無源無線測溫系統(tǒng)設計及在高壓開關柜中的應用

摘要：電力傳輸系統(tǒng)中，發(fā)電廠、變電站的高壓開關柜起著關鍵性的作用，隨著電網(wǎng)設備技術的發(fā)展，高壓開關柜也得到廣泛的使用。溫度是表征開關柜運行正常的一個重要參數(shù)，在使用開關柜的過程中，普遍存在開關柜內部過熱現(xiàn)象，并且由于高壓開關柜的密閉性，在負荷較重的地區(qū)，引發(fā)開關柜的溫升超標現(xiàn)象。開關柜設備長期的超溫運行，會降低設備的性能及使用壽命，引發(fā)設備故障，影響電網(wǎng)的正常運行，甚至引起電氣火災，造成巨大經(jīng)濟損失。高壓開關柜的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)越來越得到用戶的認可和重視，目前感應取電無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在高壓開關柜上得到廣泛應用，無源無線測溫傳感器安裝維護方便，組網(wǎng)簡單，實時在線，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工定期巡檢的方式，發(fā)現(xiàn)電力設備的溫度異常，保證設備安全運行。

概述：無源無線測溫系統(tǒng)主要由設備層的無源無線溫度傳感器和溫度顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關以及站控層的無線測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)高壓柜關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

1、無源無線傳感器的設計依據(jù)

無源無線傳感器的取電應用法拉第電磁定律，充分利用高壓開關柜內三相母線電流產(chǎn)生的大量電磁能，根據(jù)電流互感器模型進行設計。高壓母線作為取電互感器的一次側線圈，取電線圈作為取電互感器的二次側線圈，組成取電電路。 取電電路關鍵在于導磁材料的選擇，電路選擇了1J85型坡莫合金帶，坡莫合金帶是一款高導磁合金材料， 其特點是高初始磁導率，高磁感，低損耗，縮小了磁性元件的體積，此外合金帶在潮濕的環(huán)境中耐腐蝕性強。

2、無源無線傳感器的硬件設計

無源無線傳感器的硬件電路主要包括電源模塊，處理單元，射頻模塊，測溫模塊。

電源模塊為整個電路板供電，由電磁線圈取電后的鉗位保護電路，整流電路，電壓檢測，線性穩(wěn)壓器，儲能電容組成。為了縮小產(chǎn)品的整個尺寸，處理單元和射頻模塊采用集成MCU單元和射頻單元的低功耗無線單片機，此設計簡化了整個電路設計復雜性，又實現(xiàn)了電路尺寸50%以上的縮減。測溫模塊采用數(shù)字式溫度傳感器，傳感器具有低功耗，數(shù)字通信穩(wěn)定的特點。

3、無源無線傳感器的軟件設計

無源無線傳感器的軟件采用C語言進行編程，編程需要注意規(guī)范，代碼簡潔易讀，傳感器為低功耗設計，需要控制好整個電路系統(tǒng)的功耗，及時對單片機和外設進行休眠或電源關斷，使得系統(tǒng)空閑時電流消耗不超過2uA。

為了保障傳感器系統(tǒng)的可靠運行，需要正確配置單片機的看門狗，保證不會出現(xiàn)傳感器死機的情況。此外還要防止傳感器通信碰撞，提高通信抗干擾性能，采用隨機延時的算法進行溫度上報，并對通信數(shù)據(jù)進行CRC校驗，濾除異常數(shù)據(jù)。

4、無源無線傳感器的主要性能與安裝

按照以上的原理和方法設計出的無源無線測溫傳感器ATE400，可在一次回路電流在5~5000A范圍內取電工作，每15秒進行一次測量發(fā)熱點溫度并無線上傳至柜面安裝的顯示單元。傳感器溫度測量范圍為-50℃~+125℃，精度高達±1℃，測溫分辨率0.1℃，體積小巧，安裝方便，抗干擾性能強，廣泛應用于高壓柜電氣接頭測溫。

圖1 高壓柜靜觸頭溫度監(jiān)測

圖2 高壓柜電纜頭溫度監(jiān)測

5、無線測溫接收裝置主要功能

無源無線傳感器通過無線射頻方式將采集到的電氣溫度傳輸至無線測溫接收顯示單元ARTM-Pn。顯示單元可無接收多達60個ATE400傳感器的數(shù)據(jù)，傳感器和顯示單元之間通過數(shù)字ID進行識別，準確定位每個電氣發(fā)熱點的溫度。顯示單元嵌入式安裝在高壓柜面，實時顯示各點溫度，并且可以根據(jù)用戶設定預警、報警溫度值，實現(xiàn)高溫預警、超溫告警、相間溫差報警、溫度突變量告警等功能，裝置可存儲120條帶有時標的告警記錄，同時告警時繼電器出口可以控制聲光報警器，幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)故障，盡快分析查找設備故障原因，恢復正常供電。此外顯示單元還可以選擇電參量測量功能，測量數(shù)據(jù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能等，精度高達0.5級。顯示單元所有測量數(shù)據(jù)都可以通過485接口及標準Modbus-RTU協(xié)議接入邊緣計算網(wǎng)關，實現(xiàn)網(wǎng)絡組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳至無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)主機。

6、無線測溫系統(tǒng)的功能及界面

無線測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下功能：

溫度顯示：顯示配電系統(tǒng)內每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。

溫度曲線：查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

運行報表：查詢及打印各測溫點指定時間的溫度數(shù)據(jù)。

實時告警：系統(tǒng)能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

歷史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。

7、總結語

無源無線測溫系統(tǒng)在高壓開關柜溫度監(jiān)測的應用，解決了長期以來高壓開關柜需要人工現(xiàn)場測溫，開關柜內部溫度無法測量，數(shù)據(jù)存儲困難等問題，大大減少了設備檢修預試停電次數(shù)和時間，減輕了日常巡檢的工作量，提高人員工作安全性。無源無線測溫系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)各關鍵點部位的溫度異常狀況，避免連接部位老化或接觸電阻過大而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，為電力安全生產(chǎn)和供電提供了有力保證，提高了設備的智能性。

審核編輯：湯梓紅