一種雙氣體傳感器配電室空氣質(zhì)量預(yù)警裝置的研制

陳兵

摘 要：設(shè)計(jì)了一種配備六氟化硫（SF6）和氧氣（O2）兩種氣體傳感器、服務(wù)于配電智能終端用戶(hù)的中壓配電室空氣質(zhì)量狀況檢測(cè)并提供特定氣體含量信息的預(yù)警裝置。這種裝置不僅可以達(dá)到保障人身安全的目的還能協(xié)助對(duì)當(dāng)前環(huán)境下SF6設(shè)備的亞健康狀況判斷提供一定的參考，對(duì)配電終端用戶(hù)的設(shè)備管理有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：配電室空氣質(zhì)量;氣體傳感器;SF6環(huán)網(wǎng)柜;智能終端;危險(xiǎn)預(yù)警

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.141

0 引言

目前終端配電室中使用較多的智能化、小型化開(kāi)關(guān)設(shè)備封閉的柜內(nèi)以低壓力的SF6氣體作為關(guān)鍵絕緣介質(zhì)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜本身的結(jié)構(gòu)和制造工藝等原因，這類(lèi)充氣式SF6開(kāi)關(guān)柜一定程度上均存在著合理或不合理的氣體泄漏問(wèn)題。2012年出版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB26860-2011《電力安全工作規(guī)程》（發(fā)電廠和變電站電氣部分）中要求室內(nèi)環(huán)境下空氣中的SF6含量不能超過(guò)一定限值以確保運(yùn)行人員的安全?？紤]SF6氣體的良好電性能和設(shè)備運(yùn)行泄漏后導(dǎo)致的不利環(huán)境因素，對(duì)SF6充氣式開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中的SF6氣體含量與工作環(huán)境必須的氧氣含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并做出及時(shí)處理時(shí)很有必要的。因而設(shè)計(jì)一種基于SF6和O2雙氣體傳感器的、具有智能環(huán)境狀況預(yù)警而不是單純的環(huán)網(wǎng)柜氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)的、非電氣設(shè)備自動(dòng)控制的裝置的研究設(shè)計(jì)就具有實(shí)用價(jià)值了。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件選型

基于本裝置的整體使用工況為終端用戶(hù)配電室安裝的小型化智能終端設(shè)備，顯然低功耗、高性?xún)r(jià)比是基本需求，通?？紤]采用單片機(jī)處理相關(guān)數(shù)據(jù)可為裝置的智能化功能提供基礎(chǔ)條件。AVR單片機(jī)是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗、CMOS技術(shù)、8位微控制器。而這其中比較典型的芯片是ATmega16，其具備了AVR系列MCU的主要特點(diǎn)和功能：先進(jìn)的RISC內(nèi)核結(jié)構(gòu)、16k字節(jié)的Flash和1k字節(jié)的片內(nèi)SRAM、豐富的可編程I/O端口，正常工作模式和空閑模式下的低功耗應(yīng)用等。加上其良好的集成性能、片內(nèi)看門(mén)狗電路、內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器、E2-PROM、摸擬比較器等多種功能和I/O口很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，為智能終端裝置節(jié)約系統(tǒng)成本提供設(shè)計(jì)硬件條件。

結(jié)合應(yīng)用狀況和性?xún)r(jià)比，擬選用一種單光束雙波長(zhǎng)紅外測(cè)量技術(shù)氣體傳感器作為SF6的采樣終端器件。綜合相關(guān)因素和應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境狀況，通過(guò)檢索對(duì)比并試樣，最終確定選用MAXTEC生產(chǎn)的MAX250系列作為配電室環(huán)境系統(tǒng)的氧氣含量采樣器件。

1.2 硬件架構(gòu)

設(shè)計(jì)時(shí)從基本應(yīng)用技術(shù)角度出發(fā)，充分考慮供電終端用戶(hù)配電室工作環(huán)境的基本需求、在配電室的“入口處”設(shè)置SF6和O2氣體含量顯示器等實(shí)際要求，搭建一種圖1所示的、基于AVR系列MCU為主芯片的控制和邏輯判斷電路。

2 功能單元

2.1 SF6氣體采樣單元

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比目前已知的市售性?xún)r(jià)比較高的SF6氣體傳感器，確定借助一款采用非分散紅外技術(shù)NDIR（non-dispersed infra-red）的傳感器作為預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵采樣裝置之一。這種傳感器采用一對(duì)濾光器讓光束通過(guò)他們，其中一個(gè)作為測(cè)量濾光器，僅允許通過(guò)待測(cè)氣體所吸收的波長(zhǎng)，而另外一個(gè)濾光器則作為參比濾光器，允許通過(guò)不受待測(cè)氣體影響的波長(zhǎng)光束。通過(guò)檢測(cè)器測(cè)量?jī)烧咴谖饴噬系牟町?，得出輸出氣體濃度。傳感器內(nèi)部集成完整的漂移控制電路和溫度補(bǔ)償電路，基于單光束雙波長(zhǎng)的NDIR技術(shù)感知環(huán)境SF6氣體濃度含量發(fā)生變化時(shí)確保SF6氣體采集器能立刻捕捉到這一變化，并將檢測(cè)到變化量為數(shù)字信號(hào)傳輸給MCU處理。

2.2 氧氣采樣單元

MAXTEC公司生產(chǎn)的氧含量檢測(cè)MAX250系列是基于電化學(xué)原理的傳感器之一，其測(cè)量圍在0-100%體積比的氧含量范圍內(nèi)輸出電壓信號(hào)與氧含量為正比例線性關(guān)系。

2.3 判斷邏輯

依據(jù)本裝置使用環(huán)境和方式確定的控制電路結(jié)構(gòu)和動(dòng)作特性，編寫(xiě)圖2所示邏輯判斷主流程。

3 結(jié)束語(yǔ)

為支撐智能化電網(wǎng)建設(shè)工程的合理化進(jìn)程實(shí)施，保障終端用戶(hù)配電室內(nèi)環(huán)境狀況符合規(guī)程要求，對(duì)配用SF6環(huán)網(wǎng)柜的室內(nèi)甚至無(wú)充氣式環(huán)網(wǎng)柜的地下室配電房?jī)?nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量狀況實(shí)施提前預(yù)警是有必要的，也是智能化電網(wǎng)建設(shè)中對(duì)小型化配電設(shè)備選用后的一種預(yù)防和保障措施。

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