中国科技论文在线面向铁路牵引变电所便携式气体检测仪的 设计 基金项目：铁道部科技司基金（2013J010-D）作者简介：姓名：荆涛（1969 无线宽带2、无线多媒体网络 3、视频压缩编码4、图像篡改检测信息 E-mail: （北京交通大学电子信息工程学院，北京，100044） 摘要：近些年来，随着电气化铁路的迅速发展，气体绝缘组合电器设备（简称GIS）在牵引变电所中的应用越来越广泛。鉴于 GIS 组合电器中的 SF6 气体具有良好的的灭弧性能和绝 缘特性，并直接影响着 GIS 组合电器的寿命，本文主要研究并设计了牵引变电所内 GIS 备中SF6气体浓度及其分解物的便携式气体检测仪，通过检测 SF6 气体浓度及分解产物，10 及时、有效地发现设备内的潜在故障柴油检测仪，并进行设备故障定位。本文设计的便携式气体检测仪 使用多路传感器进行数据交互校正，并进行了完整的系统设计，相对于在线式气体检测仪来 说，具有灵敏度高、操作简便、移动范围大，可迅速、准确的定性和定量检测 GIS 的泄漏 点。文章详细介绍了便携式气体检测仪的工作原理和设计方案。 关键词：牵引变电；气体绝缘组合电器设备；SF6 气体；多路传感器；便携式 15 中图分类号：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 引言随着我国电气化铁路快速发展的趋势,对牵引供电设备技术性能方面的要求不断提高，在新 线路不断建设的前提下，受环境影响小、高可靠性、集成度高、占地和占空间少及免维护的 40 新型牵引供电设备的需求日益迫切 全封闭组合电器是上世纪70年代出现的一种先进 的高压电气配电装置，具有体积小、技术性能优良等特性。

这种设备在国际上被称为 Gas Insulated Switchgear，简称GIS 。目前由于27.5kV 敞开式户内、外布置设备的诸多缺陷, 导致了牵引供电系统远动设备的投入与电气化铁路的进程收到严重阻碍。因此在客观上需要 中国科技论文在线110 kV及以上电压等级SF 全金属封闭组合电器（GIS）及相关技术的进一步发展和在27.5kV45 电气化城市轨道交通牵引变电所应用的进一步研究 开关设备故障诊断的早期阶段，采用传统电气试验方法难以检测到设备的内部绝缘缺陷 。目前市面对SF 气体进行检测的设备主要是针对SF 气体泄露量进行检测，这类产品主要分为两种：在线式和便携式 。在线式主要检测SF 在空气中的含量，而便携式检测仪一般只需检测SF 气体的纯度。综合考虑简易度和精确度，本文研究设计的在50 线监测系统中终端设备采用便携式。本文主要研究牵引变电所GIS 设备内SF 气体浓度及其分解物的在线监测系统中的便携式气体检测仪的设计和实现，以使其精确度更高，运用更灵 便携式气体检测仪设计原理本文设计的便携式气体检测仪，是基于挥发性气体的电离特性 ，采用多路传感器进行55 相关气体浓度检测，光离子化检测器（PID）测量混合气体中甲苯、乙醇、甲乙酮等有机气 体的含量；采用电化学传感器测量混合气体中氨气、硫化氢、一氧化碳、环氧乙烷等无机气 体的含量。

PID 传感器和电化学传感器各有自己的优点和缺点，如果仅仅使用一种传感器， 在测量气体种类和测量浓度偏差上会受到检测方法本身的限制。便携式气体检测仪采用多路 传感器同时对气体进行响应，通过多种传感器之间的交叉干扰能够帮助判断化合物的类型以 60 及特征物质的浓度。 1.1 光离子化检测（PI 光离子化检测器有一个特定的紫外灯和一个电离室组成，通过电离室的气体被紫外光能电离激发，激发后的例子被收集电极收集，产生一个与化合物浓度成正比的电流 。化合物能否被 PID 检测器电离出离子取决于化合物离子化的能量。如果紫外灯的输出能量高于化 65 合物的电离电位，则 PID 可以检出。该便携式气体检测仪的标准紫外灯是 10.6eV。PID 以检测出芳香烃，不饱和烃和氯代烃等有机物。1.2 电化学传感器 电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型 的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首 70 先穿过细小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。使用 这种方法可以允许适量的气体与传感电极发生反应，便于形成充分的电信号，同时能够有效 的防止电解质漏出传感器[7]。

通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在 正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。 电化学传感器对目标气体拥有良好的选择性，大多数与电化学反应的气体都属于有毒有 75 害气体，以无机物为主，能够与PID 传感器形成良好的互补[8]。 系统设计2.1 系统总体设计 本文设计的便携式气体检测仪 HX-100B，其主机面板如图 所示。设备分为便携式主80 机与手柄两部分组成。便携主机通过串口与手柄通信，主要通信内容为：发送TVOC 浓度、 电化学传感器测量的浓度、时间、浓度报警状态、电池组报警状态、设备工作状态到手柄； 接收手柄上传的RFID 卡号、手柄按键值。 主机主要用于设备测量前的初始设置以及传感器的标定.手柄则用于设备现场泄露点测量和 历史记录查看。测量过程中，系统会自动启动内部气泵,对该泄露点进行气体采集，气体浓 85 度能够很快的读出来，显示再手柄的采样探头上，显示单位为ppm。 便携式气体检测仪HX-100B2.2 数据采集与计算处理设计 90 便携式设备的主机和手柄相互通信，使用多路传感器进行连续数据采集，并对数据进行 稳定性检测处理。 数据采集与运行流程如图2 所示。

每次收到手柄的RFID 号之后，开启PID 电源，存储RFID 号。主机收到手柄发过来的测量指令后，开始启动采样泵，进行连续采样。主机开启泵 分钟后开始对采样数据进行分析。采样时，先按照100ms间隔采样，10 个点数据做过滤后 95 平均油漆检测仪，即每秒产生1 个点。每秒采集的点相互作差，计算斜率，当连续10S 斜率趋近于0（即 差值接近0），并且第1 个点与第10 个点差值也接近0，就认为传感器数值稳定，则开始计 数。然后计算电化学组分浓度、PID 浓度，并且给手柄回传数值。电化学共有5 个传感器氨气便携式检测仪的原理， 用于采集针对性气体。浓关闭采样泵。 如果主机再次收到手柄发过来的测量指令，则重复上面过程。 100 数据采集流程测量计算如图3 所示。如果主机在测量期间，手柄发送停止命令，则停止本次计算，关 闭采样泵。用户连续进行几次测量，用户如果觉得结果稳定，符合要求的时候，则利用手柄 给主机发送停止命令，则当前 RFID 号对应的位置的采集完成。将先前采样的所有数据进行 105 分析，选择出浓度最高的点，作为该监测区域的最高点。如果手柄连续3min 没有收到任何 测量命令，也认为该监测点监测结束，计算最终浓度。

并将该监测点数据进行存储。 测量计算流程2.3 软件通信协议设计 110 主机与中心之间建立通信来保证检测信息的实时性。因此，设计高效合理的软件通信协 议对于系统性能以及进行快速设备故障定位具有十分重要的意义。 主机与中心之间通过串口通信。中心下发请求通信指令，主机回复存储的文件，其中的 内容包括： 数据内容：检测时 RFID 卡号+PID 浓度+组分浓度（5 路）+时间+GPS 数据+浓度报警 115 状态+电池组状态+设备状态。 给中心上传的数据文件循环存储6 个文件，文件包含以上数据内容，每次任务都按文件 存储，一旦用户请求上传数据了，代表本次任务结束。下次再使用按新的文件名存储。 协议包括： 120 （1）中心下发数据回传请求指令： 29 29 01 00 02 1Byte 0D 包头 中国科技论文在线（2）设备上传数据包，每包数据内容定位512 字节，包括以下字段： 29 29 02 00 06 NByte 1Byte 0D 包头 （3）中心每收到1包数据做一次回应： 125 29 29 03 00 0B 1Byt 0D包头 性能及影响力要求对便携式气体检测仪在重复性，示值误差，环境温度影响误差，气路密封性等等方面进 行了严格的检验，最终达到技术指标，制定出便携式气体检测仪设备的性能及影响量要求， 130 见表1。

技术指标 HX-100B 重复性 相对标准偏差不大于3%（CO 不超过1%输出值） 示值误差 10%FS 环境温度影响误差 1%FS/10 气路密封性 压力10kPa ，15min 不超过0.20kPa 或流量为 0.5L/min～1.0 L/min 1min不得有肉眼看得 见的气泡出现 响应时间 不大于30s（(NH3、 EO不大于160s） 零点漂移 5%FS/1h（CO不大于 1%FS/1h） 量程漂移 5%FS/1h 电池低电指示 工作时间>15min 预热时间 30min 绝缘电阻 不大于40MΩ 漏电流 不大于5mA 绝缘强度 500V 50Hz 1min 无击穿或飞 HX-100B型便携式气体检测仪技术指标 结论本文根据面向铁路牵引变电所开关设备安全在线系统的需求设计了一种检测 SF6 气体 135 及其分解物浓度的便携式气体检测仪设备。该便携式气体检测仪使用多路传感器进行数据采 集，对采集到的数据进行稳定性校验，并且设计了适用于中心和主机之间的软件通信协议。 本文中设计的便携式气体检测仪能够准确及时的检测出SF 技术指标 中国科技论文在线已到相关技术指标标准氨气便携式检测仪的原理，从而达到在线监测的目的氨气便携式检测仪的原理，保障了牵引变电所开关设备的安全。

140 [参考文献] (References) 郑吉.接触网可靠性分析综述[J].电气开关.2010(2):1-3. SF6汽体分解产物检测技术及其在 GIS 设备故障诊断中的应用 [J].高压电器.2011,47(2):100-107. 周丽洁，张博.电气化铁道专用六氟化硫(SF6)气体绝缘全金属封闭组合电器(GIS)研发及应用[J].铁道机145 车车辆. 2008,28(6).69-71. SF6气体分解产物的高压开关设备故障诊断[J].电网技 术.2011,35(12):118-123. 朱向东.基于DSP的便携式气体检测仪系统[J].仪表技术与传感器.2011(2):32-37. 亢敏.便携式光离子化检测器研究[J].科技创新导报. 2009(2): 2-2. 150 郭萌.姚素薇.电化学传感器的研究[学术论文].天津大学.2005.02.

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