高壓開關(guān)觸頭溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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高壓開關(guān)柜是發(fā)電廠和變電站的重要電器設(shè)備，其內(nèi)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(guān)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(guān)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(guān)柜的安全運行，乃至電網(wǎng)的正常運轉(zhuǎn)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(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)主要有多種：
(1)在母排接頭和開關(guān)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(guān)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(shù)的最大缺陷是被測高壓帶電體與測量設(shè)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(shù)的安全性值得商榷；本文采用無線通信技術(shù)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(guān)柜內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，就很好地解決高壓隔離的問題，同時采用低功耗設(shè)計和屏蔽技術(shù)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(jié)構(gòu)簡介
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(yīng)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(gòu)成分布式監(jiān)測系統(tǒng)。
2 變送器設(shè)計
2．1 硬件電路設(shè)計
變送器的結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計是本系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，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(nèi)(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(zhuǎn)換時間較長(約1 s)，分為兩步采集：第一步啟動并開始轉(zhuǎn)換；第二步讀取溫度并置相關(guān)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(guān)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(shè)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。
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