高壓防爆開關觸頭的無線測溫保護裝置設計

高 霞

(山西焦煤集團有限責任公司 杜兒坪煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

在電力系統中，電路的連接與斷開都是由觸頭動作完成的，因此電觸頭的工作狀態和工作性能對電能供應的質量具有重要影響。由于觸頭動作頻繁、接觸面容易受到外界異物污染等原因，易導致動靜觸頭連接處電阻增大、觸頭溫度過高，進而引發相關電氣設備燒毀等事故，因此在日常維護中對觸頭溫度的在線監測十分重要，運行維護人員通過無線測溫裝置進行實時數據查看、歷史數據查詢，可以對觸頭的工作狀態進行判斷，從而提前采取措施，防止觸頭溫升過高而引起的各類事故。

1 無線測溫保護系統

1.1 無線測溫保護裝置功能

無線測溫保護裝置具有數據測量、數據傳輸、數據處理和存儲、數據顯示、報警5大功能。數據測量指的是通過安裝在觸頭上的溫度傳感器實時測量該觸頭的溫度數據。數據傳輸包含兩方面，一是現場接收裝置通過無線傳輸的方式接收溫度傳感器測出的數據，二是現場接收裝置通過RS-485傳輸方式將數據發送到后臺監控主機，以便對數據進行處理和分析。數據處理和存儲指的是后臺監控主機對溫度數據進行處理后存儲。數據顯示指的是在后臺監控主機上能夠顯示溫度曲線。報警指的是當觸頭溫度達到或超過設定最高限值時，監控主機向值班人員發出聲光報警等。

1.2 技術指標

(1) 單套裝置測溫范圍覆蓋數組開關柜，具有較高的可維護性和可擴展性。

(2) 工作電源取自主電路，無需額外電源。

(3) 溫度數據更新周期小于3 min。

(4) 具有聲音報警、圖像報警和短信報警功能。

2 無線測溫保護系統電路設計

無線測溫系統包括開關柜內溫度測量裝置、現場數據接收裝置和后臺監控機，溫度測量裝置是系統的核心部分。如圖1所示，溫度測量裝置由數字溫度傳感器模塊、單片機控制模塊和無線收發模塊構成。

圖1 溫度測量裝置結構示意圖

2.1 無線收發模塊

無線收發模塊選擇以CC1020為核心的集成模塊SRWF-501-50，CC1020是一種超高頻、低功耗的單芯片收發器，其輸出功率、頻率等可以通過串口進行編程控制。SRWF-501-50為上海桑銳公司生產的微功率無線通信模塊，該模塊抗擾能力強、傳輸距離遠，使用時無需編碼，使用ISM(工業、科研及醫療)頻帶(無需額外申請)，有標準UART接口和自定義RS232或RS485接口，用戶通過斷電時改變短路器狀態，重新上電后即可在兩種接口間轉換。

SRWF-501-50模塊有兩個串口，分別可以和單片機UART、PC機RS232連接通信，3腳為TTL電平的串行數據接收端，4腳為TTL電平的串行數據發送端，使用時通過數據線分別與單片機TXD發送端、RXD接收端連接，然后用電源線連接電源即可。SRWF-501-50無線收發模塊與單片機的接口電路如圖2所示，與PC機RS232接口連接時與此類似。

圖2 SRWF-501-50無線收發模塊的接口電路圖

2.2 單片機控制模塊

單片機模塊選用ATMEL公司生產的AT89S51型單片機，這是一款低功耗、高性能的8位單片機，在指令系統和引腳結構方面兼容80C51單片機。單片機的外圍電路有時鐘電路、復位電路和電源電路等。89S51單片機提供外部時鐘和內部時鐘兩種模式，本設計采用外部時鐘，選用11.059 2 MHz石英晶體、30 pF外接電容。復位電路采用上電復位和按鍵復位混合復位方式。電源電路選擇5 V干電池直接向單片機供電。

2.3 數字溫度傳感器模塊

數字溫度傳感模塊采用DALLAS公司生產的DS18B20型傳感器，這是一款低功耗、小體積的一線式數字溫度傳感器，能夠將采集到的溫度數據直接轉換為數字信號，方便微機處理，其集成式的電路結構降低了設計和調試成本。圖3為DS18B20的內部結構。

圖3 DS18B20的內部結構

DS18B20的接口電路非常簡單，可以與單片機IO口直接連接，圖4為測溫裝置的電路圖，圖中展示了DS18B20與單片機AT89S51的接口連接方式。DS18B20有三個引腳，GND為電源接地引腳，VDD為外接電源供電引腳，供電電壓為3.0 V～5.5 V，DQ為數據引腳，數據的發送和接收都通過這個引腳雙向傳輸。DS18B20的供電方式有兩種，一種是外接電源方式，一種是寄生供電方式，通過數據線向芯片供電，這種方式簡化了硬件接線，降低了復雜度。

圖4 測溫裝置電路圖

3 無線測溫保護系統軟件設計

系統軟件分為兩部分：①下位機軟件，主要是單片機測溫程序；②上位機軟件，主要是后臺監控主機的監控軟件。單片機程序采用51系列C語言開發環境Keil Vision 3，相比于匯編語言可讀性差、移植困難，采用C語言編輯的單片機程序可移植性高，方便開發人員調試和維護。

圖5為單片機測溫程序流程。測溫程序是根據DS18B20的測溫協議進行編寫的，在啟動溫度轉換之前首先由單片機向DS18B20發出復位脈沖，對其進行初始化，等收到返回的應答脈沖后初始化完成，然后進行ROM操作和內存操作，啟動溫度檢測，延時1 s后就可以讀取溫度數據，溫度數據以補碼存儲在ROM的前兩個字節，單片機通過數據接口由低位向高位進行讀取。數據讀取完成后由單片機對數據打包，然后通過串口發送到無線收發模塊。

圖5 單片機測溫程序流程

后臺監控主機的監控軟件采用Visual C++ 6.0進行編程，這是一種以面向對象的C++語言為基礎的可視化集成開發環境。Visual C++ 6.0具有功能豐富的MFC類庫，能夠最大程度上減少代碼數量，加快產品的開發速度。后臺監控軟件設計包括監控界面設計、串口通訊程序設計和數據庫設計等。圖6為后臺監控系統軟件界面。

圖6 監控系統軟件界面

4 應用分析

4.1 靈敏度試驗和誤差分析

為保證所采集觸頭溫度數據的及時性和準確性，需要對本裝置進行靈敏度試驗和誤差分析。靈敏度分析是通過快速改變測溫裝置所處的環境溫度實現的，從4 ℃到20 ℃，測溫裝置得到溫度數據時間為15 min左右。誤差分析是通過水銀溫度計與本裝置的測溫數據進行對比，本裝置所測數據與水銀溫度計所測數據的絕對誤差不大于2 ℃，平均相對誤差不大于1%，處于可以接受的范圍之內。

4.2 觸頭溫升分析

本裝置用于礦井高壓防爆開關觸頭溫度在線測量一段時間后，能夠及時準確地對各類型溫度超限的觸頭發出超溫報警，經過對超溫報警觸頭的檢查和處理，總結出高壓防爆開關觸頭發熱的原因如下：

(1) 觸頭的灼燒、振動、氧化和碰撞等原因都會造成動靜觸頭間接觸電阻增大，最終導致溫升超限。

(2) 負載電流過大而開關設備容量不足。

(3) 觸頭動作頻率過高，頻繁操作觸頭會導致觸頭損壞。

(4) 開關柜所處環境溫度高，沒有主動散熱裝置，散熱不佳。

(5) 電源電壓低。

(6) 觸頭形變。

5 結束語

本文設計的無線測溫保護裝置將數字信號溫度傳感器和無線數據傳輸技術相結合，能夠在保證值班工作人員安全的情況下對位于高壓開關柜內的防爆開關觸頭進行在線溫度監測，避免了值班人員手動進行紅外測量時遮擋觸頭位置、數據量少和精度低的缺點，后臺機可以對所有安裝測溫裝置的觸頭溫度數據進行查看，提高了值班人員的工作效率。