电力隧道环境综合监测系统有毒气体在线监测设计及实施要点

陈晓勇

摘 要：电力隧道环境综合监测系统作为保障电力隧道安全、可靠运行的重要信息化、智能化系统，由若干个子系统构成。本文对有毒气体在线监测子系统进行解构和分析，通过分析系统构成、工作原理等，以指导系统方案设计，为系统安装实施提供參考。

关键词：电力隧道;环境综合监测系统;有毒气体在线监测

中图分类号：U456.3;U459.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）31-0085-03

Integrated Monitoring System for Electric Tunnel Environment

Design and Implementation of Toxic Gas Online Monitoring

CHEN Xiaoyong

（Chongqing Yiwei Technology Co.， Ltd.，Chongqing 40000）

Abstract： As an important information and intelligent system to ensure the safe and reliable operation of power tunnel， the comprehensive monitoring system of power tunnel environment is composed of several subsystems. In this paper， the toxic gas on-line monitoring subsystem was deconstructed and analyzed， through the analysis of system composition， working principle， etc.， to guide the system scheme design， and provide a reference for system installation and implementation.

Keywords： power tunnel;environmental comprehensive monitoring system;toxic gas online monitoring

1 概述

电力隧道环境综合监测系统一般由电缆本体测温子系统，电子井盖防盗报警子系统，视频监控子系统，风机、水泵、灯光联动控制子系统，有毒气体监测子系统，无线通信子系统，以及电缆本体的局部放电、环流监测子系统等组成。各个子系统既各自实现对应功能，又为一个整体系统平台服务，且各个子系统的功能互为补充。例如，电子井盖防盗报警子系统和视频监控子系统互为联动补充，本文阐述的有毒气体监测子系统和风机联动控制子系统也互为联动补充。

电力隧道建设通常处于城市市政管网交叉密布中，往往和市政雨水、污水、排气等相关通道互为交叉。受大雨影响，污水、雨水排入隧道集水井中没有及时排出，可能导致隧道渗漏。腐质在集水井中腐败，产生甲烷、硫化氢等有毒气体。由于隧道常年处于封闭状态，因此，其可能会出现空气中氧气含量不足，一氧化碳超标或甲烷、硫化氢等有毒气体无法及时排出等情况。一旦有检修人员或临时施工人员进入隧道，会导致重大安全事故。建设有毒气体在线监测系统即是为了实时监测隧道空气中有毒气体含量，并联动排风系统实时将有毒气体排除，输入新风，保障进入隧道人员的人身安全。

2 系统构架

电力隧道有毒气体在线监测系统作为电力隧道环境综合监测系统中的一个子系统，主要由四部分构成：前端气体监测数据采集部分、数据传输部分、数据分析处理部分和联动通风部分。

系统工作原理即前端气体监测数据采集部分实时采集信号，并将信号传输至管理中心服务器，服务器通过对采集的数据进行分析，做出是否启动通风设备的决定，并发出指令启动通风设备。

2.1 前端气体监测数据采集部分

硫化氢是一种易燃的酸性气体，无色，浓度较低时有臭鸡蛋气味，有剧毒。一氧化碳在一些工业可燃性场所时，会与氧气混合，遇到火源会发生爆炸。在电力隧道这种相对封闭的环境中，当一氧化碳达到一定浓度时，会有损人体健康，危害作业安全，为有毒、有害气体。甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，会使空气中的氧含量明显降低，使人窒息。

这三种气体在封闭空间内和氧气混合，达到一定浓度时，易燃易爆。因此，这三种气体浓度较高时，不但对人体有巨大的毒性伤害，还可能导致隧道发生可燃气体爆炸，造成重大财产损失。

气体监测数据采集部分由硫化氢气体探测器、氧气气体探测器、一氧化碳气体探测器、甲烷气体探测器四种探测器组成。

2.2 数据传输部分

系统的传输部分由三部分构成：模拟量转RS485信号、RS485转网络信号、网络信号通过光纤传输到管理中心。

前端气体监测传感器实时输出模拟量信号，并将信号输入专用的模拟量接收模块。模拟量接收模块对输入的信号进行编码确认，通过RS485总线方式传输到485转以太网网络模块。

以太网网络模块将RS485信号转化成数字信号，通过网络交换机将数据传入中心机房综合应用服务器进行数字处理。隧道通常较长，因此，数字传输采用光纤加光设备的方式。

2.3 数据分析处理部分

数据分析处理分成两部分：自动控制部分和远程手动控制部分。

自动控制部分及综合应用服务器对传感器采集的实时数据设立阈值，并通过逻辑编辑。当个体气体浓度超过阈值时，服务器系统自动判定浓度超标，并发出告警信号，且自动下发启动通风指令。

远程手动控制模式则是综合管理服务器系统通过设定的单色气体阈值和实时采集气体浓度对比，发生浓度超标后发出告警信号，值班人员根据数值进行判断，通过控制软件客户端手动控制下发启动通风指令。

2.4 联动通风部分

综合管理服务器系统下发的指令为数字信号，通过交换设备传输至以太网转485模块，将数字指令转换成RS485信号进行传输。

风机联动是通过弱电继电器联动控制模块控制风机控制箱内的交流接触装置，实现风机的远程控制。

模拟量接收模块实时采集交流接触装置状态反馈信号，并通过控制软件客户端实时显示风机状态，服务器发出指令后，风机不会正常运行，避免风险。

系统拓扑图如图1所示。

3 设备选型

电力隧道内的电磁环境较为复杂，因此气体在线监测传感器本身采集的信息是否准确决定了整个系统的可靠性。在选择传感器时，既需要考察其采集信息的准确可靠性，还需要关注数据传输的稳定性。

对于气体探测器的选型，本文建议采用固态金属氧化物技术的气体探测器[1]。其传感器通常由金属氧化锡构成，通过改变电阻反映某种气体的存在。该类型探测器具备的优点符合电力隧道的工作环境：①该类型探测器的传感器寿命长，避免短时间频繁更换传感器;②气体类型探测较广、反应速度快、具备实时在线监测的条件。

传感器采集信息的输出信号采用模拟信号输出方式。所谓模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号[2]。传感器采用4～20mA直流信号，在复杂电磁环境下具备较强的抗干扰能力，且保证较长的传输距离。

硫化氢、一氧化碳、甲烷等为可燃气体，因此气体探测器的选型还需要考虑防爆等级。

模拟量接收模块、继电器联动控制模块数据传输在电力隧道中的安装位置处于一级汇聚点上，模拟量接收模块距离传感器或者风機控制箱的距离较近，继电器控制模块可能就安装于风机控制箱内交流接触装置旁。这类设备距离上一级汇聚点通常距离较远，且相对分散。因此，其和上一级数据通信传输，建议采用工业控制总线485方式。

典型的RS485工业总线传输具备以下特点;完全符合隧道复杂电磁环境下的中短距离控制指令的传输;模拟量接收模块、继电器联动模块传输的数据指令不多，RS-485的数据最高传输速率为10Mbps，完全可以满足其需求;RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好，可以保证数据传输的准确性;RS-485接口的最大传输距离标准值为1 200m，符合隧道控制节点设计的特点;既保证通信稳定性，又考虑到系统的经济性。

4 数字指令传输

数字指令传输指将模拟量接收模块和继电器联动模块的模拟信号指令转换成数字信号进行传输，主要为了解决隧道内各个控制汇聚点到中心机房的通信问题。

电力隧道通常较长，且一般设置一个中心控制机房位于隧道一端。隧道内各个汇聚节点和中心控制机房之间的采集信号和发送指令都通过光缆传输。由于隧道内汇聚节点较多，光缆接头较多，为了保证通信链路的可靠性和稳定性，建议各个汇聚节点的光交换设备采用环网交换设备，在一个汇聚节点出现故障的情况下，以保证隧道其他汇聚节点的数据正常通信使用。

5 综合管理服务器

为保证电力系统内的信息安全，综合管理服务器要求采用LINIX操作系统;由于气体监测传感器输出的为模拟量信号，综合管理服务器系统需要对采集的模拟量信号数据进行二次计算和调整，并准确实时地显示出所监测气体的浓度值。

6 实施要点

实施要点即在项目实时过程中，除了项目构建符合整个系统构架外，还需要根据现场的实际情况，因地制宜，在调整设备安装方式、安装范围的情况下保证系统功能的实现。下面就系统结构中的实施要点进行分析。

6.1 前端设备的安装位置

隧道中有毒气体的产生和释放主要来源在于隧道中设置的集水坑内的残留腐败物，因此，有毒气体监测传感器的安装位置以靠近集水坑为最佳，可以实时准确地采集附近空气质量数据。若隧道内两个相邻集水坑距离较远，则选择在两个相邻集水坑中部低洼地段设置为宜。

6.2 前端设备的安装高度

前端设备主要由氧气、硫化氢、一氧化碳、甲烷四种探测器构成，根据化学分子式得出四种气体的分子质量由大到小分别为硫化氢（34）、氧气（32）、一氧化碳（28）、甲烷（16）。因此，在墙面上垂直安装传感器设备高度由高到低分别为甲烷、一氧化碳、氧气、硫化氢。

空气的分子质量为29，硫化氢的密度比空气大，所以，在安装硫化氢探测器时，应安装在距离地面300～500mm，具体高度则要考虑电缆沟可能出现的因排水不及时导致传感器被浸湿的情况。其他三个设备依次向上，且传感器向下安装。

由上文可知，传感器模拟量选型通常采用4～20mA电流信号，通常采用3线制的方式，即直流供电正负极，信号输出正极，电源负极与信号输出负极共用的方式。要求采用防火阻燃屏蔽线，以增强信号传输的抗干扰能力，建议传感器采集信号距离模拟量采集模块距离不大于100m，以保证系统数据的真实性、可靠性。

7 结语

本文主要对电力隧道有毒气体在线监测系统的构成、工作原理进行分析介绍，并结合作者在相关工程实践中的经验成文，以供参考。

参考文献：

[1]徐毓龙，G.Heiland.金属氧化物气敏传感器（V）[J].传感技术学报，1996（4）：93-99.

[2]沈利荣，孙广，宋楠.基于4～20mA电流环的井下供电与信号传输方案研究[J].仪表技术与传感器，2013（3）：96-98.