開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)測溫裝置的設計

摘要：針對開(kāi)關(guān)設備觸頭發(fā)熱問(wèn)題，設計一種無(wú)線(xiàn)測溫裝置。該測溫裝置的傳感器節點(diǎn)由CC2430芯片與數字溫度傳感器DS18B20構成，利用ZigBee協(xié)議，以無(wú)線(xiàn)方式把觸頭溫度數據送至協(xié)調器，實(shí)現溫度的顯示與報警。試驗表明，該裝置穩定性好，能很好地滿(mǎn)足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)設備 傳感器節點(diǎn) ZigBee 測溫在線(xiàn)

0 引言

現代社會(huì )對電能的依賴(lài)性很高，尤其是用電密度大的地區，因而對供電設備可靠性提出了要求。目前普遍使用的手車(chē)式開(kāi)關(guān)設備，其斷路器與開(kāi)關(guān)設備間采用插頭連接，當手車(chē)與開(kāi)關(guān)設備觸頭接觸不良時(shí)，接觸電阻會(huì )增大，引起觸頭溫升過(guò)高，甚至燒毀，該現象在大電流開(kāi)關(guān)設備上尤為突出，且影響很大。另外，電力系統開(kāi)關(guān)設備在長(cháng)期運行過(guò)程中常出現的表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動(dòng)、觸點(diǎn)和母線(xiàn)排連接處老化等問(wèn)題，亦會(huì )造成設備過(guò)熱，甚至引發(fā)嚴重事故。

現有的開(kāi)關(guān)設備觸頭測溫主要有普通測溫、紅外測溫和光纖測溫方式。普通測溫方式需要金屬導線(xiàn)傳輸信號，絕緣性能得不到保證；紅外測溫方式使用的紅外成像儀又無(wú)法透過(guò)柜門(mén)測量?jì)炔吭O備溫度；光纖測溫方式使用的光纖易折斷、不耐高溫，且在柜內布線(xiàn)難度較大，造價(jià)高。因此，本文針對高壓開(kāi)關(guān)設備，開(kāi)發(fā)了由CC2430芯片與數字溫度傳感器DS18B20構成的無(wú)線(xiàn)測溫裝置來(lái)測量觸頭溫度，并運用射頻技術(shù)對傳感器采集到的信號進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，實(shí)現開(kāi)關(guān)設備溫度的在線(xiàn)監測。

1、測溫裝置硬件設計

開(kāi)關(guān)設備在線(xiàn)測溫裝置總體結構如圖所示,主要由無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、協(xié)調器組成。無(wú)線(xiàn)溫度檢測單元安裝在開(kāi)關(guān)設備需測溫部位,協(xié)調器安裝在開(kāi)關(guān)設備儀表室。無(wú)線(xiàn)溫度傳感器、協(xié)調器間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸數據。每臺開(kāi)關(guān)設備通常配置個(gè)無(wú)線(xiàn)溫度傳感器,分別安裝在每相的上下觸頭處。

無(wú)線(xiàn)溫度傳感器包括CC2430芯片和數字溫度傳感器DS18B20及其外圍電路。CC2430芯片是內部集成了符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻（RF）收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)單片機；數字溫度傳感器DS18B20直接通過(guò)單線(xiàn)與CC2430單片機I/O連接。

協(xié)調器主要完成對測溫終端上傳的溫度數據的處理與現場(chǎng)顯示,并按照通信規約把溫度數據上傳給上位機；此外還將測得的溫度與設置的預警值進(jìn)行比較,若有異常,則輸出報警信號。

2、無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的供電

目前,無(wú)線(xiàn)溫度傳感器主要由電池供電或電流互感器供電。采用電池供電需要經(jīng)常更換電池,不僅增加了勞動(dòng)強度,而且在開(kāi)關(guān)設備運行工況下還存在更換電池困難等缺陷。采用電流互感器從母線(xiàn)取電流,存在母線(xiàn)電流不穩定,過(guò)電壓和過(guò)電流對取能電源帶來(lái)?yè)p壞等缺點(diǎn),因此需要大量的穩壓和保護措施。根據產(chǎn)品的使用情況及電網(wǎng)公司的相關(guān)要求,本文設計采用電池供電方案,選用高性能電池給無(wú)線(xiàn)溫度傳感器供電,電池使用年限可達4年以上。

3、ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)實(shí)際上是采用IEEE802.15.協(xié)議的新一代無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統,主要適用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域。試驗表明,2.4GHz無(wú)線(xiàn)信號在強磁場(chǎng)、高溫、高壓環(huán)境中的直線(xiàn)傳播性能較好,因而數據的傳輸能力強、可靠性高。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),ZigBee射頻發(fā)射所需的功率較低再加上處理器支持多種休眠模式,ZigBee技術(shù)可以確保2節五號電池持續使用6個(gè)月到2年左右。ZigBee技術(shù)的整個(gè)硬件成本低,網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)容量大,具有自組、自動(dòng)路由和自愈功能,且工作在2.4GHz免執照頻段，是實(shí)現開(kāi)關(guān)設備無(wú)線(xiàn)溫度監測系統的理想解決方案。

4、軟件設計

協(xié)調器的主程序流程如圖2所示?？刂破魃想姾?分別對串口模塊、液晶模塊、I/O端口進(jìn)行初始化接著(zhù),向傳感器接點(diǎn)索要各路溫度傳感器的溫度值,在獲得正確溫度值后將其保存在特定的存儲單元接著(zhù),檢查是否收到上位機獲取溫度命令,若收到則上傳溫度值接著(zhù),程序掃描按鍵與判定闌值并采取相應動(dòng)作顯示當前溫度值,并進(jìn)人下個(gè)循環(huán)。軟件設計時(shí),在保證準確的前提下,應盡可能地降低功耗。具體設計為測量溫度小于60℃時(shí),每5min發(fā)送1次溫度數據,其中,定時(shí)時(shí)間由睡眠定時(shí)器計時(shí),時(shí)間到則切換模式發(fā)射數據,其它時(shí)間則使發(fā)送模塊處于睡眠狀態(tài),從而使發(fā)送模塊大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)當測到的溫度與上次溫度差大于5℃,或溫度大于60℃時(shí),則每5s發(fā)送1次溫度數據。

5、測溫裝置實(shí)驗

在線(xiàn)測溫裝置經(jīng)國家檢測部門(mén)進(jìn)行電磁兼容、通信距離、測量精度、振動(dòng)等項目的檢驗,檢驗結果均符合標準要求。其中溫度測量精度檢測結果見(jiàn)表1。

由表1可知,該裝置的測量誤差在士2℃以?xún)?。為驗證測溫單元在高壓環(huán)境下能正常工作,將測溫單元安裝在開(kāi)關(guān)設備主母排上。通過(guò)試驗設備在母排上加上10kV和42kV高壓,裝置接收數據正常,說(shuō)明測溫單元能在正常高壓環(huán)境下工作,也能適應開(kāi)關(guān)設備出廠(chǎng)試驗時(shí)的工頻耐壓試驗。

6、安科瑞無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品介紹

a.電池供電型無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。

目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有三款：

b.CT感應取電無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸的傳感器。

目前無(wú)線(xiàn)溫度傳感器有兩款：

產(chǎn)品方案：ATE400

典型配置：ATE400

典型配置：ATP系列

7、結束語(yǔ)

該開(kāi)關(guān)設備在線(xiàn)測溫裝置采用CC2430芯片和數字溫度傳感器DS18B20獲取數據,理想地實(shí)現了高壓測溫一次設備與二次監測設備的電隔離,保證了系統的安全可靠性同時(shí)實(shí)現了開(kāi)關(guān)設備溫度數據的自動(dòng)化測量,很好地解決了高壓環(huán)境下母線(xiàn)溫度檢測問(wèn)題。

【參考文獻】

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[2]沈建位，方增，黃曉霞，衛國鵬，呂曉蓉，開(kāi)關(guān)設備在線(xiàn)測溫裝置的研制。

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