摘要：針對開關設備觸頭發(fā)熱問題，設計一種無線測溫裝置。該測溫裝置的傳感器節(jié)點由CC2430芯片與數(shù)字溫度傳感器DS18B20構成，利用ZigBee協(xié)議，以無線方式把觸頭溫度數(shù)據(jù)送至協(xié)調器，實現(xiàn)溫度的顯示與報警。試驗表明，該裝置穩(wěn)定性好，能很好地滿足實際需求。
關鍵詞：開關設備 傳感器節(jié)點 ZigBee 測溫在線
0 引言
現(xiàn)代社會對電能的依賴性很高，尤其是用電密度大的地區(qū)，因而對供電設備可靠性提出了要求。目前普遍使用的手車式開關設備，其斷路器與開關設備間采用插頭連接，當手車與開關設備觸頭接觸不良時，接觸電阻會增大，引起觸頭溫升過高，甚至燒毀，該現(xiàn)象在大電流開關設備上尤為突出，且影響很大。另外，電力系統(tǒng)開關設備在長期運行過程中常出現(xiàn)的表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動、觸點和母線排連接處老化等問題，亦會造成設備過熱，甚至引發(fā)嚴重事故。
現(xiàn)有的開關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法透過柜門測量內部設備溫度；光纖測溫方式使用的光纖易折斷、不耐高溫，且在柜內布線難度較大，造價高。因此，本文針對高壓開關設備，開發(fā)了由CC2430芯片與數(shù)字溫度傳感器DS18B20構成的無線測溫裝置來測量觸頭溫度，并運用射頻技術對傳感器采集到的信號進行無線傳輸，實現(xiàn)開關設備溫度的在線監(jiān)測。
1、測溫裝置硬件設計
開關設備在線測溫裝置總體結構如圖所示,主要由無線溫度傳感器、協(xié)調器組成。無線溫度檢測單元安裝在開關設備需測溫部位,協(xié)調器安裝在開關設備儀表室。無線溫度傳感器、協(xié)調器間通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。每臺開關設備通常配置個無線溫度傳感器,分別安裝在每相的上下觸頭處。
無線溫度傳感器包括CC2430芯片和數(shù)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)器的無線單片機；數(shù)字溫度傳感器DS18B20直接通過單線與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(shù)據(jù)的處理與現(xiàn)場顯示,并按照通信規(guī)約把溫度數(shù)據(jù)上傳給上位機；此外還將測得的溫度與設置的預警值進行比較,若有異常,則輸出報警信號。
2、無線溫度傳感器的供電
目前,無線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常更換電池,不僅增加了勞動強度,而且在開關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取電流,存在母線電流不穩(wěn)定,過電壓和過電流對取能電源帶來損壞等缺點,因此需要大量的穩(wěn)壓和保護措施。根據(jù)產品的使用情況及電網公司的相關要求,本文設計采用電池供電方案,選用高性能電池給無線溫度傳感器供電,電池使用年限可達4年以上。
3、ZigBee技術
ZigBee技術實際上是采用IEEE802.15.協(xié)議的新一代無線傳感器網絡系統(tǒng),主要適用于自動控制和遠程控制領域。試驗表明,2.4GHz無線信號在強磁場、高溫、高壓環(huán)境中的直線傳播性能較好,因而數(shù)據(jù)的傳輸能力強、可靠性高。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術,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技術可以確保2節(jié)五號電池持續(xù)使用6個月到2年左右。ZigBee技術的整個硬件成本低,網絡節(jié)點容量大,具有自組、自動路由和自愈功能,且工作在2.4GHz免執(zhí)照頻段，是實現(xiàn)開關設備無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)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。控制器上電后,分別對串口模塊、液晶模塊、I/O端口進行初始化接著,向傳感器接點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,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,程序掃描按鍵與判定闌值并采取相應動作顯示當前溫度值,并進人下個循環(huán)。軟件設計時,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,每5min發(fā)送1次溫度數(shù)據(jù),其中,定時時間由睡眠定時器計時,時間到則切換模式發(fā)射數(shù)據(jù),其它時間則使發(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,則每5s發(fā)送1次溫度數(shù)據(jù)。
5、測溫裝置實驗
在線測溫裝置經國家檢測部門進行電磁兼容、通信距離、測量精度、振動等項目的檢驗,檢驗結果均符合標準要求。其中溫度測量精度檢測結果見表1。
由表1可知,該裝置的測量誤差在士2℃以內。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關設備主母排上。通過試驗設備在母排上加上10kV和42kV高壓,裝置接收數(shù)據(jù)正常,說明測溫單元能在正常高壓環(huán)境下工作,也能適應開關設備出廠試驗時的工頻耐壓試驗。
6、安科瑞無線測溫產品介紹
a.電池供電型無線溫度傳感器
安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>
目前無線溫度傳感器有三款：
b.CT感應取電無線溫度傳感器
安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>
目前無線溫度傳感器有兩款：
產品方案：ATE400
典型配置：ATE400
典型配置：ATP系列
7、結束語
該開關設備在線測溫裝置采用CC2430芯片和數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取數(shù)據(jù),理想地實現(xiàn)了高壓測溫一次設備與二次監(jiān)測設備的電隔離,保證了系統(tǒng)的安全可靠性同時實現(xiàn)了開關設備溫度數(shù)據(jù)的自動化測量,很好地解決了高壓環(huán)境下母線溫度檢測問題。
【參考文獻】
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