六氟化硫在線自動采樣監測系統開發

黃成吉，葉國強，李 麗，盧志江，周永言，吳曉峰，樊小鵬

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體由于具有優良的絕緣滅弧性而被廣泛地應用于高壓電氣設備中[1]。但SF6在設備中運行后，由于運行過程中放電和高溫高壓的作用，導致氣體分解成一系列劇毒的低氟化物（SO2、SF2、SOF2等），當泄漏到空氣中就容易對人的身體造成威脅[2]。目前現有的六氟化硫檢測方法是定期從SF6斷路器充氣口導出氣體到專用的測試儀器，主要有檢漏儀和密度繼電器，利用這些儀器檢測氣體的純度、濕度等相關參數，這種離線的檢測方式存在檢測實時性差、檢測方法的操作過程繁瑣和造成環境污染等缺點[3]。為實現SF6氣體的在線采樣監測、氣體各項指標的自動檢測及其監測過程的自動控制，本文設計了六氟化硫在線采樣檢測系統。

1 總體方案設計

六氟化硫在線采樣檢測系統總體方案設計如圖1所示。本方案以SF6氣體綜合分析儀為檢測主體，以西門子PLC S7-200為控制核心，主要包括三個方面的研究內容。

（1）西門子PLC通過對電磁閥的開斷控制、對氣泵和壓力開關進行控制，進而控制氣體采樣回路，使其按照一定的流程進行循環。

（2）通過SF6綜合分析儀，可以檢測出SF6氣體的溫濕度、純度及其分解產物。這些檢測數據通過RS485接口可以反饋至PLC內，為PLC的中斷或急停等命令提供依據。

圖1 總體方案設計圖

（3）觸摸屏與西門子PLC之間的通訊。

系統的主要工作原理為：操作者在觸摸屏上進行通道的選擇之后，通過RS485接口把數字量傳入PLC，PLC掃描需要檢測的通道，輸出信號控制相應的電磁閥，通過控制電磁閥的開關使回路完成氣路初始化、抽真空、測量、氣體回充四個流程。另外，氣路單元中的壓力開關通過檢測通道的壓力向PLC反饋模擬量，經PLC處理后判斷是否繼續抽真空。SF6氣體綜合分析儀中測量的各項數據通過RS485接口傳送至PLC中，再通過PLC與觸摸屏之間的通訊把數據顯示在觸摸屏上，一旦氣體的各項指標超出系統設定的安全值，觸摸屏就會發出報警信號，通過PLC發出急停或中斷指令。

2 系統硬件架構

2.1 氣體采樣回路結構設計

系統的氣體采樣回路結構如圖2所示。SF6氣體通過氣體采樣回路與SF6氣體綜合分析儀相連，其電磁閥由PLC控制，以完成SF6氣體從抽真空到檢測、回充幾個過程自動進行。

（1）初始化狀態。在此狀態下，所有電磁閥呈關閉狀態。

（2）抽真空狀態。在以往的檢測過程中，氣路中難免會有些殘余氣體，而殘余氣體的存在會導致檢測結果出現誤差，因此必須把殘余氣體抽除干凈。伴隨著狀態的切換，抽真空裝置自動啟動，此時YV5、YV6、YV8、YV9、YV10這五個電磁閥得電打開，進行中間氣路的抽真空。氣路的真空度由抽真空清潔檢測開關檢測，當真空度達到系統設定值時，檢測開關反饋信號至PLC，由PLC發出指令，關閉抽真空裝置。

圖2 氣體采樣回路結構圖

（3）檢測狀態。氣路在抽真空程序過后，殘余氣體得到清除，此時關閉YV6、YV9，打開YV7、YV11。為避免SF6采樣氣體進入抽真空裝置通道，YV1延時打開。此時SF6氣體進入氣體綜合檢測儀進行檢測，檢測后的氣體在氣體回收裝置的作用在集中在活塞中。為保護SF6綜合分析儀，氣路中設置了SF6流量控制閥。檢測時間由操作者設定，持續一定時間后，檢測結束。

（4）氣體回充。檢測結束后SF6氣體仍殘留于氣路中，為了不造成氣體的浪費和避免環境的污染，需將氣體回充至氣瓶中。當切換至回充狀態時，關閉YV5、YV7、YV8、YV11，氣泵驅使氣體回充裝置擠出活塞內的氣體，回充至氣瓶中。當氣路中的壓力達到設定值后，壓力檢測開關反饋模擬量至PLC中，由PLC發出指令，停止回充。回充完畢后，關閉YV1、YV10。

2.2 控制系統確定

控制系統的核心主要包括PLC和觸摸屏。由于西門子S7-200系列的PLC廣泛應用于各種場合中的檢測、監測及控制的自動化，具有極高的可靠性與極強的抗干擾能力、強勁的實時特性和通訊能力、豐富的擴展模塊等優點[4]。因此在本控制系統中選擇西門子S7-200系列PLC作為控制單元的核心。結合監控系統中所需要的數字輸入量、輸出量與模擬量的接口分析，最終選用西門子CPU226與擴展模塊EM235來滿足硬件控制的要求。觸摸屏采用威綸MT6070ih型號觸摸屏，其優越的響應速度和良好的通訊能力可以滿足控制的要求。

3 系統軟件架構

3.1 PLC程序設計

本控制系統通過對氣路系統的控制來達到控制檢測流程的目的，控制流程圖如圖3所示。PLC主程序主要包括參數換算、電磁閥控制和流程轉換三個模塊。操作者可以通過觸摸屏選擇需要檢測的通道、流量值、檢測時間和氣泵充氣時間等系統參數。程序開始設置了一個讀取流量控制閥數值的中斷程序，與預設置的流量值作比較以控制流量值。程序開始執行后，被選擇的通道依次執行從氣路初始化到抽真空、檢測、回充的四個程序段。氣路初始化前設置了供氣泵充氣延時程序，抽真空到檢測程序段的轉化由抽真空壓力檢測開關所提供的信號觸發，檢測時間由用戶輸入，之后直接跳轉到回充程序段，最后由回充壓力開關提供的信號觸發檢測程序的結束。一次檢測完畢后判斷是否還需要進行下個氣路的循環檢測。

圖3 SF6氣路控制流程圖

3.2 觸摸屏程序設計

觸摸屏的設計包括SF6氣體檢測、檢測信息、用戶參數和系統參數界面的設定，結構如圖4所示。

圖4 觸摸屏操作界面結構

（1）氣體檢測。此界面的功能是控制SF6在線采樣控制系統的啟動與停止，以及工作過程中的流程監測。按下“開始”按鈕，系統啟動，進入氣體采樣檢測流程。再次按下“開始”按鈕，系統停止運行。另外，系統進行在線采樣檢測過程中，對應的狀態指示燈閃爍。例如，系統正在對通道1進行檢測時，對應屏幕下方會顯示“正在檢測通道1”，同時，進入“抽真空”狀態后，抽真空指示燈持續閃爍，直至抽真空狀態結束。同理，進入“檢測”狀態后，檢測指示燈持續閃爍直至檢測完成。

（2）用戶參數。此界面的功能是實現多通道的自由選擇以及，檢測時間間隔的設定。用戶設定好檢測時間間隔以后，進行通道選擇，可使系統按照用戶要求自動檢測。例如，用戶設定時間間隔為1天，選擇通道1，3，4。系統將每隔1天對通道1，3，4進行在線檢測。

（3）檢測信息。此界面的功能是顯示檢測信息。用戶選擇通道后，可查看不同通道的檢測信息。并且，用戶可以按照需要保存檢測數據。

（4）系統參數。此界面的功能是對系統參數進行設計。可設定各參數報警值，以及自動報警開關。點擊“返回”按鈕可以返回至“模式選擇”界面。

4 現場調試

SF6在線自動采樣監測系統的現場調試包括PLC程序和觸摸屏設計的軟件調試，以及氣體采集回路結構和SF6氣體分析儀的硬件調試。

4.1 軟件調試

軟件調試包括PLC程序調試和觸摸屏程序調試。使用STEP 7-MicroWIN軟件將程序下載至PLC中，在運行中利用“開始程序狀態監測”對PLC程序進行檢測，結果顯示程序順利完成對輸出閥體開關的控制。觸摸屏程序與PLC聯機后，可以完成對各開關按鈕的控制，達到了預期的設計目標。

4.2 硬件調試

硬件調試包括氣體采樣回路結構和SF6氣體分析儀的調試。在現場進行了兩組實驗來驗證硬件平臺的可行性。首先進行的實驗是將濕度為-55°C的氣體直接通入SF6氣體分析儀，在通入氣體130秒后分析儀顯示SF6氣體濕度達到-55°C，其后數值保持穩定，該實驗驗證了SF6氣體分析儀檢測數據的有效性。第二組實驗是利用氣體采樣回路在自動檢測的模式下采得氣體，在流量穩定后170秒后氣體濕度達到-55°C，其后數值保持穩定，該實驗說明氣體在通過采樣回路后并不影響其測量結果，驗證了氣體采樣回路結構的有效性。實驗數據如圖5所示。

圖5 SF6氣體通過氣路與直接進入分析儀測量結果比較圖

5 結論

根據任務確定了SF6氣體在線自動采樣監測系統的檢測方式和控制方案，并選用PLC和觸摸屏對氣體回路系統進行了自動化控制。經現場調試運行，程序運行穩定性好、可靠性高、操作人性化和智能化，達到了設計要求，不但改善了SF6氣體采樣檢測的工作環境、實現了監測過程的自動化，還對能源節省和環境保護做出了貢獻。

［1］陳振生.GIS高壓電器SF6氣體密度、濕度及泄漏檢測技術［J］.電氣技術，2007（4）：16-20.

［2］吳淳天.淺談GIS設備SF6氣體泄漏及氣壓低補氣關鍵點控制［J］.電力與能源，2012（9）：375-376.

［3］陳化鋼.電氣設備預防性試驗方法［M］.北京：水利電力出版社，1994.

［4］周媛，李自樂.一種基于PLC控制的SF6氣體監測系統［J］.化工自動化及儀表，2010，2（38）：229-232.