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_關(guān)柜本身的結(jié)構(gòu)和制造工藝等原因，這類充氣式SF6開關(guān)柜一定程度上均存在著合理或不合理的氣體泄漏問題。2012年出版的國家標(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含量不能超過一定限值以確保運(yùn)行人員的安全。考慮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配電室安裝的小型化智能終端設(shè)備，顯然低功耗、高性價(jià)比是基本需求，通常考慮采用單片機(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)用狀況和性價(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)過綜合對(duì)比目前已知的市售性價(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)濾光器讓光束通過他們，其中一個(gè)作為測(cè)量濾光器，僅允許通過待測(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，允許通過不受待測(cè)氣體影響的波長(zhǎng)光束。通過檢測(cè)器測(cè)量?jī)烧咴谖饴噬系牟町悾贸鲚敵鰵怏w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，編寫圖2所示邏輯判斷主流程。

3 結(jié)束語

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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