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

秦佳

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3.3V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