10kV室內開關柜高壓觸點溫度無線監測系統的設計

崔光照 劉 賓

（鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，鄭州 450002）

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10kV室內開關柜高壓觸點溫度無線監測系統的設計

崔光照 劉 賓

（鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，鄭州 450002）

基于電力系統中對10kV室內開關柜高壓觸點溫度測量的實際需求，本文設計了一種開關柜高壓觸點溫度無線監測系統，系統采用ZigBee網絡技術實現溫度數據傳輸，溫度傳感器采用氧化鋁導熱陶瓷封裝，系統通過測試，能夠實現對開關柜高壓觸點溫度監測和故障溫度報警功能。

開關柜設備；無線監測；高壓觸點；溫度測量

開關柜設備在電力系統中廣泛運用，承擔著線路投切、線路故障保護等重要作用，其安全穩定運行對于供電線路的安全保障意義重大[1-3]。10kV室內開關柜設備廣泛應用，是用電設備可靠供電的保障，開關柜設備在長期的運行過程中，高壓觸頭的接觸電阻會有增加，高壓觸頭接觸電阻增加會引起觸頭溫升的增加，觸頭溫度過高會引發設備故障，導致設備損毀等事故[4-8]。因此，對開關柜設備觸頭溫度進行監測，了解開關柜設備各高壓觸頭溫度就可以在一定程度上預防開光柜設備因觸頭溫升過高而引發的設備故障，做到預防性檢修，保障設備安全運行和供電可靠性。

由于 10kV開關柜設備內部空間小、電磁干擾強等特點，高壓觸點溫度測量設備必須具備易于安裝、抗電磁干擾等功能[9-10]。就目前研究現狀而言，高壓觸點溫度測量方面主要采用接觸式測量和非接觸式測量兩種方式，接觸式測量有光纖光柵測溫、熱電偶測溫和聲表面波測溫等接觸式溫度傳感器；非接觸式測量采用紅外溫度傳感器[11-13]。高壓觸點溫度在線監測系統溫度數據傳輸較為常見的有光纖傳輸、CAN總線傳輸、GPRS傳輸等技術[14]。對于高壓觸點溫度測量一般電力企業要求測溫系統能夠滿足24h全天候正常工作，報警溫度閾值一般為70℃左右，溫度測量范圍在?40℃～120℃之間，測量精度要控制在5℃以內[15]。

本文以10kV室內開關柜為研究對象，設計了一套開關柜高壓觸點溫度在線監測系統，該系統通過ZigBee網絡進行溫度數據的傳輸，在不改變開關柜內部物理結構的基礎上，很好地解決了高低壓電氣隔離的問題；同時采用低功耗設計和屏蔽技術，可解決測溫節點使用壽命和抗強電磁干擾的問題。ZigBee網絡的網絡覆蓋范圍、組網節點容量、數據傳輸速率等滿足了現場系統要求，溫度測量裝置采用氧化鋁導熱陶瓷一體化封裝，便于安裝在測溫觸點，開關柜各高壓觸點溫度數據通過上位機監測軟件進行顯示，監測軟件能夠實現各測溫點溫度數據記錄、故障溫度設定和故障報警功能。系統正常測溫范圍為?55℃～125℃，測量精度為 1℃，能夠滿足開關柜高壓觸點溫度測量要求，實現對 10kV室內開關柜設備高壓觸點溫度的在線監測。

1　測量系統方案設計

系統結構組成上由溫度測量節點、數據集中器和上位機監控界面等組成，系統方案設計如圖1所示。各高壓觸點測溫點通過ZigBee網絡將溫度數據溫按照特定的數據幀格式發送到數據集中器，數據集中器將各開關柜發送的溫度數據進行處理后發送到監控界面進行顯示和記錄，PC監控界面對各測溫點數據進行顯示和記錄。

圖1　系統方案設計

2　系統軟硬件設計

系統硬件設計上主要包括溫度測量節點部分和數據集中器部分，硬件設計框圖如圖2所示。測溫節點在硬件設計上主要包括單片機、供電單元、測溫傳感器單元、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理框圖如圖2（a）所示。

圖2　硬件設計框圖

數據集中器在硬件設計上主要包括單片機、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理框圖如圖2（b）所示。系統溫度測量節點和數據集中器節點核心芯片采用 TI/Chipcon公司的CC2530F256，用以實現溫度數據讀取和無線通信，CC2530F256芯片工作溫度為?40℃～125℃，能夠在開關柜內部溫度條件下正常工作。該芯片使用單周期8051兼容內核，外設睡眠定時器可以滿足系統低成本、低功耗的要求，同時支持 ZigBee協議和IEEE 802.15.4協議，內含2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）無線射頻收發器核心,該芯片功能強大、體積小，滿足了系統數據測量發送要求，易于實現測溫節點的小型化。

2.1供電與功率放大

測溫點和數據集中器采用 DC 5V供電，CC2530F256單片機由 AMS1117?3.3V芯片進行電壓轉換后供電。測溫節點通過高能鋰電池供能，由于測溫節點不能帶電更換供電電池，所以必須保證測溫節點在設備停電倒換檢修前能持續運行，在程序設定上通過睡眠定時器加入適當的休眠期，測溫節點在完成一次數據發送后進入一定時間的低功耗休眠，通過降低測溫點功耗延長工作時間。

開關柜設備為封閉式鋼架結構，為保證信號傳輸距離和信號發射強度，測溫點和數據集中器加入了功率放大芯片，功率放大器末端設計有板載PCB陶瓷天線，接入外接天線后增強信號的傳輸距離和穩定性，減小開關柜內高電壓、強磁場對測溫模塊數據傳輸的影響，保證了溫度數據的傳輸質量和強度，實現系統溫度數據無線傳輸和接收顯示。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，RFX2401C是一種超集成度的射頻前端集成電路，整合了IEEE 802.15.4/ZigBee、無線傳感器網絡、2.4GHz的ISM頻帶射頻前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、阻抗匹配網絡、諧波過濾器和CMOS控制邏輯。

2.2溫度測量單元

系統測溫單元溫度傳感器采用美國 DALLAS半導體公司生產的接觸式的 DS18b20，該溫度傳感器為單總線數字式溫度傳感器，內置12位模數轉換器，測溫范圍為?55℃～125℃，測量精度相對較高，該傳感器結構簡單，不需要復雜的額外圍電路，數據的讀寫和命令的寫入通過單根數據線進行，以“一線總線”方式把溫度數據串行給單片機，在開關柜復雜的電磁環境中工作，有較好的抗干擾能力，能有效降低開光柜內部電磁環境對測溫單元的影響。

溫度測量單元采用高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，測溫單元主要包括氧化鋁陶瓷封裝、電路板、鋰電池、環氧樹脂灌封膠和DS18b20溫度傳感器，封裝結構圖如圖3所示，采用氧化鋁陶瓷封裝可以有效防潮、防塵、防污和電壓絕緣，氧化鋁陶瓷高導熱系數保證了高壓觸點溫度測量數據的準確可靠，同時氧化鋁陶瓷封裝還能有效抗EMI（Electro-Magnetic Interference）和靜電干擾，提高測溫節點EMC（Electro Magnetic Compatibility）保證測溫節點可靠工作。測溫節點采用環氧樹脂膠裝，環氧樹脂固化后耐壓指數12～16kV/mm，具有良好的電氣絕緣性，導熱系數為 0.15W/m·K，保證測溫節點處理芯片和高壓測溫觸點的熱隔離，同時處理芯片上涂有低熱阻和高導熱性的SM-A1導熱硅脂，其導熱系數大于6.0W/m·K，減小芯片工作時的溫升累積。測溫節點安放時，溫度傳感器一側貼近高壓測溫觸點。不同氧化鋁含量的導熱陶瓷主要性能參數見表1，系統封裝選擇氧化鋁含量99.7%的高剛玉質導熱陶瓷，高純剛玉質導熱陶瓷具有高導熱、高電氣絕緣、高耐壓和低吸水率等特性。

表1　導熱陶瓷性能參數表

圖3　測溫單元封裝結構圖

2.3系統程序設計

測溫節點和數據集中器節點程序以 TI公司開發的Z-stack2007協議棧作為開發模板，在此基礎上實現數據組網收發。設備上電初始化并完成網絡組建后，溫度傳感器將測得的溫度數據通過ZigBee網絡發送到數據集中器，無線數據幀格式定義為：開始標志（KKH）：測溫節點編號（4Byte）：節點溫度數據（2Byte）：CRC校驗碼（1Byte）；結束標志（00H），測溫節點每發送完一幀數據就進入特定時間的休眠，周期性的進行數據幀的無線發送，數據集中器將接收到的測溫點數據發送到 PC監測界面進行顯示和記錄。測溫節點和數據集中器節點程序設計如圖4所示。

圖4　系統程序流程圖

3　實驗方法與結論

系統性能測試在實驗室條件下進行，選用3個溫度測量節點進行系統的組網運行測試和系統測溫性能測試。

系統組網測試中，3個測溫節點每1min發送一次數據幀，PC監測軟件對3個測溫點溫度數據進行記錄顯示。圖5所示為系統持續采集300個溫度數據，連續工作5h時，PC監控軟件記錄的3個測溫點數據曲線圖。經過實驗測試，系統能夠穩定可靠的組網工作，實現對開關柜高壓觸點溫度持續在線監測。

圖5　監測數據曲線圖

系統測溫性能測試通過將系統測得數據與紅外測溫儀設備測得的數據進行比對分析系統測溫的相關參數，實驗主要對系統測溫誤差和測溫時延兩個參數進行測試，實驗數據表見表 2。經過實驗數據分析，系統測溫誤差在1.5℃以內，能夠滿足電氣高壓觸點溫度測量精度要求，系統由于測溫點氧化鋁導熱陶瓷等因素帶來的測溫時延為8s?，F場開關柜高壓觸點溫度閾值為70℃，設備正常運行情況下高壓觸點溫度變化率不大于20℃/min，觸點溫度變化是緩慢而連續的，對照系統 1.5℃的測溫誤差和 8s的測溫時延參數，系統的測溫性能可以滿足現場開關柜高壓觸點溫度測量要求。

表2　實驗數據表

4　結論

本文基于ZigBee物聯網技術，針對10kV室內開關柜設備設計了一種開關柜高壓觸點溫度在線監測系統，系統通過氧化鋁陶瓷封裝的測溫節點進行高壓觸點溫度測量，溫度數據通過ZigBee網絡進行無線傳輸并通過 PC監測軟件實現高壓觸點溫度數據顯示、記錄和異常溫度報警。系統結構簡單，工作穩定可靠，測溫節點易于安裝實現，經過實驗室實驗測試，系統能夠穩定運行，測溫性能滿足電氣設備高壓觸點溫度測量要求，能夠實現對 10kV室內開關柜高壓觸點溫度的在線監測，實時監測各高壓觸點運行狀況，為 10kV室內開關柜設備安全穩定運行提供有力支持。

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Design of High-voltage Contact Wireless Temperature Monitoring System for 10kV Indoor Switchgear

Cui Guangzhao Liu Bin
(College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002)

Based on the actual needs of temperature measurement in high voltage contacts for10kV indoor switchgear on the power system. This paper designs a wireless temperature monitorning system for high voltage contacts of switchgear. This system adopt the ZigBee network technology to realize the data transmission, temperature sensor use the thermal conductivity of alumina ceramic packages. System can achieve the temperature monitoring and fault alarm function in the laboratory test.

switchgear equipment; wireless monitoring; high pressure contact; temperature measurement

崔光照（1957-），男，鄭州輕工業學院教授，研究生導師，研究方向為智能化電器裝備設計。

河南省科技攻關項目（142102210517）

鄭州市科技陸軍人才項目（10LJRC184）