PSI，测量温度范围：-40℃～+85℃。

2.4信号转换

温湿度传感器以及压力传感器所得到的模拟量必须通过对应的模数转换电路将模拟信号转换成数字信号后才能进行运算等处理。而要实现宽量程，高精度的测量，模数转换器是非常关键的一个元件，要实现数据采集测量模块，模数转换器的选择至关重要。本论文采用ADC0809作为仪器的模数转换芯片。

2.5信号显示

经A/D转换器，将温湿度传感器以及压力传感器的输出模拟信号转换为数字信号后，再通过微处理器对这些数字信号进行处理，并在LCD数字显示屏上显示出微水含量值，使得微水含量的检测提示信息更加准确，可靠性更好。LCD显示屏FT1602C能基本满足本设计需要，可以实现温度和相对湿度的显示功能。1602即1602字符型液晶，是一种用于显示符号、数字、字母的点阵型液晶模块，每行可显示16个字符，共两行。

2.6报警电路设计

由于微水含量值超出规定值要发出报警。报警模块采用LED，蜂鸣器与单片机同一I/O口连接，当微水含量超标时，单片机控制接通报警电路，LED，蜂鸣器同时工作，产生声光报警。

3系统软件设计

整体程序分为两个模块，一个是人机交互模块，主要是通过串口通信程序以及LCD显示程序来实现人机交互。另一个是数据处理模块，通过温度传感器、湿度传感器、压力传感器采集数据，然后通过A/D转换来对数据进行处理，得到相应的结果。

3.1串口通信

（1）能够完成将来自微处理器的并行数据字符转换成连续串行数据送出去，并且能够反向将连续串行数据送入微处理器的接口电路，被称为串行接口。基于串行接口的通信，被称为串行通信。波特率、数据位、停止位、奇偶校验位是串行通信的重要参数。

图6串口通信程序框图

（2）LabVIEW程序框图如下图所示，在LabVIEW上选择一些控件实现与单片机端的串口通信，包括配置一些串口的参数、波特率、COM口等，分别采集湿度，温度以及压力值，并通过接口给PC机传输数据。中间部分通过VISA接口程序，对数据进行处理，将相应的值进行计算，并在LabVIEW前界面进行图像输出，并有报警程序对输出数据做出反应。

3.2温度计算

A/D转换后得到的温度信号为数字量，因为ADC0809是8位，即0～255对应0～5V，所以假设计算机端得到的温度信号数字量为X，设温度为T，温度对应的电压大小为U，则：

U=X*5/255（1）

根据LM35DZ温度与输出电压的关系可得到：

T=U*100（2）

3.3相对湿度计算

相对湿度计算方法同温度计算类似，不同在于相对湿度与电压关系不同，

RH%=（V-1）/0.026（3）

3.4微水含量计算

根据饱和水蒸汽表可以知道，温度在25℃～35℃时的水蒸汽密度约为温度的千分之一（单位kg/m3，例如28℃，水蒸汽密度为0.028kg/m3，在本设计中，模拟SF6断路器容积为600ml，相对湿度可以测得，设为A；温度可以测得，设为B，水的密度假设为1kg/m3，设微水含量为Y。则

Y=（A/B）*（B/1000）*600/1/600（单位：μl/l）（4）

3.5LabVIEW监测界面

软件通过LabVIEW监测界面实现数据采集、报警消息管理、数据趋势分析的功能。计算机端的LabVIEW监测界面能够直观地反应模拟SF6断路器的微水含量，并能够在危险情况下报警。软件调试，即上位机软件调试，首先调试串口通信程序，使单片机串口发出的数据顺利到达上位机，其次进行数据挑选程序调试，从接收到的数据中，筛选出程序需要的温度、湿度和压强数据量，并完成数据转换、动态显示、报警等功能。在HM1500LF，MS5540C和LM35DZ三个传感器正常工作的条件下，将它们采集到的数据输入到单片机，然后发送到上位机进行处理。

4系统测试

对于运行中的SF6断路器，温度为20℃～30℃之间，压强为大气压时，微水含量要求≤300μl/l。本实验模拟SF6断路器中低湿度环境，通过在密闭的矿泉水瓶里加干燥剂的方式模拟低湿度环境。LCD显示

屏上显示的为环境温度（℃）以及相对湿度（%RH），微水含量由LabVIEW监测界面显示。测试时微水含量超过设定值则报警电路声光报警。对系统整体测试

5结论

准确，实时的SF6断路器微水含量监测对人类生活，设备防护以及环境安全非常重要。本设计针对实际要求，查阅相关论文与资料，设计出了一种可实施在线监测的SF6断路器微水含量监测系统。本实验主要内容有：

（1）首先提出了SF6断路器微水含量在线监测的总体设计方案，根据设计要求，给出了湿度传感器，温度传感器，压力传感器的选型依据与标准，介绍了仪器所选用的三种传感器。

（2）根据总体的设计方案，设计了SF6断路器微水含量在线监测的硬件电路，其中包括数据采集和处理模块，处理器以及辅助电路模块等部分。完成了软件设计部分，包括串口通信模块，各种计算方式以及LabVIEW检测界面的设计。

（3）本设计进行了各模块测试以及系统整体测试。实验模拟了SF6断路器中低湿度环境，仿真及测试结果表明，在线监测系统能正常运行，具有测量精度高，响应速度快等优点。主要目标是实时监测微水含量大小，预防SF6断路器的绝缘事故，实现SF6断路器微水超标故障的状态维修。可将此系统应用于除SF6断路器意外的高压电气设备，也可用于需要监测微水含量的其他领域。

参考文献：

[1]张宁，潘峥嵘，赵磊。SF6断路器微水在线监测系统的研究与设计。电子测量技术。2010（33）：109-112

[2]何道清，张禾，谌海云。传感器与传感器技术。2008：392-405

[3]郑文荣，王昆林，李亭，李红军。SF6断路器微水在线监测系统应用与研究。2008年云南电力技术论坛文集。2008：419-424

[4]赵鑫，徐元哲。六氟化硫断路器微水监测装置的研究。工程与试验。2009，49（1）：55-57

[5]吴楠。SF6断路器微水含量检测中应注意的问题。电力建设。2005，26：（4）

[6]徐晓东，郑对元，肖武。LabVIEW8.5常用功能与编程实例精讲。北京：电子工业出版社。2009.30-196