中國報告大廳網(wǎng)訊，空氣開關柜作為保障電氣系統(tǒng)安全運行的關鍵設備，其絕緣可靠性直接關系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。長期運行中，空氣開關柜易出現(xiàn)絕緣缺陷，引發(fā)局部放電，進而產生 NO?和 CO 等特征氣體。對這些特征氣體的精準監(jiān)測，成為及時發(fā)現(xiàn)設備故障、避免事故發(fā)生的重要手段?；诖耍嚓P研究團隊開發(fā)了金屬摻雜 WS?基氣敏傳感器，并以此為核心設計了一套空氣開關柜絕緣缺陷特征氣體檢測系統(tǒng)，經(jīng)過測試驗證，該系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能。
NO?和CO是空氣開關柜絕緣缺陷最重要的特征氣體。空氣開關行業(yè)在運行過程中，內部空氣主要由氧氣和氮氣組成，當發(fā)生局部放電時，這些氣體發(fā)生反應，生成穩(wěn)定的 NO?和 CO。為保障空氣開關柜能夠正常運行，需要對這兩種特征氣體的濃度進行監(jiān)測?；谥频玫慕饘贀诫s WS?基氣敏傳感器(Ni-WS?和 Pt-WS?)，研究人員設計了一種空氣開關柜絕緣缺陷特征氣體檢測系統(tǒng)，并進行了相應的硬件設計。
《2025-2030年全球及中國空氣開關行業(yè)市場現(xiàn)狀調研及發(fā)展前景分析報告》指出，該檢測系統(tǒng)的整體方案設計采用模塊化結構，硬件部分包括信號產生電路、信號處理電路、加熱電路構成的氣敏傳感器模塊電路，測溫電路組成的溫度傳感器模塊電路，以及集成了報警電路、電源電路、晶振電路等的含單片機主板，同時還有屏幕顯示和藍牙通信等獨立模塊電路。其擬實現(xiàn)的功能包括：精確測量氣體的濃度、精確控制氣敏傳感器的溫度、實時顯示所測量的氣體濃度值及溫度值、及時發(fā)出警報。
金屬摻雜 WS?基氣敏傳感器的制作過程較為精細。其中，Pt-WS?氣敏材料的制備步驟如下：首先，將 2.4g 二水鎢酸鈉、3.2g 硫代乙酰胺及 0.6g 硼氫化鈉溶于 80ml 去離子水中，持續(xù)攪拌 30min，添加 1.2g 草酸，再次高速攪拌并進行 30min 的超聲波處理，將混合溶液移入 100ml 反應釜中，在 180℃高溫環(huán)境下，經(jīng) 21h 水熱處理，待反應釜自然降溫至室溫后，離心分離出結晶沉淀物，用去離子水與乙醇依次洗滌黑色粉末，在 70℃真空烘箱中預烘干 8h，得到純凈的 WS?粉末。然后，在去離子水中加入已制備好的 WS?粉末，在超聲波分散器中分散 30min，加入 3.3ml0.01mol/L 的氯鉑酸溶液和 3ml0.1mol/L 賴氨酸，激烈攪拌溶解后，轉入 100ml 反應釜中，在 160℃環(huán)境下加熱 12h，自然冷卻至室溫，離心收集沉淀物，用去離子水與無水乙醇洗滌再在烘箱中干燥 8h，將所得產物精細研磨，去除雜質，在 300℃條件下退火處理，冷卻后得到 Pt-WS?氣敏材料。
Ni-WS?氣敏材料則采用一步水熱法制備：取 36ml 去離子水，加入 1.21g 二水合鎢酸鈉、1.9g 硫代乙酰胺以及 0.057g 六水合氯化鎳充分溶勻，超聲處理兩小時后，恒溫磁力攪拌 30min 以形成均質溶液，將此混懸液轉入 100ml 反應釜中，在 160℃下進行水熱處理 24h 后，冷卻后，通過洗滌、烘干和煅燒等步驟最終得到 Ni-WS?氣敏材料。
傳感器的制作選用平面型旁熱氣敏元件，將制得的氣敏材料均勻涂覆在金 / 鉻叉指電極上，分別將平面型電極 4 根鉑絲焊接到六角底座的測量端和加熱端，并加上防爆帽，完成傳感器制作。
主控芯片選用 STC12C5A60S2 型單片機(雙列直插式封裝)，其配備了 8 路高速電壓輸入型 10 位 A/D 轉換器。單片機可以通過測溫電路獲得氣敏傳感器的工作溫度，配合加熱電路進行反饋使其保持在合適的溫度，還能采集傳感器電阻變化后的輸出電壓，并通過內部程序將電壓信號轉化為氣體濃度，同時控制報警電路發(fā)出信號。
該模塊通過信號產生電路將氣敏傳感器電阻值的變化轉變?yōu)殡妷褐档淖兓瑥亩g接得到被檢測氣體的濃度。對于 STC12C5A60S2 型單片機，信號處理電路中可略去 A/D 轉換電路，主要包括同相比例放大電路及電壓跟隨器電路，選用 LM358 型運算放大器，其內部包括兩個獨立的運算放大器且允許大范圍的單電源供電。
NO?氣敏傳感器的電阻值會隨著氣體濃度的增大而增大，結合后置的同相比例放大電路，設計了相應的信號產生電路。經(jīng)信號處理電路處理后，電壓被放大 1.5 倍，NO?氣敏傳感器模塊的輸出電壓 u?的表達式為：u?=1.5×[2R??/(2R??+Rg?)]×5。
CO 氣敏檢測模塊的信號處理電路與運算放大器選擇與 NO?氣敏檢測模塊一致。但 CO 氣敏傳感器的電阻值會隨著氣體濃度的增大而減小，與 NO?氣敏傳感器完全相反，因此設計了對應的信號產生電路。經(jīng)信號處理電路處理后，電壓被放大 1.5 倍，當 Rg?=Rs?時，u?(max)=5V，可保證信號不失真，CO 氣敏傳感器模塊的輸出電壓 u?的表達式為：u?=1.5×[Rg?/(0.5R??+Rg?)]×5。
溫度傳感器選用 PT100 型鉑熱電阻，其具有很寬的測溫范圍、很快的響應速度和良好的長期穩(wěn)定性。隨著溫度的上升，其阻值 Rx 會線性增長，關系近似滿足 Rx≈0.4T+100。
在惠斯通電橋電路中，R??=R??=R??=100Ω(0℃時 PT100 的阻值)，Rx 為相應溫度下的電阻值，Vcs 為電源電壓(選用 5V)。信號產生電路的輸出與溫度的關系為：u?? - u??=5×[(0.4T+100)/(0.4T+200)-1/2]。同時，引入高輸入電阻的差分比例放大電路對輸出電壓進行信號處理。
藍牙模塊使用 HC-02 藍牙串口模塊，通過藍牙通訊的方式將氣體濃度、溫度及報警信息傳輸至移動端。顯示屏模塊使用 LCD1602 顯示屏，實時顯示氣體濃度及氣敏傳感器的溫度。報警模塊采用 PNP 型 BJT 控制發(fā)光二極管與蜂鳴器，當單片機輸入給 BJT 基極的信號為低電平時，二極管燈亮、蜂鳴器響，對氣體濃度超過預警值進行報警。加熱模塊通過繼電器的動作實現(xiàn)對加熱電路的開關來控制溫度。
STC 單片機的程序下載采用獨特的串口燒錄方式，通過單片機的 UART 口實現(xiàn)程序燒錄功能，選用 STC 單片機下載器(USB 轉 TTL 自動編程器)模塊，其內部主控芯片為 CH340，可采用 5V 電源供電，將模塊的 RXD、TXD 端口與單片機的 RXD、TXD 端口反接即可實現(xiàn)單片機與 PC 端的通信。
該氣敏檢測系統(tǒng)需要 5V 及 12V 的單極性電源，且對功率有較大需求，選擇明緯公司生產的可輸出 5V/4A、12V/1A 的開關電源來供電，其最大輸出功率 30W，輸出端通過漆包線連接至主板。
檢測系統(tǒng)實物中，除了氣敏傳感器模塊、溫度傳感器模塊、藍牙模塊及自動編程器模塊是以模塊電路的形式連接至主板外，其他所有電路都被集成在主板上。主板上還增添了 “備用接口及備用電路”，以便后續(xù)拓展系統(tǒng)功能。
根據(jù)空氣開關行業(yè)內不同放電缺陷的不同氣體組分變化規(guī)律，確定空氣開關柜局部放電分解氣體組分預警閾值為：C?>5ppm(C?為 NO?氣體濃度值)或 C?>10ppm(C?為 CO 氣體濃度值)。在實驗室環(huán)境搭建了氣敏測試環(huán)境，測試了3ppm、6ppm、18ppm 的 NO?氣體和不同濃度的 CO 氣體，測試結果如下：
故障檢測報警狀態(tài)測試中，(a)配置氣室為 6ppm NO?氣體和一定濃度 CO 氣體均勻混合的氛圍;(b)配置氣室為 18ppm NO?氣體、20ppm CO 氣體均勻混合的氛圍。測試發(fā)現(xiàn)，當氣室充斥混合氣體時，兩傳感器響應存在一定交叉干擾現(xiàn)象，但仍處于報警狀態(tài)，屬于可接受誤差，符合應用要求。
綜上所述，基于金屬摻雜WS?基氣敏傳感器(Ni-WS?和 Pt-WS?)設計的空氣開關柜絕緣缺陷特征氣體檢測系統(tǒng)，在硬件設計上采用模塊化結構，實現(xiàn)了對 NO?和 CO 兩種特征氣體濃度的精確測量、溫度控制、實時顯示及報警等功能。通過性能測試可知，該系統(tǒng)對不同濃度的 NO?和 CO 氣體均能進行有效檢測，雖存在一定交叉干擾，但在預警閾值范圍內可準確報警，檢測誤差≤1.18ppm。該系統(tǒng)功能完備、穩(wěn)定性好，模塊化的電路結構便于擴展、調試，同時減少了系統(tǒng)體積、降低了成本，為空氣開關柜絕緣缺陷故障的早期預警提供了重要的理論和實驗支撐，對保障空氣開關柜的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
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