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中國(guó)科技論文在線面向鐵路牽引變電所便攜式氣體檢測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 基金項(xiàng)目：鐵道部科技司基金（2013J010-D）作者簡(jiǎn)介：姓名：荊濤（1969 無(wú)線寬帶2、無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò) 3、視頻壓縮編碼4、圖像篡改檢測(cè)信息 E-mail: （北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京，100044） 摘要：近些年來(lái)，隨著電氣化鐵路的迅速發(fā)展，氣體絕緣組合電器設(shè)備（簡(jiǎn)稱GIS）在牽引變電所中的應(yīng)用越來(lái)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(shè)計(jì)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(cè)儀，通過(guò)檢測(cè) SF6 氣體濃度及分解產(chǎn)物，10 及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的潛在故障柴油檢測(cè)儀，并進(jìn)行設(shè)備故障定位。本文設(shè)計(jì)的便攜式氣體檢測(cè)儀 使用多路傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互校正，并進(jìn)行了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)于在線式氣體檢測(cè)儀來(lái) 說(shuō)，具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、移動(dòng)范圍大，可迅速、準(zhǔn)確的定性和定量檢測(cè) GIS 的泄漏 點(diǎn)。文章詳細(xì)介紹了便攜式氣體檢測(cè)儀的工作原理和設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞：牽引變電；氣體絕緣組合電器設(shè)備；SF6 氣體；多路傳感器；便攜式 15 中圖分類號(hào)：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(guó)電氣化鐵路快速發(fā)展的趨勢(shì),對(duì)牽引供電設(shè)備技術(shù)性能方面的要求不斷提高，在新 線路不斷建設(shè)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(hù)的 40 新型牽引供電設(shè)備的需求日益迫切 全封閉組合電器是上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種先進(jìn) 的高壓電氣配電裝置，具有體積小、技術(shù)性能優(yōu)良等特性。

這種設(shè)備在國(guó)際上被稱為 Gas Insulated Switchgear，簡(jiǎn)稱GIS 。目前由于27.5kV 敞開式戶內(nèi)、外布置設(shè)備的諸多缺陷, 導(dǎo)致了牽引供電系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的投入與電氣化鐵路的進(jìn)程收到嚴(yán)重阻礙。因此在客觀上需要 中國(guó)科技論文在線110 kV及以上電壓等級(jí)SF 全金屬封閉組合電器（GIS）及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和在27.5kV45 電氣化城市軌道交通牽引變電所應(yīng)用的進(jìn)一步研究 開關(guān)設(shè)備故障診斷的早期階段，采用傳統(tǒng)電氣試驗(yàn)方法難以檢測(cè)到設(shè)備的內(nèi)部絕緣缺陷 。目前市面對(duì)SF 氣體進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備主要是針對(duì)SF 氣體泄露量進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)SF 在空氣中的含量，而便攜式檢測(cè)儀一般只需檢測(cè)SF 氣體的純度。綜合考慮簡(jiǎn)易度和精確度，本文研究設(shè)計(jì)的在50 線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中終端設(shè)備采用便攜式。本文主要研究牽引變電所GIS 設(shè)備內(nèi)SF 氣體濃度及其分解物的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的便攜式氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以使其精確度更高，運(yùn)用更靈 便攜式氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)原理本文設(shè)計(jì)的便攜式氣體檢測(cè)儀，是基于揮發(fā)性氣體的電離特性 ，采用多路傳感器進(jìn)行55 相關(guān)氣體濃度檢測(cè)，光離子化檢測(cè)器（PID）測(cè)量混合氣體中甲苯、乙醇、甲乙酮等有機(jī)氣 體的含量；采用電化學(xué)傳感器測(cè)量混合氣體中氨氣、硫化氫、一氧化碳、環(huán)氧乙烷等無(wú)機(jī)氣 體的含量。

PID 傳感器和電化學(xué)傳感器各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如果僅僅使用一種傳感器， 在測(cè)量氣體種類和測(cè)量濃度偏差上會(huì)受到檢測(cè)方法本身的限制。便攜式氣體檢測(cè)儀采用多路 傳感器同時(shí)對(duì)氣體進(jìn)行響應(yīng)，通過(guò)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(cè)（PI 光離子化檢測(cè)器有一個(gè)特定的紫外燈和一個(gè)電離室組成，通過(guò)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(gè)與化合物濃度成正比的電流 ?；衔锬芊癖?PID 檢測(cè)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(cè)儀的標(biāo)準(zhǔn)紫外燈是 10.6eV。PID 以檢測(cè)出芳香烴，不飽和烴和氯代烴等有機(jī)物。1.2 電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。典型 的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。氣體首 70 先穿過(guò)細(xì)小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)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(yīng)，便于形成充分的電信號(hào)，同時(shí)能夠有效 的防止電解質(zhì)漏出傳感器[7]。

通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在 正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。 電化學(xué)傳感器對(duì)目標(biāo)氣體擁有良好的選擇性，大多數(shù)與電化學(xué)反應(yīng)的氣體都屬于有毒有 75 害氣體，以無(wú)機(jī)物為主，能夠與PID 傳感器形成良好的互補(bǔ)[8]。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的便攜式氣體檢測(cè)儀 HX-100B，其主機(jī)面板如圖 所示。設(shè)備分為便攜式主80 機(jī)與手柄兩部分組成。便攜主機(jī)通過(guò)串口與手柄通信，主要通信內(nèi)容為：發(fā)送TVOC 濃度、 電化學(xué)傳感器測(cè)量的濃度、時(shí)間、濃度報(bào)警狀態(tài)、電池組報(bào)警狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)到手柄； 接收手柄上傳的RFID 卡號(hào)、手柄按鍵值。 主機(jī)主要用于設(shè)備測(cè)量前的初始設(shè)置以及傳感器的標(biāo)定.手柄則用于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)泄露點(diǎn)測(cè)量和 歷史記錄查看。測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)部氣泵,對(duì)該泄露點(diǎn)進(jìn)行氣體采集，氣體濃 85 度能夠很快的讀出來(lái)，顯示再手柄的采樣探頭上，顯示單位為ppm。 便攜式氣體檢測(cè)儀HX-100B2.2 數(shù)據(jù)采集與計(jì)算處理設(shè)計(jì) 90 便攜式設(shè)備的主機(jī)和手柄相互通信，使用多路傳感器進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 穩(wěn)定性檢測(cè)處理。 數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行流程如圖2 所示。

每次收到手柄的RFID 號(hào)之后，開啟PID 電源，存儲(chǔ)RFID 號(hào)。主機(jī)收到手柄發(fā)過(guò)來(lái)的測(cè)量指令后，開始啟動(dòng)采樣泵，進(jìn)行連續(xù)采樣。主機(jī)開啟泵 分鐘后開始對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采樣時(shí)，先按照100ms間隔采樣，10 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)做過(guò)濾后 95 平均油漆檢測(cè)儀，即每秒產(chǎn)生1 個(gè)點(diǎn)。每秒采集的點(diǎn)相互作差，計(jì)算斜率，當(dāng)連續(xù)10S 斜率趨近于0（即 差值接近0），并且第1 個(gè)點(diǎn)與第10 個(gè)點(diǎn)差值也接近0，就認(rèn)為傳感器數(shù)值穩(wěn)定，則開始計(jì) 數(shù)。然后計(jì)算電化學(xué)組分濃度、PID 濃度，并且給手柄回傳數(shù)值。電化學(xué)共有5 個(gè)傳感器氨氣便攜式檢測(cè)儀的原理， 用于采集針對(duì)性氣體。濃關(guān)閉采樣泵。 如果主機(jī)再次收到手柄發(fā)過(guò)來(lái)的測(cè)量指令，則重復(fù)上面過(guò)程。 100 數(shù)據(jù)采集流程測(cè)量計(jì)算如圖3 所示。如果主機(jī)在測(cè)量期間，手柄發(fā)送停止命令，則停止本次計(jì)算，關(guān) 閉采樣泵。用戶連續(xù)進(jìn)行幾次測(cè)量，用戶如果覺(jué)得結(jié)果穩(wěn)定，符合要求的時(shí)候，則利用手柄 給主機(jī)發(fā)送停止命令，則當(dāng)前 RFID 號(hào)對(duì)應(yīng)的位置的采集完成。將先前采樣的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行 105 分析，選擇出濃度最高的點(diǎn)，作為該監(jiān)測(cè)區(qū)域的最高點(diǎn)。如果手柄連續(xù)3min 沒(méi)有收到任何 測(cè)量命令，也認(rèn)為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)束，計(jì)算最終濃度。

并將該監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。 測(cè)量計(jì)算流程2.3 軟件通信協(xié)議設(shè)計(jì) 110 主機(jī)與中心之間建立通信來(lái)保證檢測(cè)信息的實(shí)時(shí)性。因此，設(shè)計(jì)高效合理的軟件通信協(xié) 議對(duì)于系統(tǒng)性能以及進(jìn)行快速設(shè)備故障定位具有十分重要的意義。 主機(jī)與中心之間通過(guò)串口通信。中心下發(fā)請(qǐng)求通信指令，主機(jī)回復(fù)存儲(chǔ)的文件，其中的 內(nèi)容包括： 數(shù)據(jù)內(nèi)容：檢測(cè)時(shí) RFID 卡號(hào)+PID 濃度+組分濃度（5 路）+時(shí)間+GPS 數(shù)據(jù)+濃度報(bào)警 115 狀態(tài)+電池組狀態(tài)+設(shè)備狀態(tài)。 給中心上傳的數(shù)據(jù)文件循環(huán)存儲(chǔ)6 個(gè)文件，文件包含以上數(shù)據(jù)內(nèi)容，每次任務(wù)都按文件 存儲(chǔ)，一旦用戶請(qǐng)求上傳數(shù)據(jù)了，代表本次任務(wù)結(jié)束。下次再使用按新的文件名存儲(chǔ)。 協(xié)議包括： 120 （1）中心下發(fā)數(shù)據(jù)回傳請(qǐng)求指令： 29 29 01 00 02 1Byte 0D 包頭 中國(guó)科技論文在線（2）設(shè)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(yīng)： 125 29 29 03 00 0B 1Byt 0D包頭 性能及影響力要求對(duì)便攜式氣體檢測(cè)儀在重復(fù)性，示值誤差，環(huán)境溫度影響誤差，氣路密封性等等方面進(jìn) 行了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，最終達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，制定出便攜式氣體檢測(cè)儀設(shè)備的性能及影響量要求， 130 見(jiàn)表1。

技術(shù)指標(biāo) HX-100B 重復(fù)性 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于3%（CO 不超過(guò)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(guò)0.20kPa 或流量為 0.5L/min～1.0 L/min 1min不得有肉眼看得 見(jiàn)的氣泡出現(xiàn) 響應(yīng)時(shí)間 不大于30s（(NH3、 EO不大于160s） 零點(diǎn)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(shí)間>15min 預(yù)熱時(shí)間 30min 絕緣電阻 不大于40MΩ 漏電流 不大于5mA 絕緣強(qiáng)度 500V 50Hz 1min 無(wú)擊穿或飛 HX-100B型便攜式氣體檢測(cè)儀技術(shù)指標(biāo) 結(jié)論本文根據(jù)面向鐵路牽引變電所開關(guān)設(shè)備安全在線系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)了一種檢測(cè) SF6 氣體 135 及其分解物濃度的便攜式氣體檢測(cè)儀設(shè)備。該便攜式氣體檢測(cè)儀使用多路傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)，并且設(shè)計(jì)了適用于中心和主機(jī)之間的軟件通信協(xié)議。 本文中設(shè)計(jì)的便攜式氣體檢測(cè)儀能夠準(zhǔn)確及時(shí)的檢測(cè)出SF 技術(shù)指標(biāo) 中國(guó)科技論文在線已到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)氨氣便攜式檢測(cè)儀的原理，從而達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的氨氣便攜式檢測(cè)儀的原理，保障了牽引變電所開關(guān)設(shè)備的安全。

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