高压开关柜触头温度无线监测系统

高压开关柜触头温度无线监测系统

发表时间：2012-08-28T14:42:34.170Z 来源：《中国科技教育·理论版》2012年第5期供稿作者：秦佳[导读] 高压开关作为电力系统的重要设备，其稳定运行是保障电力网正常工作的必要条件。

秦佳鸡西大学电气与信息工程系 158100 摘要高压开关作为电力系统的重要设备，其稳定运行是保障电力网正常工作的必要条件。针对电厂高压开关柜触头温度无线采集模块供电不稳定的问题,提出了一种无线采集模块间歇式工作的设计思路,给出了其系统框图,阐述了其工作原理。关键词高压开关无线传感器网络无线监测高压开关柜是电力系统中一个非常重要的电气设备，由于长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位容易因接触电阻过大或老化而发热，大大缩短高压开关的使用寿命，甚至导致击穿烧毁而造成事故，影响整个电力系统的正常工作。因此，其可靠性越来越多地受到人们的关注。由于高压电气设备一般都处于高电压、大电流和强磁场的环境中，在实际监控中，必须要求监控对象与监测仪器之间进行电压隔离，其测试信号的有效传输也是一直比较难以解决的问题。

一、无线式监测系统简介

如图1所示，整个监测系统主要分3个部分：无线测温网络、高压自具电源和监测PC。

图1 系统总体框架图

无线测温网络主要包括：测温终端( 终端节点)、开关柜内监测装置( 包括路由器和显示模块)、温度收集装置(协调器)。测温终端主要由ZigBee芯片和温度传感器构成。开关柜内监测装置主要由ZigBee芯片实现无线通信，单片机实现显示等其他任务。温度收集装置和开关柜内监测装置采用相同的硬件，只是软件上有些不同，它在网络中承担协调器的角色，并实现与PC机的通信。无线测温网络采用网状拓扑结构，这种结构具有更好的可靠性和容错能力。

二、无线采集模块硬件设计为实现节电降耗的目的,无线采集模块总体设计思想为:单工工作,只发不收，间歇工作,长停短发。具体指在对单测点温度数据连续2次采集时间间隔内(与系统容量有关,一般要求为1min以内),模块短暂工作,可靠发送数据1次,其余时间模块则处于掉电节能状态。因此,该模块包括微控制器、电源、温度传感器、射频芯片、同步信号提取控制电路5部分。模块结构如图2所示。

图2 无线采集模块结构框图无线采集模块主要由MSP430和DS18B20以及一些辅助电路组成。DS18B20实现温度测量，MSP430实现温度读取和无线通信。测温节点在系统中承担终端节点的角色。高压开关闭合工作时,高压自具电源从母线取得能量，经一系列整流、滤波、稳压处理，得到3.3 V电源，并为ZigBee测温终端节点供电。测温节点根据设定的测温频率进行测温，这里设定为每1s一次，并把数据传给开关柜内监测装置( 路由器)，也可以是其他开关柜的柜内监测装置。路由器再把温度信息传给温度收集模块( 协调器)，同时也在开关柜内监测装置上显示本开关柜的各个节点的温度信息。协调器再把收集到的温度信息通过RS485发给监测PC机用于显示和存档。

三、无线采集模块软件设计测温节点的软件设计主要包括3个部分：温度数据的采集、温度数据的发送和低功耗的实现。开关柜内监测装置软件主要实现与测温节点交互信息，并把接收到的触头和母线温度信息显示在LCD上，接收键盘输入的设置信息，在触头和母线温度超过预警或报警值时采取声音报警。

其软件基本流程如图3所示。

图3 软件基本流程

把系统分解成若干个功能相对独立的子任务，并把CPU 时间分成若干个小的时间片，每个任务必需在指定的时间片段内完成。

四、高压自具电源设计

高压自具电源通过电磁感应原理，把高压大电流侧能量的很小一部分传递给ZigBee 无线测温节点。需要经过能量控制、整流、滤波、稳压等一系列措施，其原理图如图4所示。

图4 高压自具电源原理图

由于高压侧的电流波动范围很大，工作范围在0~40000A，发生短路时的电流达到40000A，这给自具电源的设计带来了很大难度。因此需要考虑多方面的因素：设计合理的电流互感器( 铁心材料、铁心尺寸、线圈匝数等)，设计合理的整流稳压模块( 耐压和能量释放等) 以及降低测温节点功耗(硬件和软件设计)。

五、结论

高压开关作为电力系统的重要设备，其安全可靠运行是保证电力网健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee 无线网络测温技术对高压开关触头温度进行在线监测，具有组网灵活、可靠性高、抗干扰能力强、低功耗、网络容量大等优点。在给无线测温节点供电上采用高压自具电源，能够在很宽的电流范围内可靠工作。系统实时监测高压开关柜的健康状况，为开关柜的提前维护提供了依据，有效保障了电力系统的可靠运行。目前依据该设计原理，已研制了实际试验电路，正在做进一步的测试。

参考文献

【1】张裕生，高压开关设备检测和试验，北京，中国电力出版社，2004，2

【2】陈振生，周晓威，高电位电流母线异常温升在线实时诊断，江苏电器，2003.3

【3】王昌长，.李福棋，高胜友编著，电力设备的在线监测与故障诊断，北京，清华大学出办社，2006.3