楊道華，譚秋林，熊繼軍，陶 超

(1.中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；3.河南省日立信股份有限公司，河南鄭州 450001)

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SF6純度與分解產(chǎn)物檢測儀

楊道華1，2，譚秋林1，2，熊繼軍1，2，陶 超3

(1.中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；3.河南省日立信股份有限公司，河南鄭州 450001)

針對電力行業(yè)對于SF6純度和分解產(chǎn)物精確測量的需求，設(shè)計一種SF6純度與分解產(chǎn)物檢測儀。檢測儀集成數(shù)字式紅外SF6純度傳感器和H2S、SO2、CO電化學(xué)傳感器，電化學(xué)傳感器輸出的模擬檢測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后同SF6純度傳感器輸出的數(shù)字檢測信號一起送至主控芯片STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。完整的軟件架構(gòu)使檢測儀具有校準(zhǔn)、存儲、查詢、通信等功能，溫度補償和傳感器信號矩陣算法保證了其測量準(zhǔn)確度。試驗結(jié)果表明，該檢測儀SF6純度測量相對誤差≤0.04%，分解產(chǎn)物測量相對誤差≤2.0%。

SF6純度；SF6分解產(chǎn)物；溫度補償；傳感器矩陣

0 引言

近年來，空氣絕緣開關(guān)(Gas Insulated Switchgear，GIS )由于安全性強、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點而被廣泛用于高壓配電設(shè)備中。SF6氣體在GIS內(nèi)部主要充當(dāng)理想的絕緣和滅弧介質(zhì)，它在正常工作狀態(tài)下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。但在設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)高溫、局部放電或純度不足時，SF6將發(fā)生分解，產(chǎn)生H2S、SO2、CO等有毒氣體，使電氣設(shè)備的絕緣性能下降。因此，在電力系統(tǒng)中，主要通過檢測SF6氣體純度和分解產(chǎn)物H2S、SO2、CO含量來及時發(fā)現(xiàn)、處理設(shè)備內(nèi)部缺陷和故障[1]。

目前所售的檢測儀只能單一地測量純度或者分解產(chǎn)物，并且部分儀器靈敏度低、穩(wěn)定性差，不能滿足實際現(xiàn)場的需要。針對電力部門精確測量的需求，設(shè)計一款能夠同時檢測SF6純度及分解產(chǎn)物含量的儀器。

1 系統(tǒng)測量原理

1.1 SF6純度測量原理

SF6化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，屬于惰性氣體，測量該氣體純度的方法主要有氣相色譜法、熱傳導(dǎo)法、紅外光譜吸收法等。本系統(tǒng)選用非分光紅外(Non-Dispersive Infra-Red，NDIR)SF6傳感器。

非分光紅外傳感器[2-3]的基本原理：一定頻率寬帶調(diào)制光源發(fā)出紅外光穿過傳感器氣室時，待測氣體將吸收特定波長的紅外光。出射光經(jīng)過兩個窄帶濾光片照射到雙通道探測器上，轉(zhuǎn)化成檢測和對比電信號。氣體吸收導(dǎo)致光強衰減程度和氣體濃度之間的關(guān)系遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定理：

I=I0e-KcL

(1)

式中：I為紅外光被氣體吸收后的發(fā)光強度;I0為紅外光被氣體吸收前的發(fā)光強度;K為氣體吸收常數(shù);c為待測氣體濃度；L為紅外光通過氣室的長度。

如圖1所示，紅外光源根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)制頻率發(fā)出波長為10.55 μm(SF6的吸收峰值波長)的紅外光。被SF6氣體吸收過的紅外光通過兩種不同的窄帶濾波片，由雙通道熱釋電探測器轉(zhuǎn)化成交流電信號。交流電信號通過放在光學(xué)部件后的前置放大電路放大處理后，再經(jīng)過二次放大整流電路得到與氣體濃度對應(yīng)的信號，最后進(jìn)入采樣系統(tǒng)校正、補償輸出氣體純度。

圖1 紅外SF6分解產(chǎn)物測量原理

1.2 SF6分解產(chǎn)物測量原理

目前，SF6分解產(chǎn)物檢測方法有多種：檢測管法、氣相色譜法、紅外光譜法、電化學(xué)傳感器法等。電化學(xué)傳感器主要由浸沒在電解液的3個電極組成：工作電極、對電極、參比電極，如圖2所示。其工作的機理是：擴散進(jìn)入傳感器的氣體在工作電極表面發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，在對電極發(fā)生與之相對的逆反應(yīng)，在外部電路上形成電流。根據(jù)電流和濃度的線性關(guān)系推出被測氣體的濃度。

圖2 電化學(xué)傳感器內(nèi)部組成圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩類測量的原理不同，因此選用不同的測量氣室。可以通過調(diào)節(jié)儀器上的SF6分解產(chǎn)物檔和SF6純度檔來實現(xiàn)SF6分解產(chǎn)物和SF6純度的測量。檢測儀的氣路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 檢測儀氣路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件設(shè)計

硬件電路主要包括：主控MCU、傳感器及信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換部分、擴展存儲、觸摸顯示屏等，整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中主控MCU選用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型閃存微控制器STM32F103VE[4]，A/D轉(zhuǎn)換采用24位AD7718模數(shù)轉(zhuǎn)化器。

圖4 SF6純度及分解產(chǎn)物檢測儀整體框圖

工作時，傳感器檢測輸出的電信號，通過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后，得到一個與待測氣體濃度相對應(yīng)的數(shù)字信號，主控MCU對數(shù)據(jù)處理后送至上位機以及觸摸屏上顯示。同時系統(tǒng)采用流量傳感器和溫度傳感器實時檢測氣路流量和系統(tǒng)溫度。

2.2.1 傳感器選型及信號調(diào)理電路

SF6純度傳感器采用德國進(jìn)口紅外氣體傳感器，其輸出的數(shù)字信號通過Modbus ASCII協(xié)議上傳到微處理器中。SO2、H2S和CO傳感器，都采用英國進(jìn)口傳感器，它們線性范圍寬，量程分別為0～100 ppm、0～100 ppm、0～500 ppm。

下面以H2S的電化學(xué)傳感器信號處理電路設(shè)計為例介紹。H2S處理電路如圖5所示。

圖5 H2S信號處理電路

在圖5中，場效應(yīng)管Q1短接了參比電極和工作電極；U1與對電極、工作電極形成電化學(xué)通路；U3是一個跨阻運算放大器，將微弱的電流轉(zhuǎn)化成電壓信號；U2是二級放大，將信號調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換器能夠采集的范圍。

2.2.2 顯示、外部存儲及通信電路

采用分辨率為320×240的TFE3224b液晶屏，支持256色。該屏具有觸摸功能，需要與觸摸屏控制芯片ADS7846配合使用。檢測儀支持用戶數(shù)據(jù)保存，片內(nèi)存儲有時候不能滿足要求，需要外擴存儲。采用4片AT24C512作為數(shù)據(jù)儲存器，芯片直接掛在串口通訊上，根據(jù)芯片的地址選擇引腳的高低電平確定地址范圍。使用串口芯片將微處理器的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，通訊采用Modbus協(xié)議，串口芯片選用AX3223。

2.3 軟件設(shè)計

軟件選擇C語言編程，采用模塊化編程思想，按照功能可劃分為觸屏輸入、顯示、校準(zhǔn)、通信、數(shù)據(jù)處理、存儲等模塊。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

檢測儀上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著顯示主界面，啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理并顯示測量濃度，同時檢測是否有觸屏信號，處理并調(diào)用菜單程序。在進(jìn)入功能菜單前需要輸入密碼，然后根據(jù)各子菜單功能進(jìn)行相關(guān)功能操作。其菜單架構(gòu)如圖7所示。該檢測儀提供中英文雙語菜單界面供用戶選擇，方便用戶操作。

圖7 功能菜單架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)處理

SF6分解產(chǎn)物檢測方法采用電化學(xué)傳感器測量精度高，檢測速度快，可靠性強，但存在溫度影響顯著和交叉干擾的缺點，通過溫度補償減弱溫度影響和傳感器矩陣算法減小交叉干擾。

3.1 溫度補償

電化學(xué)傳感器信號的輸出與溫度有著密切的關(guān)系，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊得到溫度與傳感器輸出信號的關(guān)系，如圖8所示(以20 ℃的輸出為標(biāo)準(zhǔn))。

圖8 溫度特性曲線圖

采用二次曲線擬合的方法確定CO、H2S、SO2的溫度特性如下：

Y=0.896 99+0.005 950 1X- 0.000 045 42X2

Y=0.940 16+0.003 022 7X-0.000 007 468X2

Y=0.920 70+0.004 341 1X-0.000 036 25X2

式中：X表示溫度值，℃；Y代表當(dāng)前溫度下傳感器輸出信號與20 ℃下輸出信號的比值。

3.2 交叉干擾處理

電化學(xué)傳感器的工作原理決定了可能對多種化學(xué)性質(zhì)相似的氣體同時有感應(yīng)的情況，這種現(xiàn)象稱作交叉干擾。為了減小干擾氣體影響，英國Citytech公司的SO2傳感器在進(jìn)氣口外安裝一層H2S氣體的過濾膜，但是這種方法只能消除某一氣體的干擾。

系統(tǒng)采用軟件算法對干擾信號進(jìn)行補償處理。采用傳感器矩陣的思想，真實氣體體積分?jǐn)?shù)的信號量和傳感器輸出信號量的關(guān)系滿足：

Y=AX

式中：A為傳感器的交叉干擾系數(shù)矩陣A={αij}(1≤i≤3，1≤j≤3)；X為真實氣體體積分?jǐn)?shù)的矩陣X=[x1，x2，x3]T；Y為傳感器輸出信號矩陣Y=[y1，y2，y3]T。

矩陣A可以通過傳感器手冊的參考干擾系數(shù)和實驗數(shù)據(jù)得到，通過矩陣求逆：

X=A-1Y

可得到真實氣體體積分?jǐn)?shù)[5]。

將檢測儀測量旋轉(zhuǎn)到SF6純度檔，放到恒溫箱內(nèi)，使用多組分動態(tài)配氣系統(tǒng)配置背景氣為N2的不同純度的SF6氣體，記錄純度試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 不同溫度下純度試驗數(shù)據(jù)

同理檢測儀旋轉(zhuǎn)到SF6分解產(chǎn)物檔，配制背景氣為SF6的H2S、SO2、CO混合氣體，分解產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下分解產(chǎn)物試驗數(shù)據(jù)

由表1可以看出在不同溫度下純度的相對誤差≤0.04%。由表2知H2S和SO2相對誤差≤2.0%，CO相對誤差≤0.9%，說明該檢測儀滿足設(shè)計的要求。

4 結(jié)束語

研制成功的檢測儀能實現(xiàn)對SF6純度和分解產(chǎn)物的測量，并能通過與上位機通信，存儲歷史數(shù)據(jù)。實踐證明，通過選用高精度的傳感器、調(diào)理電路，經(jīng)過溫度補償和抗交叉干擾處理，檢測儀的精度十分優(yōu)異。目前，該檢測儀已實際用于電力部門的定期檢修和故障排查現(xiàn)場，為電力部門工作人員了解GIS內(nèi)部情況提供科學(xué)的依據(jù)。

[1] 屈軍.電力系統(tǒng)SF6氣體分解產(chǎn)物檢測研究.南方電網(wǎng)技術(shù)，2012(6)： 61 -64.

[2] 熊友輝，蔣泰毅.電調(diào)制非分光紅外(NDIR)氣體傳感器.儀表技術(shù)與傳感器，2003(11)： 4 - 6.

[3] 陳世海，張申，牛光東，等.基于MSP430的紅外瓦斯檢測儀設(shè)計.煤礦機電，2006(4)： 12 -14.

[4] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5] 張華，楊莉.多參數(shù)氣體檢測設(shè)備數(shù)據(jù)處理研究.自動化與儀表，2008，23(10)： 20 -22.

Design of Detector for SF6Gas Purity and Decomposition

YANG Dao-hua1，2，TAN Qiu-lin1，2，XIONG Ji-jun1，2，TAO Chao3

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China;3.Henan Relations Ltd.，Zhengzhou 450001，China)

For the requirements of accurate measuring of SF6gas purity and decomposition in the electric industry, the design of a detector was put forward. The digital infrared SF6gas sensor and H2S, SO2and CO electrochemistry sensors were integrated. The analog signals of electrochemistry sensors were processed and converted into digital signals, which were put into STM32F103 with the digital signal of SF6sensor to be processed and controlled. Complete software architecture made the detector equipped with the functions of calibration, storage, inquiry, communication and so on. Through temperature compensation and sensor data matrix, the accuracy was guaranteed. The results show that the relative error of SF6purity is less than 0.04%, and the relative error of the decomposition is less than 2.0%.

SF6gas purity;SF6decomposition; temperature compensation; sensor data matrix

2014-01-27 收修改稿日期：2014-10-12

TH832

A

1002-1841(2015)02-0036-03

楊道華(1990—)，碩士研究生，主要研究方向為智能儀器儀表。E-mail：yangdaohua1990@163.com