基于ZigBee的高压开关SF6气体泄漏监测系统

0 引言

SF6气体以其优良的绝缘和灭弧性能，被广泛应用于电力高压开关设备中，随着使用年限的增加，因设备制造、安装不良或密封材料老化等问题可导致SF6气体泄漏，如不能及时发现和处理，将给设备的安全运行和操作人员的人身安全带来严重威胁。因此，对SF6气体泄漏进行实时监测，可以提前发现安全隐患，及时采取处理措施，提高系统可靠性。

    现有的SF6气体泄漏监测主要有负电晕放点检测、电子捕获探测、半导体传感器探测、气压表测量及密度继电器测量等方式。负电晕放点检测是利用SF6气体的负电性对负电晕放电的抑制特性来实现对SF6气体浓度的检测，缺点是传感器使用寿命短；电子捕获探测需要内置辐射源，在使用、存放和运输等方面受到严格限制；半导体传感器探测利用半导体材料的亲氟化物吸附特性，气体浓度变化引起材料电阻率变化来实现SF6气体浓度的检测，缺点是精度低、稳定性差；气压表测量法是利用气压表测量SF6气体的压力，实现对SF6气体泄漏的监测，受环境温度影响大，只在泄漏明显的情况下才起作用，而且还需要人工巡检；密度继电器为机械装置，抗振性能差，精度不高，不能实时反映安全值以上的气体微量泄漏。

基于以上几种监测方式存在的问题和缺陷，提出了以ZigBee 无线传感网络技术为基础，采用红外吸收光谱检测原理的高压开关SF6气体泄漏监测新方法，实现对高压开关SF6气体泄漏的精确智能在线监测。

1 系统架构

1.1  ZigBee 技术

ZigBee数传技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，是采用IEEE802.15.4标准的新一代无线传感网络系统。ZigBee数传模块网络具有自动组网、自动路由和自愈功能，可工作在2.4GHz的免执照频段，采用调频及扩频技术具有时延短、网络容量大的优点。同时2.4GHz无线信号在强磁场、高电压环境中的传播性能较好，数据传输能力强，可靠性高，是实现高压开关SF6气体泄漏ZigBee无线模块组网监测的理想解决方案。

1.2  红外吸收光谱检测

红外吸收光谱检测，是利用物质对红外电磁辐射具有选择性吸收的特性，来对物质进行定性或定量分析的方法。根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的强弱及所在波长由分子本身的结构决定，气体分子的吸收峰主要分布在1 μm～25 μm 波长的红外区，如SF6 气体在10.55 μ m 有很强的吸收峰。当红外光通过气体时，气体分子吸收光能量，在相应的波长处就会产生光强衰减，而衰减程度与气体浓度的高低有关，其关系服从Lamber-Beer 定律。

式中：C为气体浓度；K为气体吸收系数；L为红外光透过气体的长度；L0为入射光强度；I 为出射光强度。

当K与L已知时，只须检测L0和I 即可确定气体浓度C。由于光强易受外界环境的影响且不方便测量，因此，需要利用热释电红外探测器将光强的变化转换为电压的变化，来实现对SF6气体浓度的测量。

1.3  系统原理

SF6气体检测器分布式放置在监测现场的监测点上，检测监测点附近SF6气体的浓度，并将浓度数据通过无线收发器发射。由安装于控制室内的无线控制仪接收、处理后，可就地显示监测点SF6气体的浓度值，当气体浓度超过设定值时，自动产生报警信号并启动排气装置。

SF6气体检测器与无线控制仪自主组成ZigBee数传模块网络，气体浓度数据通过无线控制仪的通信接口连接至CAN 总线并上传至监测站内的监测服务器，实现多监测现场的实时监测。基于ZigBee无线模块的高压开关SF6气体泄漏监测系统架构示意图如图1 所示。

图1 SF6气体泄漏监测系统架构示意

2 硬件设计

2.1 SF6气体检测器SF6气体检测器由光源调制驱动电路、红外光源、镀膜气室、滤光片、热释电红外探测器、信号调理电路、CC2530 单片机及外围电路组成。如图2所示。CC2530是TI 公司支持ZigBee 协议的系统芯片，集微处理器和无线收发器于一体，集成了业界标准的增强型8051MCU内核以及符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz无线收发器，内含8路输入可配置的12 位ADC、定时器、可选32/64/128/256KB的Flash 存储单元，同时提供了串行通信接口、UART 接口及21 个可编程I/O 引脚，丰富的硬件资源简化了外围电路的设计。由CC2530 定时器产生2Hz光源调制信号，通过由反相器74F04、光电耦合器MCT273 及功率场效应管IRF9410 组成的光源调制驱动电路，控制红外光源MIRL17-900产生间歇调制红外光。

图2 CC2530 单片机及外围电路组成

    红外光源、滤光片、热释电红外探测器安装在内壁光洁的镀膜气室内，气室开有带防尘罩的气孔，气室内的光学系统使光源发射的红外光经反射后入射到热释电红外探测器上，以增加光程，提高检测分辨率。滤光片A的透射中心波长为10.55 μm 与SF6气体的吸收峰相对应，滤光片B的透射中心波长为3.93μ m 远离SF6气体的吸收峰，能透过滤光片B 的光谱不能被SF6气体所吸收，只反映光源的光强信息。与SF6气体浓度相关的光强和光源光强分别经热释电红外探测器A和热释电红外探测器B 转换为电压信号，经由高精度集成运放AD8517 组成的信号调理电路放大滤波后，送入CC2530内部的A/D转换器进行转换与处理，实现SF6气体浓度的ZigBee数据采集，然后通过2.4GHz无线收发器发送给无线控制仪。无线收发器电路采用CC2530数据手册中提供的典型应用电路，天线采用PCB天线。

2.2 无线控制仪

无线控制仪由CC2530单片机、键盘、LCD显示、风机控制电路、越限报警电路、通信接口芯片等组成。如图3所示。

图3 无线控制仪框图

无线控制仪的通信接口采用NXP 半导体公司的CAN总线控制器芯片SJA1000，通过CAN 总线收发器芯片PCA82C252与CAN 总线相连，CAN 总线最大传输距离可达10km，支持多台无线控制仪联网运行。LCD显示选用二线串行接口的段式液晶模块SMS0401，用来显示各监测点的SF6气体浓度值。键盘设置4个按键，分别为上下调节键、确定键和退出键，用于设置各监测点的浓度越限值。风机控制电路和越限报警电路分别由CC2530 的通用I/O 输出口控制，启动风机工作和产生声光报警。天线采用单端螺旋天线，用以提高天线效率。

3 软件设计

软件分为SF6气体检测器软件和无线控制仪软件两部分，SF6气体检测器软件程序运行在SF6气体检测器的CC2530 上，主要完成SF6气体浓度的ZigBee数据采集和无线发送功能。无线控制仪软件程序运行在无线控制仪的CC2530上，主要任务是实现SF6气体浓度数据的接收、处理、显示、风机控制、越限报警及与上位机的通信。采用TI 公司开发的Z-Stac k2007协议栈作为程序模板，用C语言进行编程。

3.1 SF6气体检测器软件设计

系统上电，对CC2530 单片机初始化，主要包括端口初始化、串行数据接口初始化、内部A/D转换器及寄存器初始化、选择信道、PANID、源地址等操作。网络建立后，若收到无线控制仪发送的气体检测指令，首先通过CC2530的定时器产生光源调制信号，实现对红外光源的调制。然后接收包含有SF6气体浓度信息的信号并对其进行采样、A/D变换、数据存储及处理，进行ZigBee数据采集，再通过2.4GHz ZigBee无线模块将气体浓度数据发送出去。

否则处于低功耗休眠状态。程序流程图如图4所示。

图4 SF6气体检测器软件设计流程图

3.2 无线控制仪软件设计

图系统上电后，执行初始化程序，完成CC2530 单片机、通信接口芯片及LCD显示等硬件初始化操作。建立网络，等待SF6气体检测器节点加入ZigBee数传模块网络，当节点加入网络后，给其分配网络地址，接收来自SF6气体检测器节点的气体浓度数据并进行处理。当气体浓度超过越限值时，通过I/O 口电平控制风机控制电路和报警电路，启动风机和越限报警。按SF6气体检测器节点的地址，通过LCD显示当前浓度值。检测有无按键按下，如有则执行按键设置程序。浓度数据通过CAN 总线上传至监测服务器。程序流程图如图5所示。

图5 无线控制仪软件设计流程图

4 结束语

基于ZigBee无线模块的高压开关SF6 气体泄漏监测系统， 采用CC2530 单片机作为ZigBee数传模块控制处理核心，实现了SF6气体泄漏ZigBee数据采集。其所构成的无线传感网络具有自组织、自适应的特点。运用红外吸收光谱检测方法，提高了SF6气体泄漏监测的精度，CAN总线通信方便系统扩展。该系统能够实现对高压开关SF6气体泄漏进行实时监测，具有较高的应用推广价值。