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(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將給設(shè)備的安全運(yùn)行和操作人員的人身安全帶來嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)SF6氣體泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)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(cè)主要有負(fù)電暈放點(diǎn)檢測(cè)、電子捕獲探測(cè)、半導(dǎo)體傳感器探測(cè)、氣壓表測(cè)量及密度繼電器測(cè)量等方式。負(fù)電暈放點(diǎn)檢測(cè)是利用SF6氣體的負(fù)電性對(duì)負(fù)電暈放電的抑制特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體濃度的檢測(cè)，缺點(diǎn)是傳感器使用壽命短；電子捕獲探測(cè)需要內(nèi)置輻射源，在使用、存放和運(yùn)輸?shù)确矫媸艿絿?yán)格限制；半導(dǎo)體傳感器探測(cè)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(shí)現(xiàn)SF6氣體濃度的檢測(cè)，缺點(diǎn)是精度低、穩(wěn)定性差；氣壓表測(cè)量法是利用氣壓表測(cè)量SF6氣體的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體泄漏的監(jiān)測(cè)，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(jī)械裝置，抗振性能差，精度不高，不能實(shí)時(shí)反映安全值以上的氣體微量泄漏。
基于以上幾種監(jiān)測(cè)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(cè)原理的高壓開關(guān)SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)新方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)SF6氣體泄漏的精確智能在線監(jiān)測(cè)。
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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)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(kuò)頻技術(shù)具有時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)2.4GHz無線信號(hào)在強(qiáng)磁場(chǎng)、高電壓環(huán)境中的傳播性能較好，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，可靠性高，是實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)SF6氣體泄漏ZigBee無線模塊組網(wǎng)監(jiān)測(cè)的理想解決方案。
1.2 紅外吸收光譜檢測(cè)
紅外吸收光譜檢測(cè)，是利用物質(zhì)對(duì)紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性，來對(duì)物質(zhì)進(jìn)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(qiáng)弱及所在波長(zhǎng)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(zhǎng)的紅外區(qū)，如SF6 氣體在10.55 μ m 有很強(qiáng)的吸收峰。當(dāng)紅外光通過氣體時(shí)，氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)的波長(zhǎng)處就會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)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(zhǎng)度；L0為入射光強(qiáng)度；I 為出射光強(qiáng)度。
當(dāng)K與L已知時(shí)，只須檢測(cè)L0和I 即可確定氣體濃度C。由于光強(qiáng)易受外界環(huán)境的影響且不方便測(cè)量，因此，需要利用熱釋電紅外探測(cè)器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體濃度的測(cè)量。
1.3 系統(tǒng)原理
SF6氣體檢測(cè)器分布式放置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)SF6氣體的濃度值，當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并啟動(dòng)排氣裝置。
SF6氣體檢測(cè)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(cè)站內(nèi)的監(jiān)測(cè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于ZigBee無線模塊的高壓開關(guān)SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1 所示。
圖1 SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 SF6氣體檢測(cè)器SF6氣體檢測(cè)器由光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、紅外光源、鍍膜氣室、濾光片、熱釋電紅外探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路、CC2530 單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)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(shí)器、可選32/64/128/256KB的Flash 存儲(chǔ)單元，同時(shí)提供了串行通信接口、UART 接口及21 個(gè)可編程I/O 引腳，豐富的硬件資源簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。由CC2530 定時(shí)器產(chǎn)生2Hz光源調(diào)制信號(hào)，通過由反相器74F04、光電耦合器MCT273 及功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF9410 組成的光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(jī)及外圍電路組成
紅外光源、濾光片、熱釋電紅外探測(cè)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(xué)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(cè)器上，以增加光程，提高檢測(cè)分辨率。濾光片A的透射中心波長(zhǎng)為10.55 μm 與SF6氣體的吸收峰相對(duì)應(yīng)，濾光片B的透射中心波長(zhǎng)為3.93μ m 遠(yuǎn)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(qiáng)信息。與SF6氣體濃度相關(guān)的光強(qiáng)和光源光強(qiáng)分別經(jīng)熱釋電紅外探測(cè)器A和熱釋電紅外探測(cè)器B 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)由高精度集成運(yùn)放AD8517 組成的信號(hào)調(diào)理電路放大濾波后，送入CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，實(shí)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(cè)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(jī)、鍵盤、LCD顯示、風(fēng)機(jī)控制電路、越限報(bào)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(dá)10km，支持多臺(tái)無線控制儀聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(cè)點(diǎn)的SF6氣體濃度值。鍵盤設(shè)置4個(gè)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(cè)點(diǎn)的濃度越限值。風(fēng)機(jī)控制電路和越限報(bào)警電路分別由CC2530 的通用I/O 輸出口控制，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作和產(chǎn)生聲光報(bào)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(jì)
軟件分為SF6氣體檢測(cè)器軟件和無線控制儀軟件兩部分，SF6氣體檢測(cè)器軟件程序運(yùn)行在SF6氣體檢測(cè)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(yùn)行在無線控制儀的CC2530上，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)SF6氣體濃度數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、風(fēng)機(jī)控制、越限報(bào)警及與上位機(jī)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(jìn)行編程。
3.1 SF6氣體檢測(cè)器軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電，對(duì)CC2530 單片機(jī)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(cè)指令，首先通過CC2530的定時(shí)器產(chǎn)生光源調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)并對(duì)其進(jìn)行采樣、A/D變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理，進(jìn)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(cè)器軟件設(shè)計(jì)流程圖
3.2 無線控制儀軟件設(shè)計(jì)
圖系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，完成CC2530 單片機(jī)、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(cè)器節(jié)點(diǎn)加入ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)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(cè)器節(jié)點(diǎn)的氣體濃度數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。當(dāng)氣體濃度超過越限值時(shí)，通過I/O 口電平控制風(fēng)機(jī)控制電路和報(bào)警電路，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)和越限報(bào)警。按SF6氣體檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)的地址，通過LCD顯示當(dāng)前濃度值。檢測(cè)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(cè)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(jì)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(cè)系統(tǒng)， 采用CC2530 單片機(jī)作為ZigBee數(shù)傳模塊控制處理核心，實(shí)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(diǎn)。運(yùn)用紅外吸收光譜檢測(cè)方法，提高了SF6氣體泄漏監(jiān)測(cè)的精度，CAN總線通信方便系統(tǒng)擴(kuò)展。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)SF6氣體泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。