高壓開關(guān)柜觸頭及母排測(cè)溫實(shí)用方案設(shè)計(jì)

1、高壓開關(guān)觸頭及母排測(cè)溫實(shí)用方案設(shè)計(jì)陳建平胡占強(qiáng)錢昱澎(西安森源配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司2012.05【摘要】文章描述了國內(nèi)目前高壓開關(guān)柜觸頭及母排測(cè)溫常用三種方案的優(yōu)缺點(diǎn),重點(diǎn)介紹實(shí)用新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案-無線射頻通訊測(cè)溫【關(guān)鍵詞】高壓開關(guān); 光學(xué)測(cè)溫; 紅外通訊測(cè)溫; 無線射頻通訊測(cè)溫?！続bstract】 : This paper introduce excellent-imperfect three kind method in high-voltage circuit breaker in common use contactorand busbar measure temperature

2、in China。wirelesscommunication measure temperature product design projectare described emphatically【Key words】: high-voltage circuit breaker; optics measure temperature;infrared ray communication measure temperature;wireless communication measure temperature。一、引言隨著電網(wǎng)容量的不斷增加,對(duì)電網(wǎng)的可靠性要求越來越高。為了提高供電的可靠性,

3、減少停電的時(shí)間,不但要求高壓電器產(chǎn)品有高的質(zhì)量,也要求設(shè)備在運(yùn)行時(shí),具有自診斷功能,檢測(cè)它的狀態(tài),讓管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障前兆,提前采取防患措施,變“定期檢修”為“按狀態(tài)檢修”。電力設(shè)備的導(dǎo)電母排接頭、高壓開關(guān)的觸頭、刀閘開關(guān)、干式變壓器、箱式變電站等設(shè)備的表面,在母線承載電流過大或開關(guān)接觸電阻過大時(shí),極易引起溫升過高,如得不到及時(shí)解決將使絕緣部件性能降低,甚至導(dǎo)致?lián)舸?造成惡性事故,從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。及時(shí)測(cè)量高壓開關(guān)觸頭和高壓母線接頭溫度,為采取有效措施提供準(zhǔn)確信息,將是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。本文將對(duì)國內(nèi)目前常用的方案進(jìn)行比較,并重點(diǎn)闡述西安森源配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司研發(fā)的一種實(shí)用新

4、型產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案-無線射頻通訊測(cè)溫,此方案已在國內(nèi)多省市冶金及工礦供電系統(tǒng)中得到大力推廣與應(yīng)用。二、國內(nèi)目前最常用三種測(cè)溫技術(shù)方案的特點(diǎn)眾所周知,測(cè)溫本身不難,由于高壓開關(guān)柜電壓等級(jí)高以及開關(guān)的絕緣間距問題,在開關(guān)柜中測(cè)量觸頭及母排的溫度主要解決的問題是電源的取得以及通訊問題。目前國內(nèi)高壓開關(guān)柜觸頭及母排測(cè)溫常用以下三種方案:1.紅外線光學(xué)測(cè)量1.1概述通過凸透鏡直接接收測(cè)量點(diǎn)發(fā)出的遠(yuǎn)紅外波,可遠(yuǎn)距離測(cè)量。數(shù)字式紅外測(cè)溫傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、數(shù)字接口輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由傳感器的光學(xué)零件及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)

5、器上,并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大器和信號(hào)處理電路,按照傳感器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。 測(cè)量示意圖1.2國內(nèi)一種紅外測(cè)溫傳感器的技術(shù)參數(shù)測(cè)溫范圍: 0150分辨率: 0.1精度: 1%或±2(目標(biāo)發(fā)射率=0.95距離與目標(biāo)尺寸比(D:S: 8:1發(fā)射率:可設(shè)定響應(yīng)光譜: 515m響應(yīng)時(shí)間: 500ms數(shù)據(jù)通訊接口: RS485功耗:10mA(打開瞄準(zhǔn)激光器時(shí)30mA使用環(huán)境:-20601.3 特點(diǎn)1絕緣隔離性采用非接觸式測(cè)溫方式,解決了高壓隔離,避免通過引線的方式造成高壓端與低壓端的串?dāng)_而引起的不安全性。2采用光學(xué)測(cè)量方式測(cè)量模塊通過RS485通訊

6、將測(cè)量數(shù)據(jù)傳給主機(jī)進(jìn)行顯示處理。3無需電池供電由于采用光學(xué)非接觸式測(cè)溫方式,因此測(cè)量模塊可以采用電源引線長期工作。4長期測(cè)量精度差由于光學(xué)鏡面長期置于開關(guān)柜中,落灰塵后測(cè)量精度變差,甚至導(dǎo)致測(cè)量失敗。5只可測(cè)量傳感器直視范圍6成本高2.采用紅外線無線通訊技術(shù),電池取能2.1概述溫度傳感器模塊采用集成電路數(shù)字式溫度傳感器LM35CA以及TI公司低功耗單片機(jī)MSP430F1232,由MSP430F1232采集溫度數(shù)據(jù),將溫度數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射接收對(duì)管TSAL6200、HS0038B用38KHZ載波進(jìn)行通訊。2.2原理示意圖 圖1 紅外通訊發(fā)射線路原理圖 圖2 紅外通訊接收線路原理圖2.3特點(diǎn)1絕緣隔

7、離性溫度傳感器模塊及顯示接收模塊通過無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,避免通過引線的方式造成高壓端與低壓端的串?dāng)_而引起的不安全性。2高性能的數(shù)字式溫度傳感器測(cè)溫模塊固定在母排上,非常接近發(fā)熱點(diǎn),能快速準(zhǔn)確的反應(yīng)觸頭溫度的變化。3電池供電采用電池供電,供給測(cè)溫及發(fā)送模塊,電池壽命35年。4采用無線通訊技術(shù)解決了信號(hào)互相干擾問題和有線連接的布線困難。5長期測(cè)量精度差由于紅外發(fā)射接收對(duì)管TSAL6200、HS0038B通過塑料玻璃面發(fā)射紅外光進(jìn)行通訊,落灰塵后測(cè)量精度變差,甚至導(dǎo)致測(cè)量失敗。6安裝要求高發(fā)射管與接收管必須要求在同一接受面、相對(duì)的方向內(nèi)才可接收到數(shù)據(jù)。7成本低3. 采用433/868/915M

8、H/2.4GHZ無線射頻通訊技術(shù),CT取能3.1概述溫度傳感器模塊采用集成電路數(shù)字式溫度傳感器LM35CA以及TI公司低功耗單片機(jī)MSP430F1232,由MSP430F1232采集溫度數(shù)據(jù),將溫度數(shù)據(jù)通過射頻無線芯片用433/868/915MH/2.4GHZ可用頻段進(jìn)行通訊。3.2特點(diǎn)1絕緣隔離性溫度傳感器模塊及顯示接收模塊通過無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,避免通過引線的方式造成高壓端與低壓端的串?dāng)_而引起的不安全性。2高性能的數(shù)字式溫度傳感器測(cè)溫模塊固定在觸臂上或母排上,非常接近發(fā)熱點(diǎn),能快速準(zhǔn)確的反應(yīng)觸頭溫度的變化。3無需電池供電采用取能線圈供電,通過母線上流過的一次電流采集能量供給溫度傳感器

9、模塊。4采用無線通訊技術(shù)解決了信號(hào)互相干擾問題和有線連接的布線困難。5成本介于前二種方案之間三、實(shí)用新型方案-無線射頻通訊測(cè)溫的設(shè)計(jì)闡述根據(jù)上述國內(nèi)常用三種測(cè)溫方案的特點(diǎn)比較,可以得出結(jié)論:第三種實(shí)用新型方案-無線射頻通訊測(cè)溫,最適合高電壓設(shè)備的溫度測(cè)量。這也是目前西安森源配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司采用的高壓開關(guān)柜溫度測(cè)量系統(tǒng),其主要包括以下三部分:1.無線溫度傳感器模塊(包括溫度的采集、溫度的無線發(fā)射二個(gè)部分,可根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)需要測(cè)量的點(diǎn)數(shù)來配置無線溫度傳感器模塊的數(shù)量,柜內(nèi)一般測(cè)量的點(diǎn)數(shù)為3、6、9、12個(gè)點(diǎn)。2.監(jiān)測(cè)顯示主機(jī),主要完成接收無線溫度傳感器模塊發(fā)射過來的溫度數(shù)據(jù),將溫度存儲(chǔ)并進(jìn)行邏

10、輯運(yùn)算,如果溫度(溫升 超出設(shè)定值則進(jìn)行聲光報(bào)警。還可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,并與后臺(tái)上位機(jī)電腦(PC機(jī)進(jìn)行通訊。3.上位機(jī)后臺(tái)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì),后臺(tái)應(yīng)用軟件的功能包括對(duì)各個(gè)溫度傳感器設(shè)備、溫度監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、溫度信息的遠(yuǎn)程獲取、綜合查詢分析及溫度預(yù)測(cè)告警等。下面重點(diǎn)介紹無線射頻通訊測(cè)溫方案三個(gè)主要部分的設(shè)計(jì)理念。1.無線溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)溫度傳感器模塊是由一片超低功耗單片機(jī)MSP430F1232及低功耗射頻收發(fā)器n RF905、數(shù)字溫度傳感器LM35、電源模塊以及無線發(fā)射天線組成。 圖3 溫度采集及發(fā)射部分原理圖1.1低功耗單片機(jī)MSP430F1232這是一款美國德州儀器公司的超低功耗MCU,技術(shù)指

11、標(biāo)如下:1低電源電壓:1.83.6V2超低功耗:待機(jī)模式 0.7uA;關(guān)閉模式(RAM保持 0.1uA;活動(dòng)模式200uA at1MHZ,2.0V;3五種節(jié)能模式4 6 uS內(nèi)從待機(jī)模式喚醒516位精簡(jiǎn)指令集,125ns指令周期6帶內(nèi)部參考,采樣保持,自動(dòng)掃描特性的10位A/D轉(zhuǎn)換器1.2低功耗射頻收發(fā)器n RF905這是一款挪威Nordic公司推出的單片射頻收/發(fā)器芯片,技術(shù)指標(biāo)如下:1工作于433 /868 /915 MHz 3個(gè)ISM頻道2工作電源電壓1.93.6V3ShockBurstTM 工作模式,自動(dòng)處理字頭CRC (循環(huán)冗余碼校驗(yàn),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。4低

12、功耗,以10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA,工作于接收模式時(shí)的電流為12. 5 mA5nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持6當(dāng)正確的數(shù)據(jù)包被發(fā)送接收時(shí),有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號(hào)7偵測(cè)接收的數(shù)據(jù)包,當(dāng)?shù)刂氛_輸出地址匹配信號(hào)1.3數(shù)字溫度傳感器LM35這是由National Semiconductor 所生產(chǎn)的溫度傳感器,技術(shù)指標(biāo)如下:1溫度范圍: 55°C to +150°C2輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系,+ 10.0 mV/°C3不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1/4的準(zhǔn)確率。4單電源模式在25下靜止電流約50A1.4電源模塊可有2種

13、方案可選:1方案一:采用高容量鋰氬電池ER14335(1600MA/H, -40-+85采用高容量鋰氬電池ER14335,電源部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但牽涉到電源的設(shè)計(jì)壽命問題。電池供電主要考慮的是整個(gè)無線溫度傳感器模塊的低功耗設(shè)計(jì),低功耗單片機(jī)MSP430F1232及無線發(fā)射芯片n RF905平時(shí)要處于休眠狀態(tài),平時(shí)不需要啟動(dòng)的硬件設(shè)備要處于電源關(guān)斷狀態(tài)。溫度的采集及數(shù)據(jù)發(fā)送由軟件設(shè)計(jì)一套邏輯算法以滿足低功耗要求,電路部分將取能線圈電源換為電池,其余與取能線圈無線溫度傳感器模塊相同。西安森源配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)的電池供電無線溫度傳感器模塊,平時(shí)耗電5uA,采用規(guī)格為ER14335,標(biāo)稱容量130

14、0mAH的鋰亞電池。按設(shè)計(jì)的邏輯算法,理論供電可以達(dá)到15年以上。2方案二:采用取能感應(yīng)線圈、整流濾波電路及保護(hù)泄放回路方式感應(yīng)取能供電方式是利用電磁感應(yīng)原理,通過取能線圈從高壓母線或線路上感應(yīng)交流電壓,然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后為高壓側(cè)電子電路供電。高壓側(cè)一次母線電流的情況非常復(fù)雜,電流最低可能只有幾安,而發(fā)生短路故障時(shí)暫態(tài)電流可能達(dá)到數(shù)十千安。欲設(shè)計(jì)出使用面廣、性能優(yōu)越的電源,用感應(yīng)線圈、整流濾波電路及保護(hù)泄放回路的方案需要解決的問題是: (1當(dāng)母線電流很小近于空載時(shí)能確保電源可靠供應(yīng)。(2在短路等原因造成的過電流及沖擊電流下能夠可靠保護(hù)電源。(3在導(dǎo)線正常電流范圍內(nèi)均能提供穩(wěn)定的輸出,短

15、時(shí)斷電持續(xù)供電以及能滿足瞬間大功率供電。(4長期低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行。西安森源配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司所采用的電源方案二種并存,當(dāng)測(cè)量斷路器觸臂溫度時(shí)采用取能感應(yīng)線圈供電;當(dāng)測(cè)量其它不好安裝取能感應(yīng)線圈測(cè)量點(diǎn)時(shí)采用電池供電方式。 圖4 取能線圈電源原理圖在實(shí)驗(yàn)室中,我們測(cè)試一次電流從0A到100A范圍內(nèi)變化時(shí),CT取能線圈所感應(yīng)出的能量數(shù)據(jù)如下: 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出:當(dāng)一次電流達(dá)到6.5A時(shí),穩(wěn)壓模塊已輸出3.3V,發(fā)射指示燈閃爍,表明無線溫度傳感器模塊已開始工作。因?yàn)閿嗦菲鬟\(yùn)行在高電壓、大電流的狀態(tài),在短路電流發(fā)生瞬間,會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的電磁瞬態(tài)過程,因此,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾,為提高抗電磁干擾,無線溫度傳

16、感器模塊加入了硬件看門狗芯片TPS3823。1.5無線發(fā)射天線設(shè)計(jì)天線部分設(shè)計(jì)了二種方案:1 PCB天線2集成瓷片天線由于斷路器觸臂部分空間狹小,因此最終采用集成瓷片天線,經(jīng)過實(shí)際測(cè)試在開闊的空間實(shí)際傳輸距離可以達(dá)到50米。實(shí)際產(chǎn)品圖如下圖: 圖5 無線溫度傳感器模塊產(chǎn)品圖無線溫度傳感器模塊由于安裝在溫度比較高的部位(溫度有可能會(huì)到100以上,因此無線溫度傳感器模塊在制做設(shè)計(jì)過程中考慮采用了隔熱絕緣材料及熱穩(wěn)定性器件。2.監(jiān)測(cè)顯示主機(jī)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)顯示主機(jī)完成以下功能:1完成電氣接點(diǎn)的溫度采集及顯示,可設(shè)定溫度、溫升顯示方式。2可進(jìn)行溫度、溫升預(yù)警、報(bào)警值的設(shè)定,超出報(bào)警值可輸出報(bào)警信號(hào)。3具有RS

17、485通訊功能,采用 MODBUS協(xié)議與后臺(tái)監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。是由一片超低功耗單片機(jī)MSP430F149及低功耗射頻收發(fā)器n RF905、全漢字128X64液晶顯示器、RS485通訊線路、時(shí)鐘線路、鍵盤線路、報(bào)警輸出線路、參數(shù)存儲(chǔ)線路以及電源模塊組成。4具備事件記錄查看功能(SOE功能。2.1顯示主機(jī)功能框圖如下圖所示: 顯示主機(jī)主要組成單元模塊介紹如下:1 LCD顯示器LCD采用128×64點(diǎn)陣式圖文液晶顯示器,顯示特點(diǎn)為全中文菜單結(jié)構(gòu),可顯示各種功能菜單,并可顯示各種數(shù)據(jù)、參數(shù)、事件記錄表等。2操作按鍵功能、數(shù)字、確認(rèn)、退出鍵主要用于LCD顯示翻屏以及光標(biāo)移位指示,參數(shù)設(shè)定整定等

18、操作。3時(shí)鐘模塊主要是為事件記錄(SOE功能模塊提供日期、時(shí)間基準(zhǔn)。4參數(shù)存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)事件記錄(SOE和用戶設(shè)定的報(bào)警參數(shù)信息。5無線接收模塊該模塊通過915MHZ的無線電波與無線溫度傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,把無線溫度傳感器模塊采集到的觸頭或母排溫度數(shù)據(jù)傳送給CPU數(shù)據(jù)處理單元。6通訊模塊采用485通訊芯片,利用 MODBUS協(xié)議與后臺(tái)監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。7輸出報(bào)警模塊根據(jù)用戶設(shè)定的溫度報(bào)警閥值,當(dāng)溫度超出設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。2.2實(shí)際產(chǎn)品圖: 圖6 監(jiān)控顯示主機(jī)產(chǎn)品圖3.上位機(jī)后臺(tái)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)上位機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)安裝在變電站主控計(jì)算機(jī)上,系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)采集任務(wù),定時(shí)按照既定的采

19、樣頻率進(jìn)行開關(guān)柜溫度、溫升信息的采集,數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中,用戶可按時(shí)間段、不同的監(jiān)測(cè)類型進(jìn)行溫度、溫升數(shù)據(jù)的查詢,并用表格和曲線展示。當(dāng)開關(guān)柜溫度的超過報(bào)警上限時(shí),系統(tǒng)為安全人員提供聲音、顏色等告警信息,幫助運(yùn)行人員及時(shí)或預(yù)知性的發(fā)現(xiàn)和排除故障,從而最大限度的保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)采用多線程、分布式架構(gòu),將200個(gè)以內(nèi)的終端數(shù)據(jù)快速采集、分析、存儲(chǔ)。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長:可保存兩年時(shí)間的數(shù)據(jù)。采用標(biāo)準(zhǔn)的windows界面,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互強(qiáng)、可操作性強(qiáng)。系統(tǒng)功能采用模塊化設(shè)計(jì),具有良好的開放性,便于新增功能,滿足用戶對(duì)監(jiān)測(cè)信息的使用和分析。系統(tǒng)采用模塊化權(quán)限設(shè)計(jì),不同用戶提供不同的權(quán)限,保證安全的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)一啟動(dòng),默認(rèn)界面為測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)