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开关柜在线测温装置的设计

发布时间:2020-07-16   点击次数:92次

摘要:针对开关设备触头发热问题,设计一种无线测温装置。该测温装置的传感器节点由CC2430芯片与数字温度传感器DS18B20构成,利用ZigBee协议,以无线方式把触头温度数据送至协调器,实现温度的显示与报警。试验表明,该装置稳定性好,能很好地满足实际需求。

关键词:开关设备 传感器节点 ZigBee 测温在线

0 引言

现代社会对电能的依赖性很高,尤其是用电密度大的地区,因而对供电设备可靠性提出了要求。目前普遍使用的手车式开关设备,其断路器与开关设备间采用插头连接,当手车与开关设备触头接触不良时,接触电阻会增大,引起触头温升过高,甚至烧毁,该现象在大电流开关设备上尤为突出,且影响很大。另外,电力系统开关设备在长期运行过程中常出现的表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动、触点和母线排连接处老化等问题,亦会造成设备过热,甚至引发严重事故。

现有的开关设备触头测温主要有普通测温、红外测温和光纤测温方式。普通测温方式需要金属导线传输信号,绝缘性能得不到保证;红外测温方式使用的红外成像仪又无法透过柜门测量内部设备温度;光纤测温方式使用的光纤易折断、不耐高温,且在柜内布线难度较大,造价高。因此,本文针对高压开关设备,开发了由CC2430芯片与数字温度传感器DS18B20构成的无线测温装置来测量触头温度,并运用射频技术对传感器采集到的信号进行无线传输,实现开关设备温度的在线监测。

1、测温装置硬件设计

开关设备在线测温装置总体结构如图所示,主要由无线温度传感器、协调器组成。无线温度检测单元安装在开关设备需测温部位,协调器安装在开关设备仪表室。无线温度传感器、协调器间通过无线方式传输数据。每台开关设备通常配置个无线温度传感器,分别安装在每相的上下触头处。

无线温度传感器包括CC2430芯片和数字温度传感器DS18B20及其外围电路。CC2430芯片是内部集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频(RF)收发器的无线单片机;数字温度传感器DS18B20直接通过单线与CC2430单片机I/O连接。

协调器主要完成对测温终端上传的温度数据的处理与现场显示,并按照通信规约把温度数据上传给上位机;此外还将测得的温度与设置的预警值进行比较,若有异常,则输出报警信号。

2、无线温度传感器的供电

目前,无线温度传感器主要由电池供电或电流互感器供电。采用电池供电需要经常更换电池,不仅增加了劳动强度,而且在开关设备运行工况下还存在更换电池困难等缺陷。采用电流互感器从母线取电流,存在母线电流不稳定,过电压和过电流对取能电源带来损坏等缺点,因此需要大量的稳压和保护措施。根据产品的使用情况及电网公司的相关要求,本文设计采用电池供电方案,选用高性能电池给无线温度传感器供电,电池使用年限可达4年以上。

3、ZigBee技术

ZigBee技术实际上是采用IEEE802.15.协议的新一代无线传感器网络系统,主要适用于自动控制和远程控制领域。试验表明,2.4GHz无线信号在强磁场、高温、高压环境中的直线传播性能较好,因而数据的传输能力强、可靠性高。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee射频发射所需的功率较低再加上处理器支持多种休眠模式,ZigBee技术可以确保2节五号电池持续使用6个月到2年左右。ZigBee技术的整个硬件成本低,网络节点容量大,具有自组、自动路由和自愈功能,且工作在2.4GHz免执照频段,是实现开关设备无线温度监测系统的理想解决方案。

4、软件设计

协调器的主程序流程如图2所示。控制器上电后,分别对串口模块、液晶模块、I/O端口进行初始化接着,向传感器接点索要各路温度传感器的温度值,在获得正确温度值后将其保存在特定的存储单元接着,检查是否收到上位机获取温度命令,若收到则上传温度值接着,程序扫描按键与判定阑值并采取相应动作显示当前温度值,并进人下个循环。软件设计时,在保证准确的前提下,应尽可能地降低功耗。具体设计为测量温度小于60℃时,每5min发送1次温度数据,其中,定时时间由睡眠定时器计时,时间到则切换模式发射数据,其它时间则使发送模块处于睡眠状态,从而使发送模块大部分时间处于低功耗状态当测到的温度与上次温度差大于5℃,或温度大于60℃时,则每5s发送1次温度数据。

5、测温装置实验

在线测温装置经国家检测部门进行电磁兼容、通信距离、测量精度、振动等项目的检验,检验结果均符合标准要求。其中温度测量精度检测结果见表1。

由表1可知,该装置的测量误差在士2℃以内。为验证测温单元在高压环境下能正常工作,将测温单元安装在开关设备主母排上。通过试验设备在母排上加上10kV和42kV高压,装置接收数据正常,说明测温单元能在正常高压环境下工作,也能适应开关设备出厂试验时的工频耐压试验。

6、安科瑞无线测温产品介绍

a.电池供电型无线温度传感器

安装于发热部位,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

目前无线温度传感器有三款:

b.CT感应取电无线温度传感器

安装于断路器触头、母排、电缆搭接点等大电流处,采集温度量并通过无线方式传输的传感器。

目前无线温度传感器有两款:

产品方案:ATE400

典型配置:ATE400

典型配置:ATP系列

7、结束语

该开关设备在线测温装置采用CC2430芯片和数字温度传感器DS18B20获取数据,理想地实现了高压测温一次设备与二次监测设备的电隔离,保证了系统的安全可靠性同时实现了开关设备温度数据的自动化测量,很好地解决了高压环境下母线温度检测问题。

【参考文献】

[1]张东亮.一种无线在线测温装置在 高压开关设备 中的应用[J].电工电气,2009(5):34~36

[2]沈建位,方增,黄晓霞,卫国鹏,吕晓蓉,开关设备在线测温装置的研制。

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版。

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