高压开关柜触头及母排测温实用方案设计

高压开关触头及母排测温实用方案设计
陈建平胡占强钱昱澎
（西安森源配电自动化设备有限公司）
2012.05
【摘要】文章描述了国内目前高压开关柜触头及母排测温常用三种方案的优缺点，重点介绍实用新型产品设计方案---无线射频通讯测温
【关键词】高压开关; 光学测温; 红外通讯测温; 无线射频通讯测温。

【Abstract】 : This paper introduce excellent-imperfect three kind method in high-voltage circuit breaker in common use contactor
and busbar measure temperature in China。

wireless
communication measure temperature product design project
are described emphatically
【Key words】: high-voltage circuit breaker; optics measure temperature;
infrared ray communication measure temperature;
wireless communication measure temperature。

一、引言
随着电网容量的不断增加，对电网的可靠性要求越来越高。

为了提高供电的可靠性，减少停电的时间，不但要求高压电器产品有高的质量，也要求设备在运行时，具有自诊断功能，检测它的状态，让管理人员及时发现故障前兆，提前采取防患措施，变“定期检修”为“按状态检修”。

电力设备的导电母排接头、高压开关的触头、刀闸开关、干式变压器、箱式变电站等设备的表面，在母线承载电流过大或开关接触电阻过大时，极易引起温升过高，如得不到及时解决将使绝缘部件性能降低，甚至导致击
穿，造成恶性事故，从而造成重大经济损失。

及时测量高压开关触头和高压母线接头温度，为采取有效措施提供准确信息，将是电力系统安全运行的重要保障。

本文将对国内目前常用的方案进行比较，并重点阐述西安森源配电自动化设备有限公司研发的一种实用新型产品设计方案---无线射频通讯测温，此方案已在国内多省市冶金及工矿供电系统中得到大力推广与应用。

二、国内目前最常用三种测温技术方案的特点
众所周知，测温本身不难，由于高压开关柜电压等级高以及开关的绝缘间距问题，在开关柜中测量触头及母排的温度主要解决的问题是电源的取得以及通讯问题。

目前国内高压开关柜触头及母排测温常用以下三种方案：
1.红外线光学测量
1.1概述
通过凸透镜直接接收测量点发出的远红外波，可远距离测量。

数字式红外测温传感器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、数字接口输出等部分组成。

光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由传感器的光学零件及位置决定。

红外能量聚焦在光电探测器上，并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路，按照传感器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

测量示意图
1.2国内一种红外测温传感器的技术参数
测温范围： 0～150℃
分辨率： 0.1℃
精度： 1%或±2℃（目标发射率=0.95）
距离与目标尺寸比（D:S）： 8:1
发射率：可设定
响应光谱： 5～15μm
响应时间： 500ms
数据通讯接口： RS485
功耗：≤10mA（打开瞄准激光器时≤30mA）
使用环境：-20℃～60℃
1.3 特点
1）绝缘隔离性
采用非接触式测温方式，解决了高压隔离，避免通过引线的方式造成高压端与低压端的串扰而引起的不安全性。

2）采用光学测量方式
测量模块通过RS485通讯将测量数据传给主机进行显示处理。

3）无需电池供电
由于采用光学非接触式测温方式，因此测量模块可以采用电源引线长期工作。

4）长期测量精度差
由于光学镜面长期置于开关柜中，落灰尘后测量精度变差，甚至导致测量失败。

5）只可测量传感器直视范围
6）成本高
2.采用红外线无线通讯技术，电池取能
2.1概述
温度传感器模块采用集成电路数字式温度传感器LM35CA以及TI公司低功耗单片机MSP430F1232，由MSP430F1232采集温度数据，将温度数据通过红外发射接收对管TSAL6200、HS0038B用38KHZ载波进行通讯。

2.2原理示意图
图1 红外通讯发射线路原理图
图2 红外通讯接收线路原理图
2.3特点
1）绝缘隔离性
温度传感器模块及显示接收模块通过无线传输方式进行数据交换，避免通过引线的方式造成高压端与低压端的串扰而引起的不安全性。

2）高性能的数字式温度传感器
测温模块固定在母排上，非常接近发热点，能快速准确的反应触头温度的变化。

3）电池供电
采用电池供电，供给测温及发送模块，电池寿命3—5年。

4）采用无线通讯技术
解决了信号互相干扰问题和有线连接的布线困难。

5）长期测量精度差
由于红外发射接收对管TSAL6200、HS0038B通过塑料玻璃面发射红外光进行通讯，落灰尘后测量精度变差，甚至导致测量失败。

6）安装要求高
发射管与接收管必须要求在同一接受面、相对的方向内才可接收到数
据。

7）成本低
3. 采用433/868/915MH/2.4GHZ无线射频通讯技术，CT取能
3.1概述
温度传感器模块采用集成电路数字式温度传感器LM35CA以及TI公司低功耗单片机MSP430F1232，由MSP430F1232采集温度数据，将温度数据通过射频无线芯片用433/868/915MH/2.4GHZ可用频段进行通讯。

3.2特点
1）绝缘隔离性
温度传感器模块及显示接收模块通过无线传输方式进行数据交换，避免通过引线的方式造成高压端与低压端的串扰而引起的不安全性。

2）高性能的数字式温度传感器
测温模块固定在触臂上或母排上，非常接近发热点，能快速准确的反应触头温度的变化。

3）无需电池供电
采用取能线圈供电，通过母线上流过的一次电流采集能量供给温度传感器模块。

4）采用无线通讯技术
解决了信号互相干扰问题和有线连接的布线困难。

5）成本介于前二种方案之间
三、实用新型方案---无线射频通讯测温的设计阐述
根据上述国内常用三种测温方案的特点比较，可以得出结论：第三种实用新型方案---无线射频通讯测温，最适合高电压设备的温度测量。

这也是目前西安森源配电自动化设备有限公司采用的高压开关柜温度测量系统，其主要包括以下三部分:
1）.无线温度传感器模块(包括温度的采集、温度的无线发射二个部分)，可根据开关柜内需要测量的点数来配置无线温度传感器模块的数量，柜内一般测量的点数为3、6、9、12个点。

2）.监测显示主机，主要完成接收无线温度传感器模块发射过来的温度数据，将温度存储并进行逻辑运算，如果温度(温升) 超出设定值则进行声光报警。

还可以进行参数设定，并与后台上位机电脑(PC机)进行通讯。

3）.上位机后台应用软件的设计，后台应用软件的功能包括对各个温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析及温度预测告警等。

下面重点介绍无线射频通讯测温方案三个主要部分的设计理念。

1.无线温度传感器模块设计
温度传感器模块是由一片超低功耗单片机MSP430F1232及低功耗射频收发器n RF905、数字温度传感器LM35、电源模块以及无线发射天线组成。

图3 温度采集及发射部分原理图
1.1低功耗单片机MSP430F1232
这是一款美国德州仪器公司的超低功耗MCU，技术指标如下:
1）低电源电压:1.8~3.6V
2）超低功耗:
待机模式 0.7uA;
关闭模式(RAM保持) 0.1uA;
活动模式200uA at1MHZ，2.0V;
3）五种节能模式
4） 6 uS内从待机模式唤醒
5）16位精简指令集，125ns指令周期
6）带内部参考，采样保持，自动扫描特性的10位A/D转换器
1.2低功耗射频收发器n RF905
这是一款挪威Nordic公司推出的单片射频收/发器芯片，技术指标如下:
1）工作于433 /868 /915 MHz 3个ISM频道
2）工作电源电压1.9~3.6V
3）ShockBurstTM 工作模式，自动处理字头CRC （循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。

4）低功耗，以10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12. 5 mA
5）nRF905提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持
6）当正确的数据包被发送接收时，有数据准备就绪信号
7）侦测接收的数据包，当地址正确输出地址匹配信号
1.3数字温度传感器LM35
这是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，技术指标如下:
1）温度范围: −55°C to +150°C
2）输出电压与摄氏温标呈线性关系，+ 10.0 mV/°C
3）不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。

4）单电源模式在25℃下静止电流约50μA
1.4电源模块
可有2种方案可选：
1）方案一：采用高容量锂氩电池ER14335(1600MA/H， -40℃--+85℃) 采用高容量锂氩电池ER14335，电源部分设计简单，但牵涉到电源的设
计寿命问题。

电池供电主要考虑的是整个无线温度传感器模块的低功耗设计，低功耗
单片机MSP430F1232及无线发射芯片n RF905平时要处于休眠状态，平时不
需要启动的硬件设备要处于电源关断状态。

温度的采集及数据发送由软件设
计一套逻辑算法以满足低功耗要求，电路部分将取能线圈电源换为电池，其
余与取能线圈无线温度传感器模块相同。

西安森源配电自动化设备有限公司设计的电池供电无线温度传感器模
块，平时耗电5uA，采用规格为ER14335，标称容量1300mAH的锂亚电
池。

按设计的逻辑算法，理论供电可以达到15年以上。

2）方案二：采用取能感应线圈、整流滤波电路及保护泄放回路方式感应取能供电方式是利用电磁感应原理，通过取能线圈从高压母线或线
路上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电子电路供电。

高压侧一次母线电流的情况非常复杂，电流最低可能只有几安，而发生
短路故障时暂态电流可能达到数十千安。

欲设计出使用面广、性能优越的电源，用感应线圈、整流滤波电路及保护泄放回路的方案需要解决的问题是: （1）当母线电流很小近于空载时能确保电源可靠供应。

（2）在短路等原因造成的过电流及冲击电流下能够可靠保护电源。

（3）在导线正常电流范围内均能提供稳定的输出，短时断电持续供电以及能满足瞬间大功率供电。

（4）长期低热耗稳定运行。

西安森源配电自动化设备有限公司所采用的电源方案二种并存，当测量断路器触臂温度时采用取能感应线圈供电；当测量其它不好安装取能感应线圈测量点时采用电池供电方式。

图4 取能线圈电源原理图
在实验室中，我们测试一次电流从0A到100A范围内变化时，CT取能线圈所感应出的能量数据如下：
从实验数据可以分析出：当一次电流达到6.5A时，稳压模块已输出3.3V，发射指示灯闪烁，表明无线温度传感器模块已开始工作。

因为断路器运行在高电压、大电流的状态，在短路电流发生瞬间，会出现强烈的电磁瞬态过程，因此，会产生强电磁干扰，为提高抗电磁干扰，无线温度传感器模块加入了硬件看门狗芯片TPS3823。

1.5无线发射天线设计
天线部分设计了二种方案:
1） PCB天线
2）集成瓷片天线
由于断路器触臂部分空间狭小，因此最终采用集成瓷片天线，经过实际测试在开阔的空间实际传输距离可以达到50米。

实际产品图如下图：
图5 无线温度传感器模块产品图
无线温度传感器模块由于安装在温度比较高的部位(温度有可能会到100℃以上)，因此无线温度传感器模块在制做设计过程中考虑采用了隔热绝缘材料及热稳定性器件。

2.监测显示主机设计
监测显示主机完成以下功能：
1）完成电气接点的温度采集及显示，可设定温度、温升显示方式。

2）可进行温度、温升预警、报警值的设定，超出报警值可输出报警信号。

3）具有RS485通讯功能，采用 MODBUS协议与后台监控中心进行通讯。

是由一片超低功耗单片机MSP430F149及低功耗射频收发器n RF905、全汉字128X64液晶显示器、RS485通讯线路、时钟线路、键盘线路、报警输出线路、参数存储线路以及电源模块组成。

4）具备事件记录查看功能（SOE功能）。

2.1显示主机功能框图如下图所示：
显示主机主要组成单元模块介绍如下：
1） LCD显示器
LCD采用128×64点阵式图文液晶显示器，显示特点为全中文菜单结构，可显示各种功能菜单，并可显示各种数据、参数、事件记录表等。

2）操作按键
功能、数字、确认、退出键主要用于LCD显示翻屏以及光标移位指示，参数设定整定等操作。

3）时钟模块
主要是为事件记录（SOE）功能模块提供日期、时间基准。

4）参数存储模块
主要用于存储事件记录（SOE）和用户设定的报警参数信息。

5）无线接收模块
该模块通过915MHZ的无线电波与无线温度传感器模块进行数据交换，把无线温度传感器模块采集到的触头或母排温度数据传送给CPU数据处理单元。

6）通讯模块
采用485通讯芯片，利用 MODBUS协议与后台监控中心进行通讯。

7）输出报警模块
根据用户设定的温度报警阀值，当温度超出设定的报警阀值时输出报警信号。

2.2实际产品图：
图6 监控显示主机产品图
3.上位机后台应用软件的设计
上位机应用软件系统安装在变电站主控计算机上，系统设定自动采集任务，定时按照既定的采样频率进行开关柜温度、温升信息的采集，数据保存在数据库中，用户可按时间段、不同的监测类型进行温度、温升数据的查询，并用表格和曲线展示。

当开关柜温度的超过报警上限时，系统为安全人员提供声音、颜色等告警信息，帮助运行人员及时或预知性的发现和排除故障，从而最大限度的保障电力设备安全稳定运行。

系统采用多线程、分布式架构，将200个以内的终端数据快速采集、分析、存储。

历史数据存储时间长：可保存两年时间的数据。

采用标准的windows界面，实现人机交互强、可操作性强。

系统功能采用模块化设计，具有良好的开放性，便于新增功能，满足用户对监测信息的使用和分析。

系统采用模块化权限设计，不同用户提供不同的权限，保证安全的数据处理。

系统一启动，默认界面为测温系统的实时界面，界面根据所定义的终端为单位显示监测内容及监测值、报警开关柜及报警值、温度和温升报警门限，每
一页显示12个开关柜单元，超过12个分页显示。

如下图：
图7 监控软件界面图
查询一段时间的温度和温升历史数据，以表格和曲线展示。

查询时请选择开始时间和结束时间，并可选择监测类型，如果选择全部，查询您选择的时间段所有温度和温升历史数据，选择温度仅查询这段时间内温度数据，选择温升
仅查询这段时间内温升数据。

下图为上位机应用软件历史数据查询界面图:
图8 历史数据查询界面图
查询一段时间的温度和温升报警历史数据，以表格展示。

查询时请选择开
始时间和结束时间，并可选择监测类型，如果选择全部，查询您选择的时间段
所有温度和温升报警数据，选择温度仅查询这段时间内温度报警数据，选择温
升仅查询这段时间内温升报警数据。

下图为上位机应用软件报警数据查询界面
图:
图9报警数据查询界面图
四、结语
本文对目前常用的开关柜测温系统进行了归纳总结，并选用了一种实用新型设计方案进行了产品设计，由本方案设计的高压开关柜触头及母排测温系统，已在国内钢铁、冶金、化工、水泥等多个项目中运行了多年，在此其间运行稳定可靠，获得了用户的赞许，为大面积推广打下了坚实基础。

参考文献:
⑴魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例北京航空航天大学出版社 2002
⑵nRF905_datasheet.pdf
⑶秦欢. 高压测量系统感应取能电源设计现代电力 2009.10。