多通道六氟化硫气体泄漏检测系统
摘 要六氟化硫(SF6)气体以其优异的绝缘和灭弧特性被广泛应用在断路器、封闭式组合电器、负荷开关等高压电力设备中。但是由于制造、安装等质量差异以及材料老化等因素，六氟化硫设备发生气体泄漏是一个普遍存在的现象。高压开关设备一旦发生泄漏，将给电力设备的安全运行和室内工作人员的安全带来严重的威胁。因此，实现对开关室内环境的实时泄漏检测具有十分重要意义。本文提出了基于红外六氟化硫传感器的多通道泄漏检测系统。主要研究设计了泄漏监测系统的软件和硬件部分。同时使用红外六氟化硫传感器和氧浓度传感器对环境中的气体进行检测。本系统中，为减少传感器数量，控制成本，设计了多通道采集的模式，使得一组传感器即可通过管道检测到多个位置。通道选择单元支持自动控制与手动控制两种方式，利于方便准确定位泄漏位置。设计彩色触摸屏以提供可视化的操作界面，实现数据实时显示、系统设置、在线校准等功能。触控操作比传统按键操作更便捷，人机关系更加高效、舒适。 红外传感器提高了系统检测精度，氧浓度传感器的辅助检测提高了系统的可靠性，多通道的设计更是大大降低了设备成本。系统整体功能完善，可作为开关室内的六氟化硫泄漏检测系统，具有较强的市场竞争力。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2课题相关研究现状 1
1.3课题主要内容和本文结构 2
第二章 系统方案及检测原理 4
2.1系统总体方案设计 4
2.2六氟化硫及氧含量检测原理 5
2.2.1六氟化硫检测 5
2.2.2氧气浓度检测 6
2.3 本章小结 7
第三章 系统硬件设计与实现 8
3.1总体功能的需求分析 8
3.2数据处理单元 8
3.3信号采集单元 9
3.4数据存储单元 11
3.5实时时钟单元 12
3.6人机交互单元 12
3.7通道选择单元 13
3.8 本章小结 14
第四章 系统软件设计与实现 15
4.1 软件系统
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
功能设计 15
4.2数据采集与处理模块 16
4.2.1AD转换程序 16
4.2.2数据处理程序 17
4.2.3数据形式转换与存储 18
4.3液晶显示模块 19
4.3.1串口指令处理 19
4.3.2组态屏开发流程 21
4.3.4功能界面设计 23
4.4 本章小结 24
第五章 系统综合调试 25
5.1系统调试及数据分析 25
5.2存在问题及解决办法 27
5.3 本章小结 28
第六章 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 30
参考文献 31
致 谢 33
附 录 34
附录A PCB及实物图 34
附录B调试图片 35
附录D 英文原文 37
附录D 中文翻译 43
绪论
1.1课题的研究背景与意义
六氟化硫(SF6)气体具有良好的电气绝缘性能和优异的灭弧性能。通常情况下，六氟化硫的击穿场强为空气的2.5~3倍；在高压开关设备中，六氟化硫气体的工作压力约为0. 6MPa，此时的击穿场强高出0. 1MPa 时空气的10倍, 因此它被广泛用于绝缘和灭弧[14]。六氟化硫设备的使用能够在有限的空间内保证绝缘和灭弧性能。但是，六氟化硫设备的大量使用，在使得电力生产更加安全可靠的同时，也让六氟化硫气体对环境、设备，尤其是现场工作人员的安全造成威胁[5,6]。
由于六氟化硫无色无味，故泄漏不容易被及时察觉，且六氟化硫泄漏会造成多方面的危害：一是泄漏导致设备内部六氟化硫的气体压力下降，严重降低气体的绝缘和灭弧能力，极易给设备的安全稳定运行带来危害[7]；二是泄漏的六氟化硫气体由于密度较空气大5倍左右，容易沉积在低洼处，若有人员不慎进入会出现窒息的危险；三是六氟化硫属于温室气体，且一个六氟化硫气体分子对温室效应的影响为CO2分子的 25000倍，发生六氟化硫会污染和破坏大气环境，增加温室效应[8,9]。
故此必须要采取有效的手段对六氟化硫设备进行气体泄漏检测，防止意外事故的发生。六氟化硫易沉降在低洼处且不易流动，故纯粹的单点监测不易及时发现泄漏隐患，且发现泄漏后也会由于场地面积较大给寻找泄漏点带来一定的难度。如果场地较大，安装多台泄漏检测装置则又会极大地增加监测成本。故本课题采用多通道抽气采集，单传感器检测的方式解决上述问题，只需一个传感器即可检测多个位置。在更快发现泄漏隐患的同时，也减少了寻找泄漏点的难度，而且大大降低设备成本，提高了市场竞争力。
1.2课题相关研究现状
当前，六氟化硫的测量方法有紫外线电离型、高频振荡无极电离型、电子捕获型、钢丝热电子发热型、负电晕放电型、气压表测量法、密度继电器测量法、半导体传感器法和激光红外成像法等多种[5]。目前，国内的检测装置从结构上看主要分为分布式和集中式两种。其中分布式的有点是价格较低、现场布置方便、检测点可以按照实际场地进行布置，能够有效地覆盖检测范围。但是分布式测试法使用原理简单、测量精度较低、寿命短，现场检修时由于连线复杂而造成维护量很大。集中式检测装置多为激光红外测试，精度高、寿命长，但是价格昂贵，属于比较先进的产品。
凌荣耀、欧林林、俞立研究的便携式灭弧气体检漏仪，利用负电晕放电原理检测六氟化硫气体的泄漏[10]。对便携式六氟化硫气体检漏仪的测量精度进行了测试及校准。该仪器成本比较低、灵敏度较高，且使用方便。
阮浩洁，张晓波，段晓雷等人设计了一种基于DSP的SF6监测系统[11]，将红外气体传感器和TMS320F2812相结合，采用按键输入和TFT彩色液晶屏显示；测量精度较高，体积很小；同时，系统具备友好的人机交互界面，较好地实现了SF6气体的实时监测和报警。
朱昌平，单鸣雷等人设计的基于CPLD的SF6微量气体浓度检测仪[12]，利用声波速度随二元混合气体比例不同而发生变化的原理，测量精度高，且测量的动态范围较大，利用温度补偿可实现一年四季可用。
曹通[13]，胡连清[14]，王东方[15]等人对六氟化硫红外检测进行了研究，红外检测法具有精度高、速度快等优点，并且可以在线测量，可以应用到实际中去。
从国内的研究现状来看，现有的六氟化硫检测系统都还有很大的提升空间，在检测精度与成本、现场布置与人机交互方面都能进一步改进。本课题综合考虑上述因素，权衡成本与检测精度，提出多通道检测法减少传感器数量来降低成本，使用彩色触摸屏触控操作，人机交互更加舒适、便捷。
1.3课题主要内容和本文结构
本课题的主要目标是研制一套多通道的六氟化硫气体泄漏检测装置，主要指标如下：
(1) 可支持多达10个通道的检测；
(2) SF6检测范围为01000ppm，检测精度为1ppm；
(3) 触摸屏显示，支持实时在线标定。
本文在研究当前国内六氟化硫泄漏检测系统的基础上，根据红外六氟化硫检测技术，确立了多通道采集，并同时使用六氟化硫和氧浓度传感器实现双重检测的方案。针对此方案，本文给出了详细的软硬件设计与实现，并搭建了六氟化硫泄漏检测系统，实现了多通道选择与切换，通过实验检测了该系统对六氟化硫气体的检测效果。最后给出了系统在应用方面存在的不足，分析了系统在实际应用中需要考虑到的因素，并给出了改进与完善系统的方案。
本文的其他章节结构安排如下：
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2课题相关研究现状 1
1.3课题主要内容和本文结构 2
第二章 系统方案及检测原理 4
2.1系统总体方案设计 4
2.2六氟化硫及氧含量检测原理 5
2.2.1六氟化硫检测 5
2.2.2氧气浓度检测 6
2.3 本章小结 7
第三章 系统硬件设计与实现 8
3.1总体功能的需求分析 8
3.2数据处理单元 8
3.3信号采集单元 9
3.4数据存储单元 11
3.5实时时钟单元 12
3.6人机交互单元 12
3.7通道选择单元 13
3.8 本章小结 14
第四章 系统软件设计与实现 15
4.1 软件系统
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
功能设计 15
4.2数据采集与处理模块 16
4.2.1AD转换程序 16
4.2.2数据处理程序 17
4.2.3数据形式转换与存储 18
4.3液晶显示模块 19
4.3.1串口指令处理 19
4.3.2组态屏开发流程 21
4.3.4功能界面设计 23
4.4 本章小结 24
第五章 系统综合调试 25
5.1系统调试及数据分析 25
5.2存在问题及解决办法 27
5.3 本章小结 28
第六章 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 30
参考文献 31
致 谢 33
附 录 34
附录A PCB及实物图 34
附录B调试图片 35
附录D 英文原文 37
附录D 中文翻译 43
绪论
1.1课题的研究背景与意义
六氟化硫(SF6)气体具有良好的电气绝缘性能和优异的灭弧性能。通常情况下，六氟化硫的击穿场强为空气的2.5~3倍；在高压开关设备中，六氟化硫气体的工作压力约为0. 6MPa，此时的击穿场强高出0. 1MPa 时空气的10倍, 因此它被广泛用于绝缘和灭弧[14]。六氟化硫设备的使用能够在有限的空间内保证绝缘和灭弧性能。但是，六氟化硫设备的大量使用，在使得电力生产更加安全可靠的同时，也让六氟化硫气体对环境、设备，尤其是现场工作人员的安全造成威胁[5,6]。
由于六氟化硫无色无味，故泄漏不容易被及时察觉，且六氟化硫泄漏会造成多方面的危害：一是泄漏导致设备内部六氟化硫的气体压力下降，严重降低气体的绝缘和灭弧能力，极易给设备的安全稳定运行带来危害[7]；二是泄漏的六氟化硫气体由于密度较空气大5倍左右，容易沉积在低洼处，若有人员不慎进入会出现窒息的危险；三是六氟化硫属于温室气体，且一个六氟化硫气体分子对温室效应的影响为CO2分子的 25000倍，发生六氟化硫会污染和破坏大气环境，增加温室效应[8,9]。
故此必须要采取有效的手段对六氟化硫设备进行气体泄漏检测，防止意外事故的发生。六氟化硫易沉降在低洼处且不易流动，故纯粹的单点监测不易及时发现泄漏隐患，且发现泄漏后也会由于场地面积较大给寻找泄漏点带来一定的难度。如果场地较大，安装多台泄漏检测装置则又会极大地增加监测成本。故本课题采用多通道抽气采集，单传感器检测的方式解决上述问题，只需一个传感器即可检测多个位置。在更快发现泄漏隐患的同时，也减少了寻找泄漏点的难度，而且大大降低设备成本，提高了市场竞争力。
1.2课题相关研究现状
当前，六氟化硫的测量方法有紫外线电离型、高频振荡无极电离型、电子捕获型、钢丝热电子发热型、负电晕放电型、气压表测量法、密度继电器测量法、半导体传感器法和激光红外成像法等多种[5]。目前，国内的检测装置从结构上看主要分为分布式和集中式两种。其中分布式的有点是价格较低、现场布置方便、检测点可以按照实际场地进行布置，能够有效地覆盖检测范围。但是分布式测试法使用原理简单、测量精度较低、寿命短，现场检修时由于连线复杂而造成维护量很大。集中式检测装置多为激光红外测试，精度高、寿命长，但是价格昂贵，属于比较先进的产品。
凌荣耀、欧林林、俞立研究的便携式灭弧气体检漏仪，利用负电晕放电原理检测六氟化硫气体的泄漏[10]。对便携式六氟化硫气体检漏仪的测量精度进行了测试及校准。该仪器成本比较低、灵敏度较高，且使用方便。
阮浩洁，张晓波，段晓雷等人设计了一种基于DSP的SF6监测系统[11]，将红外气体传感器和TMS320F2812相结合，采用按键输入和TFT彩色液晶屏显示；测量精度较高，体积很小；同时，系统具备友好的人机交互界面，较好地实现了SF6气体的实时监测和报警。
朱昌平，单鸣雷等人设计的基于CPLD的SF6微量气体浓度检测仪[12]，利用声波速度随二元混合气体比例不同而发生变化的原理，测量精度高，且测量的动态范围较大，利用温度补偿可实现一年四季可用。
曹通[13]，胡连清[14]，王东方[15]等人对六氟化硫红外检测进行了研究，红外检测法具有精度高、速度快等优点，并且可以在线测量，可以应用到实际中去。
从国内的研究现状来看，现有的六氟化硫检测系统都还有很大的提升空间，在检测精度与成本、现场布置与人机交互方面都能进一步改进。本课题综合考虑上述因素，权衡成本与检测精度，提出多通道检测法减少传感器数量来降低成本，使用彩色触摸屏触控操作，人机交互更加舒适、便捷。
1.3课题主要内容和本文结构
本课题的主要目标是研制一套多通道的六氟化硫气体泄漏检测装置，主要指标如下：
(1) 可支持多达10个通道的检测；
(2) SF6检测范围为01000ppm，检测精度为1ppm；
(3) 触摸屏显示，支持实时在线标定。
本文在研究当前国内六氟化硫泄漏检测系统的基础上，根据红外六氟化硫检测技术，确立了多通道采集，并同时使用六氟化硫和氧浓度传感器实现双重检测的方案。针对此方案，本文给出了详细的软硬件设计与实现，并搭建了六氟化硫泄漏检测系统，实现了多通道选择与切换，通过实验检测了该系统对六氟化硫气体的检测效果。最后给出了系统在应用方面存在的不足，分析了系统在实际应用中需要考虑到的因素，并给出了改进与完善系统的方案。
本文的其他章节结构安排如下：
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/1690.html
