数字式机电一体化SF6气体密度变送器

沈阳仪表科学研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 刘 妍 张 建 胡 竞

数字式机电一体化SF6气体密度变送器

沈阳仪表科学研究院有限公司 彭春文 袁克峰 董清波 刘 妍 张 建 胡 竞

数字式机电一体化SF6气体密度变送器，主要配套于变电站内SF6高压电器，用于监测设备内SF6气体密度参数,可输出继电器的闭锁信号、报警信号和RS485总线信号，介绍了其结构和电路原理，更好的满足了电力工业对变电站用高压电气设备工作安全性、可靠性、实时性的要求。

SF6气体；智能电网；密度；电磁兼容；RS485总线

1.引言

近年来，由于SF6气体绝缘强度高、灭弧特性好，已成为当今高压电气设备的首选绝缘灭弧介质。SF6气体的灭弧效果取决于其气体的密度，因此，有效监测设备内SF6气体的密度，防止其发生泄漏是此类设备安全运行的重要保证。

SF6密度监测技术经历了从压力表、机械指针式密度继电器、电子式SF6密度变送器发展阶段，但都有着其局限性。随着高压设备状态检修工作的全面展开，对监测的可靠性和准确性，避免人为失误，特别是这种非连续性监测在设备出现突发性泄漏时不能及时报警而酿成事故，要及时掌握组合电器GIS设备中的SF6密度及运行状态，“在线、实时、远传、集中、智能、可靠”的监测方式的要求，我们研制了数字型机电一体化的SF6气体密度变送器［1］，在输出继电器报警信号、闭锁信号的同时，又输出RS485总线信号，集控制、保护作用和监视作用于一身，以满足智能电网对变电站内高压设备的状态参数的远程在线监测的需求，为变电设备状态评价、风险分析、故障诊断、检修策略决策提供技术支撑。

2.原理

2.1 数字式机电一体化密度变送器的原理

机电一体化密度变送器由两部分组成如图1所示：指针式密度继电器和电子式密度变送器，在整机外形尺寸与指针式密度继电器一样的情况下，将气体接口分别与指针表和压力传感器相通取压孔相通，两个气体回路互不影响，指针式密度继电器通过压力测试管和温度补偿片，指针指示所受压力值，并输出闭锁信号和报警信号，起到控制和保护作用；压力传感器通过引压孔感受压力,同时有温度信号测量气体温度，单片机对压力信号和温度信号进行处理,以RS485总线形式输出密度信号传至上位机,实现远程监视和测量。

图1 数字式机电一体化密度传感器原理框图

2.2 电路原理

在高压开关领域，智能化程度和可靠性的要求越来越高，所以电路主要由两部分组成，抗干扰部分和信号处理部分，如图2所示。

图2 数字式机电一体化密度传感器电路原理框图

2.2.1 电磁兼容性设计

电力通讯设备的电磁兼容性在电网运行中占据着举足轻重的重要地位，他的性能优劣将直接影响到电网的安全稳定运行。电力系统本身就是一个强大的干扰源，容易产生或出现电磁干扰，例如高电压、大电流设备周围的电场和磁场，射频电磁辐射；雷电；供电电网的电压波动、电压突降和波动、谐波以及电子设备的工作信号和噪声等，特别智能控制单元都采用了微电子元件，工作电压低，输入信号弱，耐压水平低，易受外界电磁场干扰而导致控制单元顺坏和失灵。因此，该变送器对电磁兼容性能进行了优化设计。

图3 抗干扰电路

变送器采用了特殊的的抗干扰电路，如图3所示，抑制干扰源，建立共模电路网络和差模电路网络，有效的抑制扰动信号；采用DC/DC隔离模块切断干扰传播途径实现电路与电路之间的电气隔离，有效的解决地线环路带来的设备与设备之间的干扰；各级有滤波电路，将无用的骚扰滤除，使有用信号和骚扰的频谱隔离。

除了硬件电路的设计措施，同时在设计软件上增加自检、判断和滤波功能，结合总线物理层本身的优化设计，增强电子线路的抗干扰性能。

通过以上措施，很好的抑制了干扰，保证该变送器与其他设备在共同的电磁环境中互不干扰，功能共存。

2.2.2 信号处理部分设计

工程应用检测SF6气体的密度，是通过检测该气体20℃时的压力值（即P20）代替密度ρ[2]。该变送器是这样实现的：即变送器采集六氟化硫的压力P和温度T，通过电路对压力和温度信号进行处理, 传送给单片机MCU，基于SF6气体温度—压力曲线，转换为20℃时的压力值P20[3]，RS485总线形式输出密度信号传至上位机。

图4 SF6气体的温度—压力关系曲线

压力传感器采用线性好、温度稳定性高扩散硅压力传感器，其体积小、重量轻，安装使用方便。当被测气体发生变化时，压力作用在不锈钢隔离膜片上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变化，经过精密的补偿电路、信号处理芯片、最后转换成电压信号，该信号的变化正比于气体压力的变化。

压力传感器采用薄膜式Pt100铂热电阻，其反应快，机械性能好、耐振，便于安装，使用寿命长等特点，经信号电路输出正比于温度变化的电压信号。

信号通过多路开关进行A/D转换，传送给单片机进行信号处理。单片机依据温度—压力曲线，如图5所示，对数据经行处理，计算出相当于气体20℃时的压力值即P20，即SF6气体的密度ρ。

图5 RS485通讯部分电路原理图

因RS485总线本身就具有良好的抗噪声干扰性，长距离传输和多站能力等优点使其成为首选串行接口，但在工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于-7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

本变送器是通过带隔离的DC-DC电源模块U2，如图5所示,将系统电源和RS-485收发器U6的电源隔离,然后用光耦器件O1、O2、O3将信号隔离，并滤除接地回路和传导噪声引起的干扰,彻底消除共模电压的影响。为防止信号反射，在终端接有120欧姆的电阻，从而在长距离通信中具有更高可靠性。

3.特点及优势

机电一体化密度变送器集指针式密度继电器和电子式密度变送器于一体，只需一个过程接口连接管道，可实现两种测量功能。改善了原有指针式和电子式密度传感器分别安装造价昂贵、安装不便的安装方式，进一步提高了安装可靠性。

采用的温度压力补偿方法测量密度，克服了温度发生变化时压力也随之变化对密度带来的影响，更加正确地反映出漏气还是由温度变化所引起压力值的变化，使气体的密度测量的更加准确。

在结构上、硬件电路和软件上，都采取了抗干扰措施，有着极高的电磁兼容性，使系统实现可靠的测量。

发挥现场总线控制技术优势，实现了高压电气设备的智能管理，可以用一条总线，连接多个传感器，采集多个传感器信号到上位机，实现多点数据的采集、记录、分析、诊断及报警等功能，便于监测系统集中管理，做到准确及时掌握运行设备的状况，使运行人员及时掌握并提前处理事故隐患，保障电力电网安全供电。

4.结束语

数字式机电一体化SF6密度变送器，通过测量气室内SF6气体的压力和温度，利用软件温度补偿实现SF6气体密度的测量，既可以输出报警、闭锁信号，同时又能输出RS485总线信号，实现实时、可靠远传测量；同时该传感器体积小，节省安装空间，外观读数清晰，有着极高的电磁兼容性，适用于智能系统监测和测量，被广泛应用于220KV以下的高压开关GIS设备SF6气体密度的监测，真正实现了“在线、实时、远传、集中、智能、可靠”的测量。

[1]JB/T 10892-2008 电子式六氟化硫密度变送器.

[2]GB/T 8905 六氟化硫电子设备中气体管理和检测导则.

[3]陈家斌.SF6短路器实用技术[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

彭春文（1972—），高级工程师，主要从事压力、温度、位移等传感器的研制开发工作。