拔插式電力工井檢測(cè)裝置的研制與應(yīng)用

黃震希， 陳麗霞， 黃毅標(biāo)， 汪華焰

(國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 福州供電公司， 福州 350007)

電力電纜的日常巡檢是電力部門最基本的工作，電力工井中殘留的有害氣體嚴(yán)重威脅到檢修人員的人身安全，因此在電力工井勘察工作開(kāi)展前進(jìn)行井內(nèi)氣體檢測(cè)顯得至關(guān)重要[1-3]。傳統(tǒng)氣體檢測(cè)設(shè)備大多數(shù)以隨身攜帶為主，采用人工攜帶設(shè)備下井進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)工作模式給井下工人人身安全帶來(lái)極大的隱患[4-5]。隨著城市電網(wǎng)的大規(guī)模擴(kuò)展，各種電力工井?dāng)?shù)量的不斷增加，如果還使用這種方法檢測(cè)氣體的各項(xiàng)指標(biāo)，工作效率低下，再加上不熟悉儀器的使用方法，井下作業(yè)工人很難保證自身人身安全。

夏季電力井下相對(duì)封閉，氣溫相對(duì)較高，在這種相對(duì)封閉和狹窄的工井內(nèi)，往往濕度很大，電力工井內(nèi)擠滿了水，對(duì)于這種惡劣環(huán)境，提高氣體檢測(cè)裝置的防水、防塵功能顯得特別重要。目前市面現(xiàn)有的電力工井巡檢設(shè)備防水性能較差，環(huán)境適應(yīng)性有待提高。夏季屬于用電高峰期，為了減少用戶停電時(shí)間，電纜搶修具有很強(qiáng)的時(shí)間緊迫性。為了解決城市電力檢修遇到的困難，迫切需要研發(fā)一種新型的電力工井氣體檢測(cè)裝置。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)井下氣體檢測(cè)裝置的研究也見(jiàn)諸文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[6-7]基于AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的研制，解決了目前單一氣體檢測(cè)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]以STM32F103VET6微控制器為核心，可實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的同時(shí)檢測(cè)、顯示傳輸和存儲(chǔ)，同時(shí)運(yùn)用RFID射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送和地址標(biāo)簽信息采集。文獻(xiàn)[9]對(duì)井下進(jìn)行多氣體采集，并基于PLCC技術(shù)的主控芯片LPC2132和ST7538芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[10]給出基于快速數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812的SF6氣體密度的在線監(jiān)測(cè)方法，有效保證了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

目前針對(duì)井下氣體檢測(cè)儀的研究主要集中在氣體檢測(cè)種類、氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)近及傳輸效率、數(shù)據(jù)傳輸通信技術(shù)等[11-13]。針對(duì)電力工井巡檢設(shè)備防水性能差、環(huán)境適應(yīng)性低下的問(wèn)題鮮有人研究?；诖?，本文提出將氣體感知模塊與氣體顯示模塊分離設(shè)置，減少人員因下井進(jìn)行氣體檢測(cè)所帶來(lái)的安全隱患。氣體檢測(cè)模塊采用插拔式設(shè)計(jì)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工井工況環(huán)境和使用需求快速安裝和拆卸氣體檢測(cè)模塊，在明顯觀察到有可能涉水的情況下，可以在檢測(cè)完氣體確保安全后，將傳感器快速拆除。同時(shí)，通過(guò)加裝透明防護(hù)罩、防水橡膠密封圈加強(qiáng)本體防塵、防水性能，保證氣體檢測(cè)裝置在各類工況環(huán)境的電力工井內(nèi)正常工作，提高裝置環(huán)境適應(yīng)性和推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 氣體檢測(cè)裝置基本原理

近年來(lái)，氣體檢測(cè)發(fā)展迅速，目前已由單一種類的氣體檢測(cè)方式發(fā)展到多氣體檢測(cè)方式。而攜帶方便、可靠性高的便攜式氣體檢測(cè)儀已成為實(shí)時(shí)氣體檢測(cè)的主流選擇。

便攜式氣體檢測(cè)儀可以同時(shí)檢測(cè)氧氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳及甲烷5種氣體。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式氣體檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)功能需要，整個(gè)氣體檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)功能模塊組成：進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)、傳感器模塊(紅外傳感器、電化學(xué)傳感器)、信號(hào)處理模塊(運(yùn)算放大、A/D轉(zhuǎn)換)、處理器模塊(單片機(jī)、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)管理、串行接口等)、電源模塊(直流穩(wěn)壓電源、電池組等)、液晶顯示屏、聲光報(bào)警模塊、時(shí)鐘模塊[14-18]。

在使用氣體檢測(cè)儀進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，首先，氣體進(jìn)入進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采樣泵、進(jìn)出氣管路、濾膜、氣室等部分組成，目的是對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾，篩除要檢測(cè)氣體以外的其他氣體。隨后，相應(yīng)的氣體傳感器對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)。其中，氧氣、硫化氫、一氧化碳由電化學(xué)傳感器檢測(cè)，而二氧化碳和甲烷由紅外傳感器檢測(cè)。這些氣體傳感器將檢測(cè)到的各氣體濃度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器處理為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為單片機(jī)(即微控制器)可識(shí)別的數(shù)字量。接著，由單片機(jī)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，生成氣體濃度結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)果會(huì)通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)，并可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送；同時(shí)，處理器會(huì)將數(shù)據(jù)結(jié)果與設(shè)置好的氣體含量閾值進(jìn)行比較，當(dāng)被測(cè)氣體濃度超過(guò)閾值時(shí)，氣體檢測(cè)儀將產(chǎn)生聲光報(bào)警，顯示屏上也將顯示報(bào)警狀態(tài)。

2 拔插式氣體檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前氣體檢測(cè)裝置存在的防水性差、環(huán)境適應(yīng)能力低下的問(wèn)題，提出一種具有防水功能的電力工井拔插式氣體檢測(cè)裝置，如圖2所示。

圖2 氣體檢測(cè)裝置模型

氣體檢測(cè)模塊采用插拔式設(shè)計(jì)，包括前端氣體感知單元和后端氣體顯示單元兩個(gè)部分。

該裝置通過(guò)前端氣體感知單元對(duì)電力工井內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)，再回傳至后端手柄氣體顯示單元顯示檢測(cè)氣體的含量，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警提示。

該裝置所配置的氣體檢測(cè)模塊分為前端4個(gè)氣體采集傳感器(可燃?xì)?、氧氣、一氧化碳、硫化?和后端數(shù)據(jù)顯示。前端氣體感知單元與手柄處的氣體檢測(cè)顯示單元通過(guò)外置網(wǎng)絡(luò)線互聯(lián)，采用常見(jiàn)的RJ45以太網(wǎng)線，方便更換和收納。氣體檢測(cè)模塊采用拔插式設(shè)計(jì)，可靈活拆卸，以滿足井內(nèi)積水等特殊工況下的探測(cè)需求。

由于前端氣體感知單元需要裸露于空氣中，但井下時(shí)常伴有積水，考慮到設(shè)備的功能性和實(shí)用性，將該單元設(shè)計(jì)為可快速拔插形式，拔插式探測(cè)頭模型如圖3所示。若需要?dú)怏w檢測(cè)時(shí)，將該單元從滑槽處插入，如果檢測(cè)沒(méi)問(wèn)題，則可以將該單元拔出，以保證頭部整體的氣密性。

圖3 拔插式探測(cè)頭模型結(jié)構(gòu)

氣體檢測(cè)顯示單元采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有一個(gè)一對(duì)滑槽和限位機(jī)構(gòu)，可以由上至下插入手柄卡槽中，也可以反方向脫出，如圖4所示。該機(jī)構(gòu)長(zhǎng)寬厚為97 mm×68 mm×33 mm，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)維需求實(shí)現(xiàn)快速拆裝，靈活便捷。

圖4 氣體顯示單元滑槽模型

考慮到現(xiàn)場(chǎng)工井存在積水等環(huán)境惡劣情況，在防水防塵的設(shè)計(jì)中，由透明防護(hù)罩用UV光固膠固定于上安裝座中，再由上安裝座通過(guò)螺絲鎖在下安裝座上。在LED補(bǔ)光帶的上下周邊，安裝有兩圈橡膠密封圈。探測(cè)裝置的防水結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，如圖綠色光圈所示，從而保證攝像頭頭部的氣密性。

圖5 探測(cè)裝置防水結(jié)構(gòu)模型

同時(shí)，為了保證在意外碰水時(shí)，氣體傳感器的安全，將氣體傳感器頭部設(shè)計(jì)為可快拆的形式。在明顯觀察到有可能涉水的情況下，可以在檢測(cè)完氣體確保安全后，將傳感器快速拆除。

在桿體與下安裝座之間，同樣有安裝橡膠密封圈，也可以防止部分積水滲入到桿體內(nèi)部。

3 拔插式氣體檢測(cè)裝置軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 拔插式氣體檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

利用電化學(xué)式和催化燃燒式原理，選用了4種氣體檢測(cè)傳感頭，分別是氧氣、硫化氫、一氧化碳、可燃?xì)狻榱朔奖悴鹧b，將氣體檢測(cè)傳感頭和氣體檢測(cè)顯示單元分離，兩個(gè)單元采用常見(jiàn)的RJ45以太網(wǎng)線連接，以方便更換和收納。

可燃?xì)饫么呋紵皆?，可檢測(cè)天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體，基本電路如圖6所示。

圖6 可燃?xì)怏w電路原理圖

氧氣傳感器利用電化學(xué)式原理，電阻器R11、R12、R13必須在運(yùn)算放大器IC2的正輸入端提供+600 mV。由于輸出電路的偏置效應(yīng)，感測(cè)電極的電位需保持在0 V，因此SEBS和REF之間的偏差設(shè)置為-600 mV。氧氣氣體檢測(cè)電路如圖7所示。

圖7 氧氣氣體檢測(cè)電路

一個(gè)運(yùn)算放大器應(yīng)選擇低輸入失調(diào)電壓溫度漂移，以免在溫度變化時(shí)影響偏置電壓。因?yàn)閭鞲须姌O將從0 V偏移，因此將運(yùn)算放大器IC1的輸入失調(diào)電壓加到傳感器偏置電壓上保持低輸入失調(diào)。負(fù)載電阻Rload的選擇是最快響應(yīng)時(shí)間和最佳信噪比的折中，將其設(shè)置為10 Ω。虛擬地的參考電壓應(yīng)該被適當(dāng)選擇，以允許反電極有足夠的電壓擺動(dòng)。傳感器電流在Grain上反射，產(chǎn)生相對(duì)于虛擬地GND的輸出電壓。Cnt與Sen之間的最大電壓為1.3 V。

一氧化碳傳感器同樣采用電化學(xué)三電級(jí)原理，一氧化碳傳感器電路圖如圖8所示。

圖8 一氧化碳傳感器電路圖

硫化氫傳感器同樣采用電化學(xué)三電級(jí)原理，該傳感器電路圖與一氧化碳傳感器類似。

在氣體顯示部分，主要由一個(gè)MCU、顯示屏、按鍵和網(wǎng)絡(luò)接口組成。MCU用于解析從網(wǎng)絡(luò)口回傳的模塊數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)，并配有震動(dòng)小馬達(dá)，在數(shù)據(jù)異常時(shí)以震動(dòng)的形式反饋給用戶。氣體顯示部分內(nèi)置一顆1 800 mA·h鋰電池，由MINIUSB口充電，理論充電時(shí)間為6～8 h，待機(jī)時(shí)間大于8 h，保證了單次巡檢的電量要求。

3.2 拔插式氣體檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

氣體檢測(cè)裝置的程序流程如圖9所示。

圖9 氣體檢測(cè)軟件流程

氣體檢測(cè)裝置啟動(dòng)后，軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)傳感器的信號(hào)是否正常，若傳感器信號(hào)正常，顯示模塊會(huì)讀取傳感器信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。氣體檢測(cè)裝置讀取信號(hào)的同時(shí)會(huì)進(jìn)行判斷，對(duì)比系統(tǒng)設(shè)置的閾值，如果超過(guò)設(shè)置的閾值，便會(huì)進(jìn)行震動(dòng)和報(bào)警提醒，同時(shí)繼續(xù)判定閾值，直到閾值恢復(fù)正常，取消震動(dòng)提醒。

4 案例分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的氣體檢測(cè)裝置的實(shí)用性與靈敏性，在城區(qū)選取100處電力工井對(duì)氣體檢測(cè)裝置進(jìn)行試用和測(cè)試。氣體檢測(cè)傳感器和氣體顯示模塊的實(shí)物如圖10、圖11所示。

圖10 氣體檢測(cè)傳感器實(shí)物

圖11 氣體顯示模塊實(shí)物

氣體檢測(cè)模塊配置氧氣、硫化氫、一氧化碳、可燃?xì)?種檢測(cè)傳感部件，通過(guò)桿體延伸至工井內(nèi)完成井內(nèi)氣體含量檢測(cè)。氣體檢測(cè)模塊基本參數(shù)見(jiàn)表1，氣體顯示界面如圖12所示。

表1 氣體檢測(cè)模塊的相關(guān)參數(shù)

圖12 氣體顯示界面

由圖12可知本文研制的拔插式氣體檢測(cè)裝置顯示誤差小于±5% FS，響應(yīng)時(shí)間小于60 s，具有較好的靈敏性，可較好的在工井氣體檢測(cè)中大量推廣應(yīng)用。

在#1、#2、#3、#4四個(gè)不同的電力工井上進(jìn)行了氣體檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。不同的電力工井可燃?xì)?、一氧化碳、氧氣、硫化氫濃度不同，由?可知，本文設(shè)計(jì)的拔插式氣體檢測(cè)裝置基本滿足一般電力工井氣體檢測(cè)的要求。

表2 4個(gè)不同電力工井氣體檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)分析傳統(tǒng)電力工井探測(cè)裝置存在的環(huán)境適應(yīng)性差、防水性能差等問(wèn)題，研制了一種拔插式氣體檢測(cè)裝置。首先對(duì)新型氣體檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分對(duì)氣體檢測(cè)裝置進(jìn)行分析。最后，選取臺(tái)區(qū)100處電力工井對(duì)氣體檢測(cè)裝置進(jìn)行試用與測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明拔插式氣體檢測(cè)裝置靈活高效、具有較好的環(huán)境適用性及靈敏性，可在配電網(wǎng)中進(jìn)行大規(guī)模推廣使用。