基于無線通信的煤礦高壓開關柜在線測溫系統研究

許召亞

（煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041）

高壓開關柜在煤礦電力系統發電、輸電、配電和電能變換過程中，進行相應的開合、控制和保護。高壓開關柜通常由斷路器、隔離開關、熔斷器、互感器、避雷器、母線等以及相應的量測裝置、控制裝置、保護裝置、監測診斷裝置、信號裝置等組裝構成[1]。煤礦高壓開關柜長期運行在高電壓、大電流、強磁場的惡劣環境中，電氣接頭部分如斷路器觸頭、母排接點、電纜接頭等易出現表面氧化、磨損現象[2]。開關柜封閉式構造的特點使其散熱條件較差，當大電流通過這些部位時，容易出現溫升過熱現象，威脅礦井供電安全[3]。隨著煤礦供電系統的迅速發展，高壓開關柜溫度在線實時監測對提高礦井供電系統的安全性和可靠性具有重要意義。目前，常見的高壓開關柜溫升在線監測方法包括紅外線測溫、光纖和半導體傳感器測溫等。考慮到開關柜動靜觸點位置狹小和成本優勢等因素，文章提出一種基于開放頻段無線通信技術的煤礦高壓開關柜在線測溫系統，現針對其系統架構、軟硬件設計進行重點介紹。

1 總體架構

在線測溫系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 在線測溫系統總體結構圖

高壓開關柜的柜內接頭和觸頭由于制造工藝不合格、運行損壞導致的接觸電阻變大，當流過負荷電流時，尤其是在短路故障情況下極易產生過流過熱現象，從而引發安全生產事故[4]。由于斷路器動觸頭要經常進行拉動操作，傳感器較為困難，測溫系統主要針對ABC三相靜觸頭、電纜出線觸頭以及母線連接處進行監測。系統主要包括3大部分：無線測溫模塊、無線溫度采集器和上位機系統。無線測溫模塊根據開關柜結構特點安裝在柜內測溫節點，能快速有效地反映節點的溫度變化，通過低功耗設計，延長電池使用壽命，從而減少維護。

2 硬件設計

系統硬件設計包括無線測溫模塊和無線溫度采集總站的硬件設計。煤礦高壓開關柜內部空間狹小，且煤礦供電系統停產檢修時間間隔較久，因此無線測溫模塊的體積應足夠小，通過對無線測溫電路進行低功耗設計，確保一個檢修周期內不需要進行電池更換。

2.1 無線測溫模塊電路

無線測溫模塊由處理器模塊、熱敏電阻測溫電路、無線通信接口三個部分組成。模塊選用Colibri iMX7鋰電池供電，具有高能量密度、循環使用次數高、高溫耐用性強等優點。處理器采用意法半導體（STMicroelectronic,ST）低功耗單片機STM8L051F3P6，運行模式設置為最低功耗。NTC測溫電路使用負溫度系數熱敏電阻組成的半橋電路進行測溫。無線通信接口采用澤耀科技AS10-M4463D模塊，工作頻段為425～525MHz，超低功耗處理，最低功耗僅為0.5uA。同時，該無線接口穩定性高、繞射性能強，嚴格計算設計了精確的阻抗匹配網絡，頻譜特性好、諧波小、串擾小。相較MSP430、ATmega16L、STC89C51等同類產品，STM8L051F3P6單片機在工作和待機狀態下能夠保持非常低的工作電流，很好地實現了低功耗設計和硬件成本控制的目標。STM8L051F3P6采用高性能8位內核，在16MHz運行頻率下，高達16MIPS。應用超低功耗130nm工藝，在全溫度范圍內超低漏電流，工作電壓低至1.8V。利用自動時鐘門控，自帶自動進入低功耗功能的閃存，DAC和ADC工作電壓僅為1.8V，閃存編程電壓可低至1.65V。多種低功耗模式包括低功耗運行模式、低功耗等待模式、活躍暫停模式，在暫停模式工作電流可以低至0.35uA。

2.2 熱敏電阻測溫電路

采用熱敏電阻作為半橋電路來實現測溫電路。P溝道MOS場效應晶體管有效控制熱敏電阻測溫電路電源的通斷。當模塊處在等待或暫停狀態時，單片機發出指令控制場效應管，停止測溫電路供電以實現降低測溫模塊功耗。MOS場效應晶體管的柵極和源極之間的電阻作為泄放電阻為場效應管提供偏置電壓。選用電阻值較大的10kΩ的負溫度系數熱敏電阻能夠有效減少熱敏電阻器功率消耗，對應型號為MFQBX-20精密型熱敏溫度傳感器[5]。測溫范圍為-40～130℃，測量精度為±1℃；電路供電電壓為3.3V，電源和接地管腳之間設104退耦電容，能夠有效減少浪涌電流。半橋電路的V0電壓公式：

通過Matlab針對熱敏溫度傳感器阻溫特性表進行函數擬合，可得RT(T)=31.7exp(0.05279T)，其中T單位為℃，RT單位為kΩ。代入公式（1）后，當RX為定值時，可以得出式（2），并大致畫出V0和T的關系圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，P點附近處斜率最大，溫度靈敏度相對曲線初始和末端也更高。考慮到P點附近直線段區間是系統理想的測溫區間，對公式（2）二階求導為0，可解得考慮到實際開關柜溫升有限，測溫范圍中點為40℃，代入可得RX≈3.83kΩ。

圖2 V0與T的變化趨勢圖

3 軟件設計

系統軟件設計主要針對測溫模塊和采集總站兩部分。無線測溫模塊的設計重點為工作模式的切換和低功耗設計，而采集總站主要保障數據的接收處理。

3.1 測溫模塊軟件設計

測溫模塊安裝在高壓開關柜內，作為最小檢測單元進行溫度測量、通信工作，程序流程圖如圖3所示。（1）接收、執行溫度采集總站的相關指令，實現模塊與總站之間的通信；（2）監測熱敏傳感器工作狀態，進行節點溫度的檢測；（3）根據需要進行工作模式切換，包括接收、發送、空閑和睡眠模式，當溫度不采樣時保證MCU芯片工作在低功耗模式，同時在溫度檢測過程中直接發送原始數據，不進行復雜計算。

圖3 無線測溫模塊程序流程

3.2 溫度采集總站軟件設計

無線測溫總站安裝在變電所開關柜室，實現功能包括如下方面：（1）接收總站通信范圍內測溫模塊的實時數據，實現統一管理和控制；（2）接收上位機的控制命令，向下級的無線測溫模塊進行發送；（3）進行各測溫模塊的在線顯示與記錄，能夠進行自檢，當測溫模塊各總站發生故障時能夠及時發送報警信號。

4 運行測試

在實驗室環境下對一臺35kV高壓開關柜搭建實驗測試平臺，將無線測溫模塊依次安裝在高壓開關柜母線連接處。通過模擬高壓開關柜常見故障檢測在線測溫系統的精度測量，系統測溫結果與高精度手持式紅外測溫儀采集數據進行對比，結果如表1所示。測試數據表明，利用該測溫系統對開關柜三相靜觸頭、母線連接處等節點的測溫誤差穩定在±0.5℃。當系統發生測溫故障時能夠通過狀態量準確反映，無線采集總站的報警裝置能夠正確動作。通過對無線測溫模塊不同工作模式進行功耗統計，當電池容量為6000mAh時，能量利用率為60%的情況下，測溫模塊電池的使用壽命能夠達到17284.5h≈2年，故測溫模塊電池能夠可靠工作1年以上，避免高壓開關柜內電池頻繁更換。

表1 運行測試數據對比 單位：℃

5 結束語

針對煤礦高壓開關柜的高壓、大電流、強磁場的工作環境，文章基于無線通信技術設計了一套在線測溫系統，詳細介紹了系統總體架構、軟硬件設計以及運行測試。測試運行表明，該系統具有功耗低、測量精度高、可靠性高的特點，避免了布線連接的安全隱患和停產檢修期內的電池更換，對保障煤礦供電安全運行具有重要意義。