基于開關柜實時監測系統的研究

馬興端

(浙江省電力公司舟山啟明電力設計院,浙江舟山 316000)

基于開關柜實時監測系統的研究

馬興端

(浙江省電力公司舟山啟明電力設計院,浙江舟山 316000)

紅外測溫精度低是高壓開關柜實時監測系統應用過程中經常遇到的問題。本文結合單片機技術,通過采用間接提高金屬Cu、A1的紅外輻射率的方法解決了采用紅外測溫技術測量金屬Cu、Al溫度的自動校準和定標問題,從而提高了紅外測溫的精度,最終實現了對高壓帶電導體的實時溫度監測,滿足了高壓電力系統中電纜接頭和開關觸點溫度進行實時監控的需求。

開關柜 實時 監測 研究

在開關柜實際應用中，對高壓開關柜內導電連接處的溫度進行實時監測是非常必要的。利用紅外測溫技術可以實現對高壓帶電物體溫度的非接觸式測量，很好地解決了接觸式測溫方法和光纖傳感器測溫方法所存在不足。本文采用在與靜觸點連接的Cu排(或Al排)附近套上熱縮膠套，實現間接增大Cu排(或Al排)的紅外線輻射率，然后通過大量的實驗獲取相應的校正系數，結合單片機強大的數據處理能力，實現自動校準和定標的功能，較好地滿足了實際測量的需求。

1 硬件系統設計

本系統主要由PIC單片機PICI8LF、紅外溫度數據采集模塊VTIR-3816定標參考數據采集電路18B20和無線通信模塊NRF905組成。

1.1 PIC單片機

考慮到開關柜內部強大的電、磁場環境和系統的需求，選用抗電磁干擾能力強的PIC單片機PICI8LF作為中央處理器。PICI8LF集成了10位AD轉換器及SPI接口模塊，具有32 K的程序存諸空間、1536字節的數據存諸空間及256字節的EEPROM，不僅符合系統的應用需求，還可以大大簡化外圍電路。

紅外溫度數據采集模塊輸出的信號經過相應的調理電路的濾波和放大處理后，直接經PICI8LF內部A/D轉換為溫度數字信號，與來自定標電路的參考(現場)溫度數據通過PICI8LF進行比較處理，獲得定標所需的校正系數，自動實現測量系統的定標操作。此外，無線通信模塊在PICI8LF的控制下，將校正后的溫度數據以無線通信方式傳給上位機，實現測量數據的集中處理和存儲。

1.2 溫度數據采集模塊

根據監測項目選擇合適的傳感器，是故障診斷準確與否的關鍵。本模塊中選用的是光譜響應波段為8-14μm熱電堆紅外傳感器VTIR3816該波段可以有效避免大氣塵埃和水汽對紅外線傳輸中的衰減，可有效濾除因雜散光產生的噪聲以及環境溫度突變引起的輸出信號漂移，具有很強針對性的紅外輻射探測能力。VTIR3816的距離系數比為10：1。本項目的測量對象是10kV高壓開關柜，柜內Cu(或A1)排的寬度為80-150mm，因此傳感器安裝在距被測物體表面800-1500mm的位置上，該距離大于10kV電氣安全距離700mm，可滿足絕緣和電氣安全的要求。

該紅外傳感器的輸出為較弱的雙極性電流信號，需經過調理放大之后，獲得AD轉換所需的單極性電壓信號。

1.3 定標參考數據采集電路

采用測溫性能穩定的18B20數字溫度傳感器作為本模塊電路的核心。工作電壓為3.0-5.5V，測量范圍為-55-125℃。測量精度在-10-85℃內范圍內為±0.5℃，輸出為數字信號，抗干擾能力強，且不需要外部元件，符合本系統設計的需求。

1.4 無線通信模塊

無線通信模塊NRF905共有3個頻段：433 /868 /915MHz，工作電壓為27-33V，采用FSK /GM-SK調制方式，最大輸出功率為+10dBm，硬件集成CRC校驗功能，最大工作速率可達72 8Kbit/s，滿足本系統設計需求，該模塊的使用，可大大簡化現場的布線安裝及維護。

2 系統軟件設計

系統軟件主要由主程序和中斷程序構成。主要包括AD轉換、溫度數據顯示、報警判斷及處理模塊。

中斷采用優先級處理方式主要實現系統的定時處理、無線數據通信及串口通信的響應。

3 溫度的標定和校正

3.1 間接增大紅外輻射率的方法

影響紅外測溫精度的因素比較多，除了受到儀器本身影響外，還有被測物體表面的發射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測量距離、環境溫度等因素的影響.尤其在本系統中，所監測的對象為Cu排(或A1排)。而對于表面拋光的Cu、A1材料而言，其紅外輻射率不會超過0.l0，在溫度從17-100℃之間變化時，使用紅外傳感器直接檢測Cu排(或A1排)表面溫度，紅外傳感器輸出電壓僅有40mV的變化量，采用10位AD轉換器和25V基準電壓，理想情況下的分辨率約為5.1℃，若考慮到傳感器本身和測量系統的誤差，其分辨率將更低。本文采用在與靜觸點連接的Cu排(或A1排)附近套上具有較大紅外輻射率的熱縮膠套，間接增大Cu排(或A1排)的紅外線輻射率，結果表明紅外傳感器輸出電壓變化量、相同條件下的分辨率比直接測量提高10倍以上，同時系統基本保持線性特性。

3.2 溫度的定標

溫度的定標取決于測量溫度是否反映Cu排(或A1排)溫度的實際值，因此選用測溫性能穩定、精度較高的數字式溫度傳感器DS18B20實驗時將其緊貼于Cu排(或Al排)表面，以獲取Cu排(或A1排)的實際溫度值，然后將紅外傳感器對準Cu排(或A1排)套有熱縮膠套的部位，用恒溫箱進行溫度的調節，待充分熱平衡后進行測量。

溫度的定標操作必須在高壓開關柜啟用前進行，即必須保證被測Cu排(或A1排)的溫度與環境溫度一致的條件下進行，否則會產生較大的測量誤差。

4 結語

本文所研發的溫度實時監控系統主要由PIC18LF單片機和VTIR-3816紅外測溫傳感器構成，采用在Cu排(或A1排)外部套熱縮膠套的方法，間接增大Cu排(或Al排)的紅外輻射率，然后利用單片機對數據的處理能力，將檢測數據與現場環境溫度進行比對獲得測量溫度的校正系數，實現測量系統的自動定標和線性校正。

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馬興端(1979—),男,本科,工程師,舟山啟明電力設計院線路室主任兼配網室主任,220以下輸變電工程項目設計總負責人。