高壓開關觸頭溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

0 引 言

高壓開關柜是發(fā)電廠和變電站的重要電器設備，其內部通常有六組動靜觸頭和多處母排接頭。由于這些連接部件長期處于高電壓、大電流的工作狀態(tài)，只要觸頭或接頭的接觸電阻有微小的增大，都將引起觸頭或接頭處溫度升高，如果沒有及時處理，將會產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導致燒毀高壓開關柜，甚至直接影響電力系統(tǒng)正常供電而造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，對高壓開關柜中觸頭和接頭的溫度進行實時監(jiān)測，對于保障高壓開關柜的安全運行，乃至電網(wǎng)的正常運轉具有十分重要意義。

在高電壓、大電流環(huán)境下，實現(xiàn)溫度的在線監(jiān)測需要解決高壓隔離和抗強電磁干擾的難題�，F(xiàn)有高壓開關觸頭溫度在線監(jiān)測技術主要有多種：

(1)在母排接頭和開關觸點的表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的材料(如感溫臘)，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍。這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量和實時測量，方法原始并對員工的要求高。

(2)利用紅外測量儀，操作人員定時手持儀器對準母排接頭和高壓開關觸點進行測量。這種方法在0～200℃之間的溫度值誤差小、準確度高，但是，仍然無法做到實時測量，而且價格高、光學器件在高壓場合使用不便。

(3)采用光纖的方式，這種方法具體實現(xiàn)又分為兩種，一種是采用光纖光柵溫度傳感器，另一種是僅利用光纖傳輸溫度信號，兩者都利用了光纖耐高壓、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點，該技術的最大缺陷是被測高壓帶電體與測量設備需要通過光纖連接，因此不能解決污閃的問題，嚴格地說該技術的安全性值得商榷；本文采用無線通信技術使溫度變送器與數(shù)據(jù)集中顯示器之間實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，可不改變開關柜內部的物理結構，就很好地解決高壓隔離的問題，同時采用低功耗設計和屏蔽技術解決由此帶來了溫度變送器使用壽命和抗強電磁干擾的問題。

1 系統(tǒng)結構簡介

本系統(tǒng)結構如圖1所示，由若干無線溫度變送器(以下簡稱變送器)、數(shù)據(jù)集中顯示器(以下簡稱DI)、監(jiān)控中心的上位機和通信鏈路四部分組成。變送器貼附于母排接頭表面和接近開關觸頭的觸臂上，變送器通過無線通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳送給DI；DI安裝于高壓開關柜面板上，收集來自各變送器的溫度數(shù)據(jù)并進行處理、存儲、顯示和實現(xiàn)相應的報警控制功能，所有DI通過RS 485總線與監(jiān)控中心的上位機構成分布式監(jiān)測系統(tǒng)。

2 變送器設計

2．1 硬件電路設計

變送器的結構如圖2所示，主要由MCU、溫度傳感器、無線模塊nRF905、電源電路和包裹有屏蔽層和絕緣層的外殼組成。變送器采用PIC16LF628A單片機作為處理器，該處理器具有抗電磁干擾能力強、低功耗、體積小等特點。溫度傳感器選用DS18B20，其測量范圍為-55～125℃，精度±0．5℃，通過單總線傳送數(shù)字溫度信號，具有使用簡單、可靠、體積小等優(yōu)點。

變送器電路設計如圖3，溫度傳感器U3的輸出連接到單片機的RB5引腳，U3的地連接到單片機的RB4引腳，用于控制溫度傳感器工作狀態(tài)，當單片機進入休眠時，停止溫度傳感器工作，以降低功耗；無線模塊U4選用nRF905無線鏈路控制器設計，用于在變送器和DI之間建立無線數(shù)據(jù)傳輸通道，通過SPI接口與單片機連接。為了確保變送器可靠運行，必須保證變送器和無線模塊電源電壓的穩(wěn)定，采用3．6 V的高效鋰電池經(jīng)電容C1～C6濾波后給變送器供電。

2．2 軟件設計

變送器主要執(zhí)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送工作。為了保證變送器能可靠工作5年以上，變送器的低功耗設計是本系統(tǒng)的一項關鍵技術，除了硬件上選用低功耗元器件外，重點是變送器的工作機制。主程序流程如圖4所示，主程序運行一次循環(huán)后進入休眠，采用單片機硬件“看門狗”喚醒機制，1 s喚醒一次，對看門狗復位次數(shù)進行計數(shù)，由計數(shù)值可得到時間的累加，在一定時間間隔內(約5 s)啟動溫度傳感器并采回其數(shù)據(jù)。

其中數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度采集控制算法和溫度采集。由于溫度傳感器的轉換時間較長(約1 s)，分為兩步采集：第一步啟動并開始轉換；第二步讀取溫度并置相關標志。有采集標志時，單片機在第一次喚醒執(zhí)行第一步，在第二次喚醒執(zhí)行第二步，這樣單片機大部分時間處于休眠狀態(tài)，以降低功耗。當不進行采集時，通過抬高溫度傳感器的地，關斷其工作電源，進一步降低溫度傳感器消耗的功耗。

其中數(shù)據(jù)處理模塊包含溫度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示，當前溫度若超標或與之前一次的溫度數(shù)據(jù)比較差值(溫升)超標，變送器立即向DI發(fā)送最新溫度值；否則，直到采集達到12次，再向主機發(fā)送溫度值，即60 s發(fā)送一次，這樣設計的目的是為了讓DI判斷變送器是否在線，又能降低變送器功耗。數(shù)據(jù)傳送中包含載波檢測、數(shù)據(jù)發(fā)送和發(fā)送超時處理，載波檢測可以防止處于同一頻道的多個變送器同時發(fā)送數(shù)據(jù)引起的沖突。