CN201673147U - 便携式gis组合电器故障气体检测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪，它由硬件和软件两部分构成，硬件部分以单片机+高精度AD的框架为核心，由中央处理模块、数据采集模块、二氧化硫信号调理模块、数据存储模块、继电控制模块、显示模块、报警提示模块以及人机交互模块和电源模块等部分组成，二氧化硫传感器将模拟信号转化为模拟电压量，AD将模拟电压量转化为数字量后发送给单片机，单片机AT89C51读取数据后进行处理，然后经过逐次递进式线性滤波，然后将数据存储在FLASH EPROM中，单片机将数据与阈值进行比较后决定是否启动报警提示，然后单片机控制液晶显示模块进行数据显示。整个系统硬件结构简化，接线简单，软件设计优化，使得系统体积小，质量轻，轻便灵巧，易于携带。
Description
技术领域
本实用新型提供一种便携式GIS(Gas Insulated Switchgear气体绝缘组合电器设备)组合电器故障气体检测仪，它能检测六氟化硫(SF6)分解物的含量，进而实现设备故障检测和报警提示，从而提高GIS故障检测的自动化水平及可靠性，有效预防因SF6气体绝缘引起的设备故障隐患所可能引起的灾害。它涉及高精度数据采集技术、信号处理技术以及先进自动检测控制技术。该系统属于故障诊断和检测装置。
背景技术
GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，壳体内充以压力为0.2～0.5MPa的SF6绝缘气体，作为相间和对地的绝缘，这样的组合电器我们又称为SF6全封闭组合电器。全封闭组合电器具有体积小、元件密封不受环境干扰、无电磁干扰以及SF6气体优良的绝缘、灭弧性能好等优点使得GIS在我国电力系统中得到广泛的使用。
纯净的SF6气体在常温常压下为无色、无臭、无毒、不可燃的气体，而且具有稳定的化学性能，是一种理想的绝缘介质，但在断路器和GIS操作过程中，由于电弧、电晕、火花放电和局部放电、高温等因素影响下，SF6气体会进行分解，它的分解物遇到水分后会变成腐蚀性电解质，而且由于在设计、材质、工艺和维护等方面存在些不足，设备内部可能存在隐患，目前的试验方法还难以检出，这样有隐患的设备可能带入电网，影响电网的正常运行，直至发出事故。根据有关资料报道，几年来，我国SF6电气设备的故障率在0.5％左右，严重地影响了电力生产的安全经济运行乃至引发事故，严重的威胁到电力生产的安全。因此，及时检测SF6分解物的情况，不但能及时了解SF6气体的工作状态，还能及早检测GIS组合电器运行中的故障隐患，尽量避免事故的发生，以免引发电力系统运行故障，造成重大损失。
目前，国内外针对SF6分解物的检测方法一般是电气法和化学检测法。电气法测试多采用停电状态测试，试验电压低、电流小，难以反映GIS工作中SF6的绝缘情况，同时很多故障还难以检测出来，特别是设备的早期故障隐患；目前一些单位使用的化学比色管法检测分 解产物，其灵敏度低，只能作定性或半定量，难以检出设备内部隐患，达不到预防性故障预测的目的。由于SF6气体分解温度较高，而潜伏性故障开始的能量一般都较低，所产生的分解产物的浓度小，加上设备中放置有能吸附水和分解产物的收附剂，而预防性试验周期又长，因此，要检出内部早期故障，要求检测仪必须有很高的灵敏度和稳定性。
针对以上问题，经过多方查阅资料和实验验证，提出一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪。该系统采用单片机外加高速AD和高精度传感器，实现对SF6气体分解物SO2故障检测和报警的功能，同时优化设计结构，简化操作，方便携带，简单易用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪。它采用单片机+高精度AD的结构，集数据采集、存储、显示和数据查询等功能于一体，实现对SF6气体故障检测和报警的功能，操作简单，结构优化，轻巧便携。
本实用新型提供一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪，它由硬件结构和软件结构两大部分构成。具体的技术方案如下：
(1)硬件结构：
便携式GIS组合电器故障气体检测仪硬件结构部分为单片机+高精度AD的框架，方框示意图如图1。
所述硬件结构是以单片机+高精度AD的框架核心，具体由中央处理模块、数据采集模块、二氧化硫信号调理模块、数据存储模块、继电控制模块、显示模块、报警提示模块以及人机交互模块和电源模块等部分组成。
所述中央处理器是采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS单片机AT89C51，它兼容MCS-51的指令系统，片内置8位通用中央处理(CPU)和4K字节的可重擦写FLASH存储单元，其中CPU负责控制整个系统的检测流程和数据处理；4K字节的可重擦写FLASH存储单元作为本系统的数据存储模块，保证了数据掉电不丢失，进而能进行历史数据查询；单片机读取AD采样的数据后经过校正处理后直接存储在FLASH EPROM中。
所述数据采集模块采用的是Burr-Brown Corporation公司生产的4通道，12位采样的同 步串行接口模拟数字转换器(ADC)ADS7841；二氧化硫信号调理模块采用英国City公司的二氧化硫传感器(型号4S)，采样精度为0.1ppm；其之间的关系是：单片机AT89C51的I/O口连接ADS7841的数据输出端口，ADS7841的输入端口连接二氧化硫传感器的数据输出端口，ADS7841接收到单片机的采集信号后，即开始高速采样由二氧化硫传感器调理转换后的信号，并进行数据的校正，而后送往单片机的I/O端口，完成数据采集。
所述继电控制模块是采用的日本小金井生产的24V常闭两通电磁阀G010LE1-2-21-DC5V，没有测试的情况下，电磁阀处于闭合的状态；当开始测试时，电磁阀打开，气体通过气路进入二氧化硫传感器采样室进行采样；测试结束后，电磁阀闭合，气路断开，防止不必要的SF6及其分解物外泄，污染大气。继电控制模块结构图如图2所示。
所述显示模块，采用的是液晶显示，可以直接从中央处理器的存储数据的FLASHEPROM中直接读取数据并进行显示；报警提示模块采用蜂鸣器，把正常工作的GIS中SO2含量作为阈值，当检测到的数据大于此阈值时，自动进行报警提示；
所述人机互动模块采用的是一些按键，分别有：采集、查询、上翻、下翻等，各按键将实现各自设定的功能，简便易用，操作方便。
所述电源模块包括两部分：24V和5V，均采用干电池供电，更换比较容易。
所述的继电器控制模块、显示模块、人机互动模块及电源模块均与中央处理器相连。
整个装置的工作过程是：当打开采集按键，单片机控制外接的高精度AD进行数据采集，单片机将数据进行处理后存储在FLASH EPROM中，数据经过阈值比较后，触发报警系统，蜂鸣器会发出响声，并进行显示；采集结束后按下相应的按键进行历史数据的查询，实现故障检测与报警。
(2)软件结构
本实用新型的软件结构流程图如图3所示。
所述软件结构，它是基于单片机的智能控制及处理程序，负责控制硬件实现数据采集、处理、存储、显示、触发报警提示以及人机器互动。其中包括的子程序有：数据采集、线性滤波、数据存储、数据显示、阈值比较、历史数据查询以及继电控制。
所述子程序数据采集有单片机控制ADS7841来实现，其中包括片选信号设置、时钟输入、输出数据读取。首先，ADS7841将二氧化硫传感SO2浓度转化的电压量转化成数字量，校正后将此数据输入到的单片机的I/O口，完成了数据采集。
所述线性滤波子程序，考虑到本测试仪要求实时测试SO2的含量以及测试的精度，故采用逐次递进式线性滤波，可以使用较短时间的延时达到快速高精度的要求。
所述数据存储子程序，数据处理后将直接存储在单片机内部的FLASH EPROM，本单片机内部有4K字节的FILSH存储单元，能够满足数据存储要求，而且掉电后数据不丢失，方便于不同时间段的测试数据的查询与比较。
所述数据显示子程序，直接从FILSH存储单元读取数据并显示，同时查询的历史数据也在液晶上面进行显示；
所述阈值比较子程序，在程序中设定GIS正常工作时SO2含量的最大值为阈值，当数据从FILSH存储单元读取出后就与阈值进行比较，若数据大于阈值则启动报警提示，并且在液晶屏上显示，否则数据直接在液晶屏上显示而不启动报警系统。
所述历史数据查询子系统，判断上电后系统并没有进入采集功能，则软件系统进入历史查询功能，然后判断数据查询的方式：上翻和下翻，最后根据查询方式在液晶屏上显示要查询的数据。
所述继电控制子程序是在测试程序结束后，单片机输出控制信号，控制电磁阀关闭，断开检测气路，防止气体外泄。
整个软件的执行过程说明：上电后，首先检查“采集”键是否按下，若“采集”键没有按下，软件系统进入数据查询功能，可以方便于不同时间段的测试数据的查询与比较；若“采集”键按下则软件系统进入到采集检测功能，AT89C51读取外接的高精度AD输出的串行数据，然后进行数据处理、滤波以及存储到FLASH EPROM中，然后数据读出后与阈值进行比较，若数据大于阈值则启动报警提示，并且在液晶屏上显示，否则不启动报警系统数据直接在液晶屏上显示。然后判断采集是否结束，采集没有结束将继续进行数据采集；否则，采集测试系统结束，启动继电控制程序，单片机控制电磁阀断开检测气路，整个软件测试检测系统结束。
本实用新型提供一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪，其优点和有益效果如下：
(1).系统采用低成本、高性能的处理器和快速高精度AD以及良好的抗干扰技术实现对GIS组合电器故障气体的检测，使得数据的可靠性更好，更能反映GIS的工作状态；
(2).简化硬件结构，接线简单，优化系统的软件设计，有效的降低了系统操作的复杂性，使得系统体积小，质量轻，轻便灵巧，易于携带，与目前现有的体积大、结构复杂、操作繁琐的测试系统相比有很大的优越性。
(3).系统包含当前状态的检测、数据显示、故障报警、历史数据查询等多种功能，而且继电控制功能还能有效的降低气体外泄而造成的大气污染。
附图说明
图1本实用新型的硬件结构方框示意图
图2本实用新型的继电控制模块结构图
图3本实用新型的软件结构流程图
图4本实用新型的检测仪总体操作流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
本实用新型提供一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪，如图1和图2所示。
硬件结构以单片机+高精度AD的框架为核心，由中央处理模块、数据采集模块、二氧化硫信号调理模块、数据存储模块、继电控制模块、显示模块、报警提示模块以及人机交互模块和电源模块等部分组成。
所述中央处理器选用的是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS单片机AT89C51，它兼容MCS-51的指令系统，片内置8位通用中央处理(CPU)和4K字节的可重擦写FLASH存储单元，其中CPU负责控制整个系统的检测流程和数据处理；4K字节的可重擦写FLASH存储单元作为本系统的数据存储模块，保证了数据掉电不丢失，进而能进行历史数据查询；单片机读取AD采样的数据后经过校正处理后直接存储在FLASH EPROM 中。
所述数据采集模块选用的是外接Burr-Brown Corporation公司生产的4通道，12位采样的同步串行接口模拟数字转换器(ADC)ADS7841，二氧化硫信号调理模块选用的是英国City公司的二氧化硫传感器(型号4S)，采样精度为0.1ppm，高精度的信号调理模块与采集模块保证了采集的信号的可靠性与准确性。
所述显示模块采用的是SED1335控制器图形液晶显示模块，报警提示模块采用的是蜂鸣器，从单片机FLASH EPROM中读取的数据先进行阈值比较，根据判断采集的数据的大小决定是否启动报警提示，当采集数据大于阈值时即启动提示报警，蜂鸣器发出声音提示，并且在液晶屏上显示，否则不启动报警系统数据直接在液晶屏上显示。
所述继电控制模块是采用的日本小金井生产的24V常闭两通电磁阀G010LE1-2-21-DC5V，在没有测试的情况下，电磁阀处于闭合的状态；当开始测试时，电磁阀打开，气体通过气路进入二氧化硫传感器采样室进行采样；测试结束后，电磁阀闭合，气路断开，防止不必要的SF6及其分解物外泄，污染大气。
所述人机互动模块采用的是一些按键，分别有：采集、查询、上翻、下翻等，各按键将实现各自设定的功能，简便易用，操作方便。
所述电源模块包括两部分：24V和5V，均采用干电池供电，更换比较容易。
所述的继电器控制模块、显示模块、人机互动模块及电源模块均与中央处理器相连。
整个装置的工作过程是：当打开采集按键，单片机控制外接的高精度AD进行数据采集，单片机将数据进行处理后存储在FLASH EPROM中，数据经过阈值比较后，触发报警系统，蜂鸣器会发出响声，并进行显示；采集结束后按下相应的按键进行历史数据的查询，实现故障检测与报警。
本实用新型的软件结构流程图如图3所示。
本实用新型的软件结构，它是基于单片机的智能控制及处理程序，负责控制硬件实现数据采集、处理、存储、显示、触发报警提示以及人机器互动。其中包括的子程序有：数据采集、线性滤波、数据存储、数据显示、阈值比较、历史数据查询以及继电控制。
所述子程序数据采集有单片机控制ADS7841来实现，其中包括片选信号设置、时钟输入、输出数据读取。首先，ADS7841将二氧化硫传感SO2浓度转化的电压量转化成数字量，校正后将此数据输入到的单片机的I/O口，完成了数据采集。
所述线性滤波子程序，考虑到本测试仪要求实时测试SO2的含量以及测试的精度，故采用逐次递进式线性滤波，可以使用较短时间的延时达到快速高精度的要求。
所述数据存储子程序，数据处理后将直接存储在单片机内部的FLASH EPROM，本单片机内部有4K字节的FILSH存储单元，能够满足数据存储要求，而且掉电后数据不丢失，方便于不同时间段的测试数据的查询与比较。
所述数据显示子程序，直接从FILSH存储单元读取数据并显示，同时查询的历史数据也在液晶上面进行显示；
所述阈值比较子程序，在程序中设定GIS正常工作时SO2含量的最大值为阈值，当数据从FILSH存储单元读取出后就与阈值进行比较，若数据大于阈值则启动报警提示，并且在液晶屏上显示，否则数据直接在液晶屏上显示而不启动报警系统。
所述历史数据查询子系统，判断上电后系统并没有进入采集功能，则软件系统进入历史查询功能，然后判断数据查询的方式：上翻和下翻，最后根据查询方式在液晶屏上显示要查询的数据。
所述继电控制子程序是在测试程序结束后，单片机输出控制信号，控制电磁阀关闭，断开检测气路，防止气体外泄。
本实用新型的工作过程：打开电源，检测开始工作，按下“采集”键，则单片机AT89C51给电磁阀发送控制信号，控制电磁阀打开检测气路，同时二氧化硫传感器含量信号转化为电压量，经由ADS7841景模拟电压量转化为数字量串行输入到单片机AT89C51的I/O端口，单片机AT89C51读取串行数据后进行数据处理、逐次递进线性滤波，然后将处理后的数据存储到FLASH EPROM中，单片机AT89C51将采集到的数据与程序中设定的GIS正常工作时SO2含量的最大值进行比较，若数据大于阈值，单片机将控制报警提示模块启动报警提示，并且将数据显示在液晶屏上，否则不启动报警系统数据直接在液晶屏上显示。然后单片机判断采集是否，继而控制进入再次的数据采集；否则，采集测试系统结束，启动继电控制模块， 防止不必要的SF6及其分解物外泄，污染大气。若测试结束后按下查询键，则可以进行历史数据的查询，进而比较不同时期数据，用SO2含量来判断GIS组合电器工作状态。测试结束，关闭电源结束检测系统。整个系统的各种功能是通过单片机用软件程序来控制按键操作来实现。
Claims (1)
1.一种便携式GIS组合电器故障气体检测仪，其特征在于：该检测仪的硬件结构是以单片机+高精度AD的框架核心，包括中央处理模块、数据采集模块、二氧化硫信号调理模块、数据存储模块、继电控制模块、显示模块、报警提示模块以及人机交互模块和电源模块；
所述中央处理器是采用美国ATMEL公司生产CMOS单片机AT89C51，片内置8位通用中央处理和4K字节的可重擦写FLASH存储单元；
所述数据采集模块采用的是Burr-Brown Corporation公司生产的4通道，12位采样的同步串行接口模拟数字转换器ADS7841；二氧化硫信号调理模块采用英国City公司的二氧化硫传感器，采样精度为0.1ppm；其之间的关系是：单片机AT89C51的I/O口连接ADS7841的数据输出端口，ADS7841的输入端口连接二氧化硫传感器的数据输出端口；
所述继电控制模块是采用的日本小金井生产的24V常闭两通电磁阀G010LE1-2-21-DC5V；
所述显示模块，采用的是液晶显示；报警提示模块采用蜂鸣器，把正常工作的GIS中SO2含量作为阈值；
所述人机互动模块采用的是一些按键，包括有：采集、查询、上翻、下翻；
所述电源模块包括两部分：24V和5V，均采用干电池供电；
所述的继电器控制模块、显示模块、人机互动模块及电源模块均与中央处理器相连。
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