高压开关柜无线测温系统的研究_徐波

Vol.49 No.562 Oct. 2012
物体的表面温度，但由于开关柜内部结构复杂，不能 准确测得温度，并且成本昂贵也限制了其应用。
光纤光栅测温法利用光纤实现信号传感及传输， 光纤良好的绝缘性能，很容易实现电力系统和测量设 备的高压隔离，并且信号传输通道也采用光纤，这样 就可以起到抗干扰的作用，保证数据的准确性。然而， 使用时间久了光纤表面可能受到污染，将导致沿光纤 表面“爬电”，降低系统绝缘性能。
号电池也可以使用6~24个月；
（3）成本低，集成度高，相比于蓝牙和Wi-Fi等价
格低很多；
Á（4）接收模式具备6个接收通道，可以实现点对多
点的无线组网供能。 1.2 高压侧发射端
高压侧发射端电路安装在高压开关柜内部的被 测点，如动、静触头上，进行温度的采集，通过单片机 控制温度传感器进行温度的测量、转换之后，再通过 单片机进行打包处理之后利用无线传输模块将数据 发送给低压侧接收端，发射端电路的主要功能就是对 温度的采集和温度数据的无线传输。由于该系统是安 装在10kV的高压设备上，所以该系统必须简单轻便 且体积要小，且采用特制线圈制作成的供能CT进行 供电。为此高压侧发射端电路由温度传感器、电源处 理电路、单片机系统、无线收发电路等部分组成，系统 框图如图2所示。
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火灾事故发生 。 《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第
11.7.2条明确提出：定期用红外线测温设备检查开关 设备的接头部、隔离开关的导电部分 （重点部位：触 头、出线座等），特别是在重负荷或高温期间，加强对 运行设备温升的监视，发现问题应及时采取措施。但 是开关柜运行时是全封闭式的，内部空间也很狭小， 并且具有裸露高压，人工巡查测温是无法进行的，因 此，确保高压开关柜运行安全性的一个重要方法就是 实现开关柜的温度在线监测。
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高压开关柜无线测温系统要求无线传输满足以
下条件：完成数据的实时传输，传输距离10~30m，能
进行点对多点组网。
目 前 短 距 离 无 线 通 信 的 焦 点 技 术 包 括 ZigBee，
Nordic 2.4G，Wi-Fi，3G/HSDPA，WiMAX，UWB，蓝牙
等，其中主流的无线通信均采用2.4G免执照频段(免
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XU Bo ，YANG Fan
（1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China. 2. Institute of Electrical & Electronic Engineering，
Huazhong University of Science & Technology，Wuhan 430074，China）
费），主要用于近距离无线连接，适合承载数据量小的
工业现场控制，医疗设备控制，汽车自动化，农业自动
化和消费类电子设备等。
本系统中选用了依据Nordic 2.4G无线通信技术
的nRF24L01无线芯片构成的无线收发模块，具备以
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下特点 ：
（1）数据传输率较高，最高可达2Mb/s；
（2）功耗低，在低功耗待机模式下，普通的两节5
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方式、数字信号输出、9~12位可选分辨率、支持多点组 网的功能、自身温度数据校验等特点，很适合应用于 处于恶劣运行环境中的高压开关柜的测温系统中。
供能电路采用成本方面有较大优势的特制自取 能线圈，也称供能CT[7]。供能CT是一种穿心式电流互 感器，由于能量完全由高压侧一次电流通过供能CT 的电磁感应原理产生，所以可以在给开关柜高压侧电 子线路可靠供能的同时，保证对地的可靠绝缘。供能 CT直接从一次电流中感应出交流电压，经过整流桥全
0引言 高压开关设备是系统运行安全的一种重要设备，
主要是用于开断或关合电力线路，输送、倒换电力负 荷、将故障线路和设备退出运行。开关柜作为保证系 统安全运行的重要设备，内部存在开合结构，这些结 构会因为长期的磨损以及长期的氧化，或者机械上的 松动，从而导致导电连接处的接触电阻增大。而开关 柜一般的额定电流都是几百以及上千安培，在如此大 的电流下，开关柜内部的导电连接处将会产生强烈的 温度升高，过高的温度将会导致熔焊、放电，甚至导致



图4 低压侧接收端电路框图 Fig.4 Diagram of the receiving circuit
无线芯片即可实现。接收端电路与上位机之间的通讯 采用RS-232来完成。 1.4 上位机监测端
高压开关柜无线测温系统的上位机监测系统软 件是利用图形化编程语言LabVIEW进行编写的，主要 工作是与低压侧接收端电路系统通讯，通过MODBUS 协议的查询-回应模式[8]读取高压开关柜待测点温度 值，将该温度值进行相关处理后并显示，实现高压开 关柜内的温度在线实时监测。上位机监测系统的软件 按照功能划分，主要包括以下三个部分：上位机与低 压侧接收端之间的软件接口，MODBUS协议中查询回应消息帧的处理，温度数据的显示、报警与保存。相 关界面如图5所示。 1.5 抗干扰措施
总第 49 卷 第 562 期 2012 年 第 10 期
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高压开关柜无线测温系统的研究
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徐波 ，杨帆
（1．南京工程学院，南京 211167；2. 华中科技大学 电气与电子学院，武汉 430074）
一般高压开关柜都处在高电压、大电流状态下，
由于低压侧接收端是利用无线数据传输方式来 接收高压侧的温度数据，可以远离高压设备，不再受 能耗问题的限制，可以灵活选择供能方式。而微处理 器仍采用性价比高、功耗低的MSP430系列单片机来 实现整个接收端电路的控制。
高压开关柜测温系统要求结构简单，且为保证其 实用性，一般也需要在保证系统性能的前提下，降低 整个系统的成本。采用无线传输方式来传输温度数 据，可以采用点对多点无线组网的方式，利用一个终 端对多个测温点进行温度在线监测，运用nRF24L01
无线测温法主要是采用热电温度传感器进行温 度测量，而在温度信号传输过程中采用无线传输方式 的一种测温方法，此种方式可以很好的解决开关柜测 温系统高、低压侧之间的高压绝缘问题，但需要解决 高压侧测温装置的供电以及数据传输抗干扰等关键 技术问题。下文将对高压开关柜无线测温装置的工作 原理及构成、实验结果进行介绍。 1 原理及构成
温度传感器采用的由美国DALLAS公司推出的智 能化数字式温度传感器DS18B20，其具备单总线接口

CT


图2 高压侧发射端电路 Fig.2 Diagram of the high-voltage transmission circuit
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Abstract：High-voltage switchgear，as the guarantee for the safety operation of the power system，whose internal conductive joint overheating could cause the damage of the electrical equipment，and more serious. It will cause fire accidents and so on. Therefore，it needs to monitor the temperature of the high-voltage switchgear. According to the differences between the high -voltage switchgear temperature measurement system and ordinary temperature measurement system，it develops a wireless temperature measurement system which is composed of power supply CT，wireless transmission，point-to-multipoint network，and takes some anti-interference measures in software and hardware to ensure the reliability of the system. Key words：high-voltage switchgear，temperature-measurement system，power-supply CT，wireless transmission， wireless network
波整流转后，在稳压电容上得到较稳定的直流电压，此 电压通过LC滤波和DC-DC转换器变换成3.3VDC的电 源，供高压侧测温电路使用，其工作原理图如图3所示。
通过合理的设计，该CT供能电路的一次启动电 流为30A，最大长期工作一次电流可达3000A。单片机 系统采用的功耗低、性价比高的MSP430系列单片机。 1.3 低压侧接收端
高压开关柜在线测温不同于普通的测温，其对测 温方式有着特殊的要求，主要有：（1）测温装置的高压 绝缘问题突出；（2） 测温装置不能影响开关柜的原有 性能；（3）高压开关柜的运行环境的严重电磁干扰。针 对这些特殊要求，以下将对高压开关柜无线测温系统 进行阐述，系统结构如图1所示。
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2
N





低压侧接收端接收多路高压侧发射端的温度数
图3 供能CT电源转换电路工作原理图 Fig.3 Diagram of the power switching circuit
据，通过RS-232总线与上位机相连，由MODBUS通信 协议的问答机制，根据上位机的指令将相应的温度数 据通过总线实时发送给上位机进行进一步的操作。接 收端系统包括电源部分、微处理器部分、无线收发电 路和RS-232总线转换电路四部分组成。总体设计框 图如图4所示。
RS-232

图1 系统结构示意图 Fig.1 Structure diagram of the system 高压开关柜无线测温系统主要由三部分组成：高 压侧发射端、低压侧接收端和上位机数据处理、显示监 测。高压侧发射端放置在开关柜内部的测温点，主要完 成高压开关柜触头温度的测量以及温度数据的无线发 送；低压侧接收端放置开关柜附近，主要完成无线温度 数据的接收，并通过RS-232总线，以MODBUS通信协 议的方式将温度数据上传给上位机监控系统；上位机 监测系统一方面以MODBUS通信协议与低压侧接收端 进行通信，并将温度值处理后，实现显示、报警和存储 等功能，最终实现在线监测的目的。 1.1 无线收发模块
目前比较成熟的高压开关柜测温主要有红外测 温法、光纤光栅测温法和无线测温法等几种测温方法。
红外测温法主要是依据黑体辐射定律，物体表面 的温度由物体的红外辐射能量大小和波长分布来表 现的，因而可以通过测量物体的红外辐射能量来测定
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摘要：作为保证系统安全运行的重要设备的高压开关柜，其内部导电连接处过热会导致电气设备的损坏，更严
重时可能会发生火灾等严重事故，因此需要对高压开关柜进行温度的监测。根据高压开关柜测温区别于普通测
温系统的特点，研制了采用供ຫໍສະໝຸດ BaiduCT进行供电、无线传输方式、点对多点无线组网的无线测温系统，并对整个系统
在软硬件方面采取了相应的抗干扰的措施，保证系统的可靠性。
关键词：高压开关柜；测温系统；供能CT；无线传输；无线组网
中图分类号：TM932
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2012）10-0091-05
The Research of Wireless Temperature Measurement System for the High-voltage Switchgear