基于物联网技术的换流变压器充气式套管 SF6泄露监测装置研究

基于物联网技术的换流变压器充气式套管 SF6泄露监测装置研究

方烜 杨帆 梁家豪 杨建文 周文瑞 邹卓余 张昊

南方电网超高压输电公司广州局 广州 510000

摘要：SF₆因此优良的电负性电气性能被广泛运用于如换流变压器等高压电气设备中，充有SF₆气体的密闭高压设备的内部气压通常大于正常大气压，因此气体泄漏概率较高。一旦出现问题就会对设备绝缘和人体的生命安全造成威胁。目前在线监测技术因为缺乏可靠的信息采集装置和便捷的分布性而无法适应现在智能换流站建设的需要，因此本文将研究设计一种基于物联网技术的换流变压器充气式套管SF₆泄露监测装置。本装置结合物联网的三层结构，实现数据采集、数据上传和自动报警等功能，对于保证电力设备的安全稳定运行和换流站工作人员的安全具有重要的意义。

关键词：物联网技术；SF₆泄露；红外检漏

0引言

SF₆气体因为其良好绝缘和灭弧性能而被广泛应用在电力行业的高压断路器和变压器中。换流站中的换流变压器是交直流转化时的核心设备，因为换流变压器的阀侧绕组运行环境恶劣，会同时受到交直流高电压，通常阀侧绕组套管会充装SF₆气体作为绝缘介质。SF₆气体泄露时会对设备的正常工作造成影响，同时威胁到工作人员的安全，根据电网企业的相关规程，有必要对其进行监测。

SF₆的监测技术经历了四代：半导体方式、电晕法、超声波检测技术、红外检测技术。目前国内主要采用的是分布式SF₆监测装置，即在现场布置多个采集单元，每个采集单元都独立具备SF₆气体的测试功能，测量后的信号通过电缆传送到后台的集中控制台，此方法的优点是价格较低，布置灵活，测量点可以任意增加，非常适用于换流站、变电站等主接线复杂，现场运维难度大的场所。

1 SF6红外检漏原理

某些属性与分子振动和旋转方式相关，并且对于一个特定分子是唯一的，可用于识别目的。分子通过吸收一个光子或释放一个光子达到激活，其吸收过程通常发生在红外区域。此特征在红外光谱表现为一个单次吸收光谱，红外光谱技术利用不同物质对红外辐射的选择吸收特性对物质进行定性或定量分析。针对中红外波段 4000-400cm-1，实验室利用光谱仪测出 SF₆的吸收峰值在947.06cm-1处，证明 SF₆在中红外波段有吸收。

2 基于物联网技术SF6泄露在线监测装置设计

本系统结构设计从物联网的三层架构进行结构进行设计与分析，主要包括三个层面的设计，布置在现场的是感知层：具有自动比对功能和远程校准功能的SF₆在线监测报警装置，第二层是传输层：能够实现数据传输、存储的数据通信模块。提供人机交互的是应用层，也是本论文的重点：开发支持信息监测预警、数据可视化的应用平台，为实现各变电站环境中 SF₆气体的实时监测，SF6气体在线泄露监测报警系统的运行状态监控比对校准和决策支持提供技术支撑。

2.1物联网感知层的设计

SF₆气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律，即SF₆气体对红外光进行有选择性吸收，其吸收强度变化取决于被测气体的浓度。SF₆在线监测装置主机部分的主控模块选用高性能、低功耗、低成本的STM32F103 处理器，主控制器模块将负责接收气体变送器和人体红外检测单元传输的数据信息，对数据信息进行标记、分析和处理，并将数据通过4G数据通讯模块传输至云平台。当环境中SF₆含量超标（SF₆气体浓度＞1000μL/L）时，主控制器会向报警控制模块发送信号。还可同时对当前环境中SF₆含量、氧气含量，环境温湿度等数据进行实时监测，实时显示测量数据，并将监测结果上送传输层，以便工作人员实时监测现场环境状态，及时发现 SF₆泄漏现象和缺氧情况，并根据现场境况采取相应措施。

2.2物联网传输层的设计

传输层主要是为了完成感知层与应用层之间的数据传输与通信，实现监测装置的集中化管理，使得监测装置的操作平台的可移植。其中4G通信技术已在我国大面积覆盖，4G一旦建立连接，就可以实现数据的永远在线，可实现本系统中的实时在线监测。虽然4G通信技术传输速度较低，由于本系统的感知层的传输内容仅为浮点型或字符串信息，对带宽要求不高，因此可选用4G通信技术作为本系统的通信方式。

2.3物联网应用层的设计

采用4G技术，实现报警系统与应用平台的即时通讯。应用平台可通过浏览器或者客户端登录方式与现场报警装置统进行通讯，记录并存储现场报警系统的监测数据，对数据进行分析处理，帮助工作人员对报警系统的运行状态进行评估和决策，根据需要对报警系统发送比对或校准的控制命令，驱动报警系统现场进行自诊断、比对或校准。实现不用到现场即可对所需范围内 SF₆气体在线泄露监测装置的监管和远程校准，以保证装置的可靠运行，保障工作人员的身体健康和生命安全。应用层服务通过 HTML+CSS+JavaScript 技术实现的，是整个系统的监控中心，主要包括以下模块：登录模块、注册模块、实时监控模块、历史校准记录模块、校准报告模块。数据管理平台可以实现以下功能：实现 SF6监测设备数据的可视化、管理人员可以对数据进行增删改查；向设备和移动终端推送信息，通过设备控制指令，实现管理人员对 SF6设备的远程监测和校准。

4 总结

随着更加先进的控制技术的应用，SF₆气体泄漏环境在线监测装置更多地和换流站安全系统融合，逐步与消防等系统结为一体，如SF₆含量过高后联动启动风机或者其他报警装置等。同时不仅局限于对SF₆气体的监测，还能开发出更多的人机交互功能让换流站运行人员能够与厂家直接沟通进行远程协助。还具备一定的数据挖掘功能，建立起基于本站所采集的数据模型，让整套装置具备更好地维护性。

参考文献

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