無源無線測溫系統設計及在高壓開關柜中的應用

安科瑞 劉秋霞

摘要：電力傳輸系統中，發電廠、變電站的高壓開關柜起著關鍵性的作用，隨著電網設備技術的發展，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，在使用開關柜的過程中，普遍存在開關柜內部過熱現象，并且由于高壓開關柜的密閉性，在負荷較重的地區，引發開關柜的溫升超標現象。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，引發設備故障，影響電網的正常運行，甚至引起電氣火災，造成巨大經濟損失。高壓開關柜的溫度在線監測系統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測系統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，組網簡單，實時在線，可以代替傳統的人工定期巡檢的方式，發現電力設備的溫度異常，保證設備安全運行。

關鍵詞：無源無線傳感器；高壓柜測溫；電氣接點測溫；測溫系統

概述：無源無線測溫系統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關以及站控層的無線測溫系統主機組成，實現高壓柜關鍵電氣部位的溫度在線監測。

1、無源無線傳感器的設計依據

   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生的大量電磁能，根據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，線性穩壓器，儲能電容組成。為了縮小產品的整個尺寸，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，又實現了電路尺寸50%以上的縮減。測溫模塊采用數字式溫度傳感器，傳感器具有低功耗，數字通信穩定的特點。

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，使得系統空閑時電流消耗不超過2uA。

   為了保障傳感器系統的可靠運行，需要正確配置單片機的看門狗，保證不會出現傳感器死機的情況。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，并對通信數據進行CRC校驗，濾除異常數據。

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測

圖2 高壓柜電纜頭溫度監測

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傳感器的數據，傳感器和顯示單元之間通過數字ID進行識別，準確定位每個電氣發熱點的溫度。顯示單元嵌入式安裝在高壓柜面，實時顯示各點溫度，并且可以根據用戶設定預警、報警溫度值，實現高溫預警、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，幫助用戶及時發現故障，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，測量數據包括電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能等，精度高達0.5級。顯示單元所有測量數據都可以通過485接口及標準Modbus-RTU協議接入邊緣計算網關，實現網絡組網，將數據上傳至無線測溫監測系統主機。

6、無線測溫系統的功能及界面

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

溫度顯示：顯示配電系統內每個測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。

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時間的溫度數據。

實時告警：系統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。系統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，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，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析等。

7、總結語

   無源無線測溫系統在高壓開關柜溫度監測的應用，解決了長期以來高壓開關柜需要人工現場測溫，開關柜內部溫度無法測量，數據存儲困難等問題，大大減少了設備檢修預試停電次數和時間，減輕了日常巡檢的工作量，提高人員工作安全性。無源無線測溫系統能及時發現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生過熱現象，為電力安全生產和供電提供了有力保證，提高了設備的智能性。

參考文獻：

[1] 曾強，無源供電無線測溫在線監測系統研究應用，科技傳播.2015(09)。

[2] 劉濤，唐培林.基于感應取電的無線測溫系統設計與應用，科技經濟導刊，2016(36)。

[3] 巍義強，基于物聯網技術的變電站設備在線測溫系統探討，電子技術與軟件工程，2016(12)。