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中國科技論文在線面向鐵路牽引變電所便攜式氣體檢測儀的 設計 基金項目：鐵道部科技司基金（2013J010-D）作者簡介：姓名：荊濤（1969 無線寬帶2、無線多媒體網(wǎng)絡 3、視頻壓縮編碼4、圖像篡改檢測信息 E-mail: （北京交通大學電子信息工程學院，北京，100044） 摘要：近些年來，隨著電氣化鐵路的迅速發(fā)展，氣體絕緣組合電器設備（簡稱GIS）在牽引變電所中的應用越來越廣泛。鑒于 GIS 組合電器中的 SF6 氣體具有良好的的滅弧性能和絕 緣特性，并直接影響著 GIS 組合電器的壽命，本文主要研究并設計了牽引變電所內(nèi) GIS 備中SF6氣體濃度及其分解物的便攜式氣體檢測儀，通過檢測 SF6 氣體濃度及分解產(chǎn)物，10 及時、有效地發(fā)現(xiàn)設備內(nèi)的潛在故障柴油檢測儀，并進行設備故障定位。本文設計的便攜式氣體檢測儀 使用多路傳感器進行數(shù)據(jù)交互校正，并進行了完整的系統(tǒng)設計，相對于在線式氣體檢測儀來 說，具有靈敏度高、操作簡便、移動范圍大，可迅速、準確的定性和定量檢測 GIS 的泄漏 點。文章詳細介紹了便攜式氣體檢測儀的工作原理和設計方案。 關鍵詞：牽引變電；氣體絕緣組合電器設備；SF6 氣體；多路傳感器；便攜式 15 中圖分類號：TM922.0 Design scheme portablegas detector towards tractionsubstation railwayJing Tao, Li XingHua, Gu ZiLing 20 (School InformationEngineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China) Abstract: recentyears, rapiddevelopment electrifiedrailway, gas-insulated switchgear equipment (referred tractionsubstation more morewidely. Given SF6gas GIScombined electrical apparatus have good 25 performance directimpact GIScombined electrical apparatus. papermainly studies onlineequipment monitorinEToncentration SF6gas itsdecomposition products GISequipment within tractionsubstation. We can timely effectivelydiscover latentmulfunction SF6gas itsdecomposition 30 products. portablegas detector using multiple sensors dataexchange calibration, completesystem, onlinegas detector, hashigher sensitivity, more easy operate,large range movement,can accuratelylocate GIS qualitative quantitativedetection paperdetaily introduces designscheme portablegas detector. 35 Key words: traction substation; online monitoring; SF6 gas multiplesensors; portable 引言隨著我國電氣化鐵路快速發(fā)展的趨勢,對牽引供電設備技術性能方面的要求不斷提高，在新 線路不斷建設的前提下，受環(huán)境影響小、高可靠性、集成度高、占地和占空間少及免維護的 40 新型牽引供電設備的需求日益迫切 全封閉組合電器是上世紀70年代出現(xiàn)的一種先進 的高壓電氣配電裝置，具有體積小、技術性能優(yōu)良等特性。

這種設備在國際上被稱為 Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS 。目前由于27.5kV 敞開式戶內(nèi)、外布置設備的諸多缺陷, 導致了牽引供電系統(tǒng)遠動設備的投入與電氣化鐵路的進程收到嚴重阻礙。因此在客觀上需要 中國科技論文在線110 kV及以上電壓等級SF 全金屬封閉組合電器（GIS）及相關技術的進一步發(fā)展和在27.5kV45 電氣化城市軌道交通牽引變電所應用的進一步研究 開關設備故障診斷的早期階段，采用傳統(tǒng)電氣試驗方法難以檢測到設備的內(nèi)部絕緣缺陷 。目前市面對SF 氣體進行檢測的設備主要是針對SF 氣體泄露量進行檢測，這類產(chǎn)品主要分為兩種：在線式和便攜式 。在線式主要檢測SF 在空氣中的含量，而便攜式檢測儀一般只需檢測SF 氣體的純度。綜合考慮簡易度和精確度，本文研究設計的在50 線監(jiān)測系統(tǒng)中終端設備采用便攜式。本文主要研究牽引變電所GIS 設備內(nèi)SF 氣體濃度及其分解物的在線監(jiān)測系統(tǒng)中的便攜式氣體檢測儀的設計和實現(xiàn)，以使其精確度更高，運用更靈 便攜式氣體檢測儀設計原理本文設計的便攜式氣體檢測儀，是基于揮發(fā)性氣體的電離特性 ，采用多路傳感器進行55 相關氣體濃度檢測，光離子化檢測器（PID）測量混合氣體中甲苯、乙醇、甲乙酮等有機氣 體的含量；采用電化學傳感器測量混合氣體中氨氣、硫化氫、一氧化碳、環(huán)氧乙烷等無機氣 體的含量。

PID 傳感器和電化學傳感器各有自己的優(yōu)點和缺點，如果僅僅使用一種傳感器， 在測量氣體種類和測量濃度偏差上會受到檢測方法本身的限制。便攜式氣體檢測儀采用多路 傳感器同時對氣體進行響應，通過多種傳感器之間的交叉干擾能夠幫助判斷化合物的類型以 60 及特征物質(zhì)的濃度。 1.1 光離子化檢測（PI 光離子化檢測器有一個特定的紫外燈和一個電離室組成，通過電離室的氣體被紫外光能電離激發(fā)，激發(fā)后的例子被收集電極收集，產(chǎn)生一個與化合物濃度成正比的電流 ?；衔锬芊癖?PID 檢測器電離出離子取決于化合物離子化的能量。如果紫外燈的輸出能量高于化 65 合物的電離電位，則 PID 可以檢出。該便攜式氣體檢測儀的標準紫外燈是 10.6eV。PID 以檢測出芳香烴，不飽和烴和氯代烴等有機物。1.2 電化學傳感器 電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型 的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首 70 先穿過細小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，然后是疏水屏障層，最終到達電極表面。使用 這種方法可以允許適量的氣體與傳感電極發(fā)生反應，便于形成充分的電信號，同時能夠有效 的防止電解質(zhì)漏出傳感器[7]。

通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在 正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。 電化學傳感器對目標氣體擁有良好的選擇性，大多數(shù)與電化學反應的氣體都屬于有毒有 75 害氣體，以無機物為主，能夠與PID 傳感器形成良好的互補[8]。 系統(tǒng)設計2.1 系統(tǒng)總體設計 本文設計的便攜式氣體檢測儀 HX-100B，其主機面板如圖 所示。設備分為便攜式主80 機與手柄兩部分組成。便攜主機通過串口與手柄通信，主要通信內(nèi)容為：發(fā)送TVOC 濃度、 電化學傳感器測量的濃度、時間、濃度報警狀態(tài)、電池組報警狀態(tài)、設備工作狀態(tài)到手柄； 接收手柄上傳的RFID 卡號、手柄按鍵值。 主機主要用于設備測量前的初始設置以及傳感器的標定.手柄則用于設備現(xiàn)場泄露點測量和 歷史記錄查看。測量過程中，系統(tǒng)會自動啟動內(nèi)部氣泵,對該泄露點進行氣體采集，氣體濃 85 度能夠很快的讀出來，顯示再手柄的采樣探頭上，顯示單位為ppm。 便攜式氣體檢測儀HX-100B2.2 數(shù)據(jù)采集與計算處理設計 90 便攜式設備的主機和手柄相互通信，使用多路傳感器進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行 穩(wěn)定性檢測處理。 數(shù)據(jù)采集與運行流程如圖2 所示。

每次收到手柄的RFID 號之后，開啟PID 電源，存儲RFID 號。主機收到手柄發(fā)過來的測量指令后，開始啟動采樣泵，進行連續(xù)采樣。主機開啟泵 分鐘后開始對采樣數(shù)據(jù)進行分析。采樣時，先按照100ms間隔采樣，10 個點數(shù)據(jù)做過濾后 95 平均油漆檢測儀，即每秒產(chǎn)生1 個點。每秒采集的點相互作差，計算斜率，當連續(xù)10S 斜率趨近于0（即 差值接近0），并且第1 個點與第10 個點差值也接近0，就認為傳感器數(shù)值穩(wěn)定，則開始計 數(shù)。然后計算電化學組分濃度、PID 濃度，并且給手柄回傳數(shù)值。電化學共有5 個傳感器氨氣便攜式檢測儀的原理， 用于采集針對性氣體。濃關閉采樣泵。 如果主機再次收到手柄發(fā)過來的測量指令，則重復上面過程。 100 數(shù)據(jù)采集流程測量計算如圖3 所示。如果主機在測量期間，手柄發(fā)送停止命令，則停止本次計算，關 閉采樣泵。用戶連續(xù)進行幾次測量，用戶如果覺得結果穩(wěn)定，符合要求的時候，則利用手柄 給主機發(fā)送停止命令，則當前 RFID 號對應的位置的采集完成。將先前采樣的所有數(shù)據(jù)進行 105 分析，選擇出濃度最高的點，作為該監(jiān)測區(qū)域的最高點。如果手柄連續(xù)3min 沒有收到任何 測量命令，也認為該監(jiān)測點監(jiān)測結束，計算最終濃度。

并將該監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行存儲。 測量計算流程2.3 軟件通信協(xié)議設計 110 主機與中心之間建立通信來保證檢測信息的實時性。因此，設計高效合理的軟件通信協(xié) 議對于系統(tǒng)性能以及進行快速設備故障定位具有十分重要的意義。 主機與中心之間通過串口通信。中心下發(fā)請求通信指令，主機回復存儲的文件，其中的 內(nèi)容包括： 數(shù)據(jù)內(nèi)容：檢測時 RFID 卡號+PID 濃度+組分濃度（5 路）+時間+GPS 數(shù)據(jù)+濃度報警 115 狀態(tài)+電池組狀態(tài)+設備狀態(tài)。 給中心上傳的數(shù)據(jù)文件循環(huán)存儲6 個文件，文件包含以上數(shù)據(jù)內(nèi)容，每次任務都按文件 存儲，一旦用戶請求上傳數(shù)據(jù)了，代表本次任務結束。下次再使用按新的文件名存儲。 協(xié)議包括： 120 （1）中心下發(fā)數(shù)據(jù)回傳請求指令： 29 29 01 00 02 1Byte 0D 包頭 中國科技論文在線（2）設備上傳數(shù)據(jù)包，每包數(shù)據(jù)內(nèi)容定位512 字節(jié)，包括以下字段： 29 29 02 00 06 NByte 1Byte 0D 包頭 （3）中心每收到1包數(shù)據(jù)做一次回應： 125 29 29 03 00 0B 1Byt 0D包頭 性能及影響力要求對便攜式氣體檢測儀在重復性，示值誤差，環(huán)境溫度影響誤差，氣路密封性等等方面進 行了嚴格的檢驗，最終達到技術指標，制定出便攜式氣體檢測儀設備的性能及影響量要求， 130 見表1。

技術指標 HX-100B 重復性 相對標準偏差不大于3%（CO 不超過1%輸出值） 示值誤差 10%FS 環(huán)境溫度影響誤差 1%FS/10 氣路密封性 壓力10kPa ，15min 不超過0.20kPa 或流量為 0.5L/min～1.0 L/min 1min不得有肉眼看得 見的氣泡出現(xiàn) 響應時間 不大于30s（(NH3、 EO不大于160s） 零點漂移 5%FS/1h（CO不大于 1%FS/1h） 量程漂移 5%FS/1h 電池低電指示 工作時間>15min 預熱時間 30min 絕緣電阻 不大于40MΩ 漏電流 不大于5mA 絕緣強度 500V 50Hz 1min 無擊穿或飛 HX-100B型便攜式氣體檢測儀技術指標 結論本文根據(jù)面向鐵路牽引變電所開關設備安全在線系統(tǒng)的需求設計了一種檢測 SF6 氣體 135 及其分解物濃度的便攜式氣體檢測儀設備。該便攜式氣體檢測儀使用多路傳感器進行數(shù)據(jù)采 集，對采集到的數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性校驗，并且設計了適用于中心和主機之間的軟件通信協(xié)議。 本文中設計的便攜式氣體檢測儀能夠準確及時的檢測出SF 技術指標 中國科技論文在線已到相關技術指標標準氨氣便攜式檢測儀的原理，從而達到在線監(jiān)測的目的氨氣便攜式檢測儀的原理，保障了牽引變電所開關設備的安全。

140 [參考文獻] (References) 鄭吉.接觸網(wǎng)可靠性分析綜述[J].電氣開關.2010(2):1-3. SF6汽體分解產(chǎn)物檢測技術及其在 GIS 設備故障診斷中的應用 [J].高壓電器.2011,47(2):100-107. 周麗潔，張博.電氣化鐵道專用六氟化硫(SF6)氣體絕緣全金屬封閉組合電器(GIS)研發(fā)及應用[J].鐵道機145 車車輛. 2008,28(6).69-71. SF6氣體分解產(chǎn)物的高壓開關設備故障診斷[J].電網(wǎng)技 術.2011,35(12):118-123. 朱向東.基于DSP的便攜式氣體檢測儀系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器.2011(2):32-37. 亢敏.便攜式光離子化檢測器研究[J].科技創(chuàng)新導報. 2009(2): 2-2. 150 郭萌.姚素薇.電化學傳感器的研究[學術論文].天津大學.2005.02.

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