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(1.浙江開關(guān)廠有限公司，浙江 衢洲 324000；2.浙江昆侖園林工程有限公司,浙江 衢州 324000)

基于LM3S9B96的SF6氣體微水密度在線監(jiān)測系統(tǒng)

陳緒杰1，馮穎姣1，王振2

(1.浙江開關(guān)廠有限公司，浙江 衢洲 324000；2.浙江昆侖園林工程有限公司,浙江 衢州 324000)

介紹了高壓電器設(shè)備廣泛使用的SF6氣體的微水含量和密度在線監(jiān)測方法，詳細闡述了通過測量SF6氣體的溫度和壓力數(shù)字求解SF6氣體密度的過程。采用歸一化的方法消除溫度和壓力對SF6氣體水分含量值的影響，使得判斷微水含量是否超標更加準確直觀。給出了基于高性能的嵌入式處理器LM3S9B96在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖和部分軟件實現(xiàn)。

SF6氣體；微水含量；在線監(jiān)測;LM3S9B96

1 引言

文中選用基于ARM Cortex-M3的32位MCU LM3S9B96，該芯片集成了在線監(jiān)測系統(tǒng)所需要的CAN通訊接口，高速采樣模塊以及100M工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊，借助于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)SF6氣體微水含量、密度信息的同步采集，傳輸及控制命令的執(zhí)行，基于以太網(wǎng)的可靠連接，解決了由于硬件接口差異或通信規(guī)約不同而導致的難于聯(lián)網(wǎng)的問題。

2 SF6氣體密度在線監(jiān)測方法

高壓設(shè)備氣室中充有SF6氣體后，判定其是否已滿足絕緣要求，常用SF6氣體密度來衡量。而直接監(jiān)測密度是比較難實現(xiàn)的，通常會轉(zhuǎn)化為對壓力的監(jiān)測。但SF6氣體的壓力會隨溫度發(fā)生變化。因此，為了準確反映壓力變化是由于漏氣還是溫度改變引起的，需要通過溫度補償?shù)男拚椒?，無論外界溫度如何化，始終可計算對應20℃的標準壓力。SF6氣體密度在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集溫度、和壓力兩個特征量，并對兩個特征量進行處理，因此該子系統(tǒng)主要由溫度、壓力傳感器和LM3S9B90、PC機等組成。對于氣體壓力、溫度、以及密度之間關(guān)系，目前最常見的SF6氣態(tài)方程如下所示[2]：

P=0.57×10-4ρt(1+B)-ρ2A

(1)

式中，P為壓力(MPa)；t為溫度(K)；ρ為密度(kg/m3)；系數(shù)A、B分別為：

A=0.75×10-4(1-0.727×10-3ρ)

(2)

B=2.51×10-3ρ(1-0.84×10-3ρ)

2011年9月17日，紐約爆發(fā)了“占領(lǐng)華爾街”的抗議浪潮，10月15日席卷全球80多個國家和地區(qū)，950多個城市相繼爆發(fā)抗議銀行大公司貪婪和財政緊縮政策的示威游行?？棺h者的主要口號是“99%vs1%”，意指1%的金融寡頭掠奪了其余99%的美國人的財富，他們指責美國政府將本應該用于社會保障的納稅人的錢去救助面臨破產(chǎn)的華爾街，此次抗議表明民眾對美國政府的失望和不滿已經(jīng)積累到了一定的地步。

(3)

將(2)、(3)式代入方程(1)式，將密度單位改為(kg/L3),通過整理可得到關(guān)于ρ的三次方程：

(54.525-0.12103722×t)ρ3+(0.14307×t-75)ρ2+(0.057×t)ρ-P=0

(4)

Mκ+1=-

(5)

將上式轉(zhuǎn)化為定點計算算法，可大大加快單片機處理數(shù)據(jù)速度，經(jīng)過迭代可得出M值，從而可計算出當前SF6氣體密度ρ。

3 SF6氣體微水含量在線監(jiān)測方法

SF6氣體微水含量在線監(jiān)測需要采集濕度、溫度和壓力3個特征量，并對這3個特征量進行預處理，傳送、存儲、判斷和顯示等。只需在上述密度在線監(jiān)測系統(tǒng)加一個濕度傳感器。SF6氣體微水含量的檢測屬于低濕度測量范疇，本系統(tǒng)采用的是Humirel公司生產(chǎn)的低相對濕度變送器HM1520。該變送器能長期處于低濕環(huán)境下工作、反應時間快、精度比較高。可直接測量SF6氣體相對濕度RH。通常工業(yè)現(xiàn)場采用20℃時的SF6氣體實時含水量作參考標準[4]，本系統(tǒng)采用歸一化修正公式對所測量的相對濕度值進行修正，以便于與參考值進行比較。

(1)基于HM1520的相對濕度計算：

RH=(0.195×Vout)/Vs-38.5

(6)

Vout(mV)即AD采樣得到的值，Vs為5V。

(2)實時濕度計算：

(7)

(3)20℃濕度修正計算：

采用濕度修正公式[3]:

(8)

式中：H2為20℃的微水體積比(μL/L)；H1為實時微水含量值；P1為SF6氣體實時測量氣壓值；P2為換算到20℃時的SF6氣體氣壓值；P1s為實時測量溫度下的飽和水氣壓；P2s為20℃飽和水氣值。采用上述修正公式，將(7)式代入(8)式可得到如下公式：

(9)

P20°C由式(1)計算，20℃和23℃飽和水氣壓分別為2385.54Pa、2810.06Pa，大氣壓取101.3kPa，將已知量代入(9)式可計算出20℃濕度。

4 基于LM3S9B96在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由溫度、濕度、壓力傳感器，嵌入式微處理器、告警、顯示以及PC機等組成。由于SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測要實時、準確地處理大量數(shù)據(jù)，這就對單片機性能有較高要求、本系統(tǒng)選用TI的嵌入32位的 ARM CortexTM-M3處理器內(nèi)核的單片機LM3S9B96，自帶高速12位A/D轉(zhuǎn)換模塊。單片機將采樣的數(shù)據(jù)進行計算和修正處理，并與標準值比較判斷是否進行告警和閉鎖等操作。并通過液晶LCD顯示當前SF6氣體的溫度、密度、20℃壓力以及微水含量等。分時將歷史數(shù)據(jù)和歷時記錄通過SNMP網(wǎng)絡(luò)或RS485總線傳送到PC機后臺，一臺PC機可同時與多個在線監(jiān)測系統(tǒng)通信。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)框

(1)傳感器模塊：在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器部分除了前面介紹的濕度傳感器還需要溫度和壓力的傳感器，溫度測量采用集成溫度傳感器 AD590MH，美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，M檔精度最高，非線性誤差為±0.3℃，滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求?？紤]到被監(jiān)測SF6開關(guān)設(shè)備的絕對壓力一般不超過 8 個大氣壓，故選擇測量范圍為 0～1MPa 的擴散硅壓力變送器。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊：TI公司LM3S9B90單片機擁有豐富的片內(nèi)資源有效地簡化了設(shè)計的復雜性。集成256K單周期Flash存儲器，96KB SRAM，可支持IEEE1588 PTP的集成MAC和PHY的10/100以太網(wǎng)，2個12位 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，每個 ADC 模塊都包含 4 個可編程的序列發(fā)生器，無需控制器干預即可自動完成對多個模擬輸入源的采樣。運行速度可達80M，保證了采樣和數(shù)據(jù)的快速處理。

(3)與PC機通訊模塊：由于LM3S9B90單片機集成了以太網(wǎng)接口，本系統(tǒng)采用SNMP(Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)與PC機通訊，并預留RS485通訊接口可備用。 開發(fā)相應的SNMP底層協(xié)議，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過Internet遠程登錄訪問。

4 LM3S9B96軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括SF6氣體密度、微水含量計算和修正程序、LM3S9B96初始化、主程序以及與PC機通信的SNMP協(xié)議的實現(xiàn)等。主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

SF6氣體密度計算流程圖如圖3所示。

圖3 SF6氣體密度計算流程圖

5 結(jié)語

SF6氣體微水密度在線監(jiān)測系統(tǒng)對高壓電器設(shè)備的SF6氣體實現(xiàn)實時溫度、壓力、相對濕度(RH)的在線監(jiān)測。通過20℃時的壓力值和氣體密度值可直接判斷氣體泄漏狀態(tài)，結(jié)合SF6氣體20℃時的水分體積比和相對濕度判斷微水含量是否超標。對監(jiān)控量顯示，不僅可以通過單片機與PC機現(xiàn)場顯示，還可以通過Internet遠端查詢。在實驗過程中，該系統(tǒng)工作可靠，精度滿足設(shè)計要求，節(jié)約了對高壓電器設(shè)備定期離線檢測所投入的物力和人力，同時也延長了設(shè)備的使用壽命。

[1] 袁峰，徐洪，李振博.采用露點法的SF6微水含量變送器[J].高壓電器，2010，46(12):93-94.

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[3] 湯義勤.GIS微水在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用與研究[D].浙江：浙江大學，2011.

[4] 李艷秋.GIS微水含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學，2006.

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TheOn-lineMonitoringSystemoftheSF6GasMoistureContentandDensityBasedonLM3S9B96

CHENXu-jie1,FENGYing-jiao1,WANGZhen2

(1.Zhejiang Switchgear Factory Co.,Ltd,Quzhou 324000,China;2.Zhejiang KunLun Gardens Engineering Co.,Ltd.,Quzhou 324000,China)

Introduction was made to an on-line monitoring method for the density and moisture content of SF6gas which is widely used in high-voltage electrical equipment.By measuring the temperature and pressure,the digital solving SF6gas density process is analyzed in detail.It eliminates the effect of temperature and pressure to the moisture content value through renormalization,which makes the moisture content alarm judgement explicitly.the relevant hardware diagram and partial software implementations is also discussed in detail ,which is based on higher-performance embedded processor LM3S9B96.

SF6gas;moisture content;on-line monitoring;density

1004-289X(2017)03-0074-04

TM76

B

2017-01-19

陳緒杰(1981-)，女，工程師，主要從事高壓電器工作。