基于STC单片机的六氟化硫检测系统*

邱 磊，徐 磊，龚留专，汪向华

(南京林业大学信息科学技术学院,江苏 南京 210037)

0 引言

随着电力行业大规模地迅速发展，对于电力系统的保护也越来越引起人们的重视，各种具有控制和保护功能的开关型器件也应运而生，其中以高压断路器最为主要。近些年电气设备无油化、小型化的发展，使得电力系统中大量的高压断路器都采取了六氟化硫作为绝缘和灭弧介质，虽然六氟化硫气体有着极强的稳定性和电负性，但是其在电弧作用下的诸多产物却有着强烈的腐蚀性和毒性，一旦断路器中的气体泄漏严重，若不能及时得知和得到有效的处理，必定会造成人员和财产的损失[1,2]。因此，对于断路器中的六氟化硫气体数据的监测有着十分重要的研究意义，并且也得到了人们高度的重视和研究。

1 总体设计方案

系统采用STC单片机作为主控制器，系统设计采用模块化思想设计，包括单片机最小系统、传感器检测模块、LCD液晶显示模块、按键模块和蜂鸣器报警模块，总体框图如图1所示[3]。

通过7ID-SF6六氟化硫传感器对断路器开关柜中六氟化硫气体数据的采集，以及DHT11温湿度传感器对周围温度和湿度的采集，将采集到的数据通过I2C数据总线传送给单片机，在通过LCD12864液晶显示输出的同时，与系统的设定值比较，一旦断路器中的气体出现异常，便会启动报警电路，告知相关人员，以达到对工作人员和财产的保护目的[4,5]。

图1 总体原理框图

2 硬件电路设计

2.1 按键设置电路

设计3个按键用于设置气体参数的下限报警值，3个按键分别接在P2.4-P2.6口上，单片机通过检测P2.4-P2.6口是否有低电平出现，实现对输入按键的检测。3个按键分别代表设置按键、数值减和数值加，按下一次，对应值在+1间浮动变化，按键电路见图2所示。

图2 按键设置电路

2.2 温湿度采集电路

系统采用DHT11温湿度传感器对六氟化硫气体的工作环境进行检测，该传感器具有成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、超快响应、抗干扰能力强、精确校准、信号传输距离长等优点。

供电电压约为3.5V～5.5V的直流电压和0.3 mA的电流，相对湿度的分辨率达1%RH，25 ℃下精度为±5%RH；温度的分辨率为1 ℃，25 ℃下的精度为±2 ℃。采用简化的单总线通信，通常要求外接一个约5.1 kΩ的上拉电阻，这样在总线闲置时，其状态为高电平。其电路图如图3所示。

图3 DHT11温湿度传感器电路图

2.3 六氟化硫采集电路

系统采用7ID-SF6智能型六氟化硫气体传感器，通过红外检测，量程约为0～1500、2000ppm，精度±3%，工作电压为5V±1%，具有精度高、准确性好、带温度补偿、体积小等优点，能够满足六氟化气体检测的要求。系统采用I2C总线的传送方式，GND接-5V；RX和TX分别对应单片机的TXD和RXD；定义P1.1为SCL控制线、P1.2为SDA数据线，SDA和SCL分别接一个上拉电阻，阻值约为2～10 kΩ；VOUT电压输出至P1.3，电路图如图4所示。

图4 六氟化硫传感器接线图

2.4 液晶显示电路

本设计的液晶电路用于显示采集的温湿度数值、六氟化硫气体浓度以及设定值。12864与单片机采用5条位控制总线8位并行数总线输入输出。单片机通过P0口和液晶的数据线相连，实现数据的传输。

3 系统软件流程设计

当系统上电后，先对系统的各个模块进行初始化，初始化完成后，先通过按键模块进行报警的参数设置，设置完成后，传感器开始采集信息，并将采集到的信息发送给单片机，单片机将采集到信息进行液晶显示，同时将采集到的气体参数与设置值相对比，当高于设定值时，蜂鸣器进行报警[6]。流程图如图5所示。

图5 系统软件设计流程图

4 实验结果

由于实验室条件有限，该实验将断路器置于一类似于开关柜的容器中，由于断路器本身气体的微小泄漏量以及气体分子的运动，容器中的六氟化硫气体浓度处于一种动态稳定的状态。先将断路器放置24 h后，再进行数据采集。

表1 气体含量测试

根据《电力设备交接和预防性实验规程》及GB 50150—2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》、GB 12022—2006《工业六氟化硫标准》的基本精神指出，开关设备六氟化硫断路器年泄漏率不得大于0.5%。在采用局部包扎法测得的24 h之后，每个包扎腔里六氟化硫含量不得大于30ppm才算合格[7]。

5 结论

本文设计的高压断路器中六氟化硫气体的泄漏量检测系统，具有成本低、响应快、可靠性高等优点，由于断路器本身就存在着微量气体分子泄漏，通过对这些泄漏气体的监控，将传感器所测数据传送给单片机，进行显示，使得工作人员时刻能够了解断路器中六氟化硫气体泄漏的状况，一旦泄漏量出现异常，与设定值有偏差，即刻通过蜂鸣器报警，告知相关人员，尤其对室内人员的安全有了保障，对实际生产具有非常重要意义。