0 引言
SF6氣體以其優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于電力高壓開關(guān)設(shè)備中，隨著使用年限的增加，因設(shè)備制造、安裝不良或密封材料老化等問題可導(dǎo)致SF6氣體泄漏，如不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，將給設(shè)備的安全運行和操作人員的人身安全帶來嚴重威脅。因此，對SF6氣體泄漏進行實時監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時采取處理措施，提高系統(tǒng)可靠性。
現(xiàn)有的SF6氣體泄漏監(jiān)測主要有負電暈放點檢測、電子捕獲探測、半導(dǎo)體傳感器探測、氣壓表測量及密度繼電器測量等方式。負電暈放點檢測是利用SF6氣體的負電性對負電暈放電的抑制特性來實現(xiàn)對SF6氣體濃度的檢測，缺點是傳感器使用壽命短；電子捕獲探測需要內(nèi)置輻射源，在使用、存放和運輸?shù)确矫媸艿絿栏裣拗疲话雽?dǎo)體傳感器探測利用半導(dǎo)體材料的親氟化物吸附特性，氣體濃度變化引起材料電阻率變化來實現(xiàn)SF6氣體濃度的檢測，缺點是精度低、穩(wěn)定性差；氣壓表測量法是利用氣壓表測量SF6氣體的壓力，實現(xiàn)對SF6氣體泄漏的監(jiān)測，受環(huán)境溫度影響大，只在泄漏明顯的情況下才起作用，而且還需要人工巡檢；密度繼電器為機械裝置，抗振性能差，精度不高，不能實時反映安全值以上的氣體微量泄漏。
基于以上幾種監(jiān)測方式存在的問題和缺陷，提出了以ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用紅外吸收光譜檢測原理的高壓開關(guān)SF6氣體泄漏監(jiān)測新方法，實現(xiàn)對高壓開關(guān)SF6氣體泄漏的精確智能在線監(jiān)測。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
1.1 ZigBee 技術(shù)
ZigBee數(shù)傳技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，是采用IEEE802.15.4標準的新一代無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)具有自動組網(wǎng)、自動路由和自愈功能，可工作在2.4GHz的免執(zhí)照頻段，采用調(diào)頻及擴頻技術(shù)具有時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)點。同時2.4GHz無線信號在強磁場、高電壓環(huán)境中的傳播性能較好，數(shù)據(jù)傳輸能力強，可靠性高，是實現(xiàn)高壓開關(guān)SF6氣體泄漏ZigBee無線模塊組網(wǎng)監(jiān)測的理想解決方案。
1.2 紅外吸收光譜檢測
紅外吸收光譜檢測，是利用物質(zhì)對紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性，來對物質(zhì)進行定性或定量分析的方法。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的強弱及所在波長由分子本身的結(jié)構(gòu)決定，氣體分子的吸收峰主要分布在1 μm～25 μm 波長的紅外區(qū)，如SF6 氣體在10.55 μ m 有很強的吸收峰。當紅外光通過氣體時，氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)的波長處就會產(chǎn)生光強衰減，而衰減程度與氣體濃度的高低有關(guān)，其關(guān)系服從Lamber-Beer 定律。
式中：C為氣體濃度；K為氣體吸收系數(shù)；L為紅外光透過氣體的長度；L0為入射光強度；I 為出射光強度。
當K與L已知時，只須檢測L0和I 即可確定氣體濃度C。由于光強易受外界環(huán)境的影響且不方便測量，因此，需要利用熱釋電紅外探測器將光強的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，來實現(xiàn)對SF6氣體濃度的測量。
1.3 系統(tǒng)原理
SF6氣體檢測器分布式放置在監(jiān)測現(xiàn)場的監(jiān)測點上，檢測監(jiān)測點附近SF6氣體的濃度，并將濃度數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器發(fā)射。由安裝于控制室內(nèi)的無線控制儀接收、處理后，可就地顯示監(jiān)測點SF6氣體的濃度值，當氣體濃度超過設(shè)定值時，自動產(chǎn)生報警信號并啟動排氣裝置。
SF6氣體檢測器與無線控制儀自主組成ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)，氣體濃度數(shù)據(jù)通過無線控制儀的通信接口連接至CAN 總線并上傳至監(jiān)測站內(nèi)的監(jiān)測服務(wù)器，實現(xiàn)多監(jiān)測現(xiàn)場的實時監(jiān)測。基于ZigBee無線模塊的高壓開關(guān)SF6氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1 所示。
圖1 SF6氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意
2 硬件設(shè)計
2.1 SF6氣體檢測器SF6氣體檢測器由光源調(diào)制驅(qū)動電路、紅外光源、鍍膜氣室、濾光片、熱釋電紅外探測器、信號調(diào)理電路、CC2530 單片機及外圍電路組成。如圖2所示。CC2530是TI 公司支持ZigBee 協(xié)議的系統(tǒng)芯片，集微處理器和無線收發(fā)器于一體，集成了業(yè)界標準的增強型8051MCU內(nèi)核以及符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)器，內(nèi)含8路輸入可配置的12 位ADC、定時器、可選32/64/128/256KB的Flash 存儲單元，同時提供了串行通信接口、UART 接口及21 個可編程I/O 引腳，豐富的硬件資源簡化了外圍電路的設(shè)計。由CC2530 定時器產(chǎn)生2Hz光源調(diào)制信號，通過由反相器74F04、光電耦合器MCT273 及功率場效應(yīng)管IRF9410 組成的光源調(diào)制驅(qū)動電路，控制紅外光源MIRL17-900產(chǎn)生間歇調(diào)制紅外光。
圖2 CC2530 單片機及外圍電路組成
紅外光源、濾光片、熱釋電紅外探測器安裝在內(nèi)壁光潔的鍍膜氣室內(nèi)，氣室開有帶防塵罩的氣孔，氣室內(nèi)的光學系統(tǒng)使光源發(fā)射的紅外光經(jīng)反射后入射到熱釋電紅外探測器上，以增加光程，提高檢測分辨率。濾光片A的透射中心波長為10.55 μm 與SF6氣體的吸收峰相對應(yīng)，濾光片B的透射中心波長為3.93μ m 遠離SF6氣體的吸收峰，能透過濾光片B 的光譜不能被SF6氣體所吸收，只反映光源的光強信息。與SF6氣體濃度相關(guān)的光強和光源光強分別經(jīng)熱釋電紅外探測器A和熱釋電紅外探測器B 轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)由高精度集成運放AD8517 組成的信號調(diào)理電路放大濾波后，送入CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換與處理，實現(xiàn)SF6氣體濃度的ZigBee數(shù)據(jù)采集，然后通過2.4GHz無線收發(fā)器發(fā)送給無線控制儀。無線收發(fā)器電路采用CC2530數(shù)據(jù)手冊中提供的典型應(yīng)用電路，天線采用PCB天線。
2.2 無線控制儀
無線控制儀由CC2530單片機、鍵盤、LCD顯示、風機控制電路、越限報警電路、通信接口芯片等組成。如圖3所示。
圖3 無線控制儀框圖
無線控制儀的通信接口采用NXP 半導(dǎo)體公司的CAN總線控制器芯片SJA1000，通過CAN 總線收發(fā)器芯片PCA82C252與CAN 總線相連，CAN 總線最大傳輸距離可達10km，支持多臺無線控制儀聯(lián)網(wǎng)運行。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401，用來顯示各監(jiān)測點的SF6氣體濃度值。鍵盤設(shè)置4個按鍵，分別為上下調(diào)節(jié)鍵、確定鍵和退出鍵，用于設(shè)置各監(jiān)測點的濃度越限值。風機控制電路和越限報警電路分別由CC2530 的通用I/O 輸出口控制，啟動風機工作和產(chǎn)生聲光報警。天線采用單端螺旋天線，用以提高天線效率。
3 軟件設(shè)計
軟件分為SF6氣體檢測器軟件和無線控制儀軟件兩部分，SF6氣體檢測器軟件程序運行在SF6氣體檢測器的CC2530 上，主要完成SF6氣體濃度的ZigBee數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送功能。無線控制儀軟件程序運行在無線控制儀的CC2530上，主要任務(wù)是實現(xiàn)SF6氣體濃度數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、風機控制、越限報警及與上位機的通信。采用TI 公司開發(fā)的Z-Stac k2007協(xié)議棧作為程序模板，用C語言進行編程。
3.1 SF6氣體檢測器軟件設(shè)計
系統(tǒng)上電，對CC2530 單片機初始化，主要包括端口初始化、串行數(shù)據(jù)接口初始化、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器及寄存器初始化、選擇信道、PANID、源地址等操作。網(wǎng)絡(luò)建立后，若收到無線控制儀發(fā)送的氣體檢測指令，首先通過CC2530的定時器產(chǎn)生光源調(diào)制信號，實現(xiàn)對紅外光源的調(diào)制。然后接收包含有SF6氣體濃度信息的信號并對其進行采樣、A/D變換、數(shù)據(jù)存儲及處理，進行ZigBee數(shù)據(jù)采集，再通過2.4GHz ZigBee無線模塊將氣體濃度數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
否則處于低功耗休眠狀態(tài)。程序流程圖如圖4所示。
圖4 SF6氣體檢測器軟件設(shè)計流程圖
3.2 無線控制儀軟件設(shè)計
圖系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，完成CC2530 單片機、通信接口芯片及LCD顯示等硬件初始化操作。建立網(wǎng)絡(luò)，等待SF6氣體檢測器節(jié)點加入ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)，當節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，給其分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收來自SF6氣體檢測器節(jié)點的氣體濃度數(shù)據(jù)并進行處理。當氣體濃度超過越限值時，通過I/O 口電平控制風機控制電路和報警電路，啟動風機和越限報警。按SF6氣體檢測器節(jié)點的地址，通過LCD顯示當前濃度值。檢測有無按鍵按下，如有則執(zhí)行按鍵設(shè)置程序。濃度數(shù)據(jù)通過CAN 總線上傳至監(jiān)測服務(wù)器。程序流程圖如圖5所示。
圖5 無線控制儀軟件設(shè)計流程圖
4 結(jié)束語
基于ZigBee無線模塊的高壓開關(guān)SF6 氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)， 采用CC2530 單片機作為ZigBee數(shù)傳模塊控制處理核心，實現(xiàn)了SF6氣體泄漏ZigBee數(shù)據(jù)采集。其所構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)的特點。運用紅外吸收光譜檢測方法，提高了SF6氣體泄漏監(jiān)測的精度，CAN總線通信方便系統(tǒng)擴展。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓開關(guān)SF6氣體泄漏進行實時監(jiān)測，具有較高的應(yīng)用推廣價值。