0 引言
SF6氣體以其優良的絕緣和滅弧性能，被廣泛應用于電力高壓開關設備中，隨著使用年限的增加，因設備制造、安裝不良或密封材料老化等問題可導致SF6氣體泄漏，如不能及時發現和處理，將給設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測，可以提前發現安全隱患，及時采取處理措施，提高系統可靠性。
現有的SF6氣體泄漏監測主要有負電暈放點檢測、電子捕獲探測、半導體傳感器探測、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置輻射源，在使用、存放和運輸等方面受到嚴格限制；半導體傳感器探測利用半導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SF6氣體濃度的檢測，缺點是精度低、穩定性差；氣壓表測量法是利用氣壓表測量SF6氣體的壓力，實現對SF6氣體泄漏的監測，受環境溫度影響大，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。
基于以上幾種監測方式存在的問題和缺陷，提出了以ZigBee 無線傳感網絡技術為基礎，采用紅外吸收光譜檢測原理的高壓開關SF6氣體泄漏監測新方法，實現對高壓開關SF6氣體泄漏的精確智能在線監測。
1 系統架構
1.1 ZigBee 技術
ZigBee數傳技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術，是采用IEEE802.15.4標準的新一代無線傳感網絡系統。ZigBee數傳模塊網絡具有自動組網、自動路由和自愈功能，可工作在2.4GHz的免執照頻段，采用調頻及擴頻技術具有時延短、網絡容量大的優點。同時2.4GHz無線信號在強磁場、高電壓環境中的傳播性能較好，數據傳輸能力強，可靠性高，是實現高壓開關SF6氣體泄漏ZigBee無線模塊組網監測的理想解決方案。
1.2 紅外吸收光譜檢測
紅外吸收光譜檢測，是利用物質對紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性，來對物質進行定性或定量分析的方法。根據紅外理論，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構決定，氣體分子的吸收峰主要分布在1 μm～25 μm 波長的紅外區，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，在相應的波長處就會產生光強衰減，而衰減程度與氣體濃度的高低有關，其關系服從Lamber-Beer 定律。
式中：C為氣體濃度；K為氣體吸收系數；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換為電壓的變化，來實現對SF6氣體濃度的測量。
1.3 系統原理
SF6氣體檢測器分布式放置在監測現場的監測點上，檢測監測點附近SF6氣體的濃度，并將濃度數據通過無線收發器發射。由安裝于控制室內的無線控制儀接收、處理后，可就地顯示監測點SF6氣體的濃度值，當氣體濃度超過設定值時，自動產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數傳模塊網絡，氣體濃度數據通過無線控制儀的通信接口連接至CAN 總線并上傳至監測站內的監測服務器，實現多監測現場的實時監測?；?/span>ZigBee無線模塊的高壓開關SF6氣體泄漏監測系統架構示意圖如圖1 所示。
圖1 SF6氣體泄漏監測系統架構示意
2 硬件設計
2.1 SF6氣體檢測器SF6氣體檢測器由光源調制驅動電路、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 協議的系統芯片，集微處理器和無線收發器于一體，集成了業界標準的增強型8051MCU內核以及符合IEEE802.15.4規范的2.4GHz無線收發器，內含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計。由CC2530 定時器產生2Hz光源調制信號，通過由反相器74F04、光電耦合器MCT273 及功率場效應管IRF9410 組成的光源調制驅動電路，控制紅外光源MIRL17-900產生間歇調制紅外光。
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壁光潔的鍍膜氣室內，氣室開有帶防塵罩的氣孔，氣室內的光學系統使光源發射的紅外光經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，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氣體濃度相關的光強和光源光強分別經熱釋電紅外探測器A和熱釋電紅外探測器B 轉換為電壓信號，經由高精度集成運放AD8517 組成的信號調理電路放大濾波后，送入CC2530內部的A/D轉換器進行轉換與處理，實現SF6氣體濃度的ZigBee數據采集，然后通過2.4GHz無線收發器發送給無線控制儀。無線收發器電路采用CC2530數據手冊中提供的典型應用電路，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 半導體公司的CAN總線控制器芯片SJA1000，通過CAN 總線收發器芯片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網運行。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401，用來顯示各監測點的SF6氣體濃度值。鍵盤設置4個按鍵，分別為上下調節鍵、確定鍵和退出鍵，用于設置各監測點的濃度越限值。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數據采集和無線發送功能。無線控制儀軟件程序運行在無線控制儀的CC2530上，主要任務是實現SF6氣體濃度數據的接收、處理、顯示、風機控制、越限報警及與上位機的通信。采用TI 公司開發的Z-Stac k2007協議棧作為程序模板，用C語言進行編程。
3.1 SF6氣體檢測器軟件設計
系統上電，對CC2530 單片機初始化，主要包括端口初始化、串行數據接口初始化、內部A/D轉換器及寄存器初始化、選擇信道、PANID、源地址等操作。網絡建立后，若收到無線控制儀發送的氣體檢測指令，首先通過CC2530的定時器產生光源調制信號，實現對紅外光源的調制。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、數據存儲及處理，進行ZigBee數據采集，再通過2.4GHz ZigBee無線模塊將氣體濃度數據發送出去。
否則處于低功耗休眠狀態。程序流程圖如圖4所示。
圖4 SF6氣體檢測器軟件設計流程圖
3.2 無線控制儀軟件設計
圖系統上電后，執行初始化程序，完成CC2530 單片機、通信接口芯片及LCD顯示等硬件初始化操作。建立網絡，等待SF6氣體檢測器節點加入ZigBee數傳模塊網絡，當節點加入網絡后，給其分配網絡地址，接收來自SF6氣體檢測器節點的氣體濃度數據并進行處理。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，如有則執行按鍵設置程序。濃度數據通過CAN 總線上傳至監測服務器。程序流程圖如圖5所示。
圖5 無線控制儀軟件設計流程圖
4 結束語
基于ZigBee無線模塊的高壓開關SF6 氣體泄漏監測系統， 采用CC2530 單片機作為ZigBee數傳模塊控制處理核心，實現了SF6氣體泄漏ZigBee數據采集。其所構成的無線傳感網絡具有自組織、自適應的特點。運用紅外吸收光譜檢測方法，提高了SF6氣體泄漏監測的精度，CAN總線通信方便系統擴展。該系統能夠實現對高壓開關SF6氣體泄漏進行實時監測，具有較高的應用推廣價值。