高压设备无线温度监测系统的建设

康彩续

摘要：如今,电能已成为人类社会不可或缺的能源。为了在远距离输电过程中降低传输线损耗,提高传输功率和距离,人们采用了高压、超高压,甚至特高压输电。在高压传输设备中,如高压开关、变压器的某些部位,由于接触松动、材料老化、接触面不洁等多方面原因,有可能会导致该部位发热升温,若不及时解决,就会加速周围绝缘材料的老化,甚至引起设备着火,引发事故。以往由于没有可靠的手段实时检测触头的温度,而采用定期检修的方式,因此偶尔会发生设备烧毁、大面积断电等事故。因此,有必要对高压输电设备中的一些易升温部位进行实时监控,一旦温度出现异常,就可以迅速进行处理,预防事故的发生。

关键词：高压设备无线温度监测系统

高压设备无线温度监测系统，适用于高压输配电系统中的导电触头、连接端头的温度监测。尤其适合于高压开关柜、箱变、电容器和电气柜等空间狭小的导电接触部位上使用。还适合于室内外环境，断路器的操作机构箱，高压室等需要长期温度监测的地方。高压设备无线温度监测系统是由无线温度发射器、无线接收器、RS485网络、远程监测系统组成。将感温元件紧贴在被测高压物体的表面，通过无线发射器将温度数据发送出去，再由无线接收器接收保存。当设备的运行温度超过设定的温度值时，及时发出报警，提醒运行人员应尽快采取适当的措施，防止发生事故。根据高电压作业环境下温度测量的特点,高压电气温度测量装置必须长期工作在高电压环境。为减少高低压之间的电气联系,采用全数字方式工作,抗干扰能力强、精度高、体积小的微功率无线发射装置做为温度数据传输的通道。测量的温度数据通过无线方式传送到地面接收装置,以实现高压和低压电气的隔离。由计算机对收到的数据进行处理,实现数据备份和温度报警。

1、系统的工作原理

1.1系统构成

无线温度监测系统在物理上和功能上均采用分层分布式结构,保证了系统组态的灵活性和功能配置方便性。系统整体上分为采集层、收集层、监测层三层。第一层是由计算机等组成的用户监测层作为上位机。第二层是信号中转机,由射频收发器CC2430构成母线温度采集装置作为信号中转机。第三层是温度采集器,由数字温度传感器DS18B20、射频CC2430、天线及电池组成。

1.2系统实现方式

无线测温终端由高能锂电池供电,采用全数字方式工作,温度传感器附着在发热点上,并由一段数据线和测温主机相连接(温度传感器和测温主机合称无线测温终端),该终端附着在高压电器上,等电位监测设备运行状态。无线测温终端把温度信号通过无线的方式传送给无线汇聚终端,无线汇聚终端可以接收多个测温终端的数据。对于无人值守站,无线汇聚终端把接收到的数据通过RS232或通过以太网,把温度数据转发到调度自动化系统或者视频监控系统,把信息整合在一起,搭建无缝集成的完整监控系统。

2、无线温度监测仪

监测仪的原理如图1所示。其中，单片机、无线收发电路和编码开关的型号与功能都和节点相同。开关电源模块就近采用220V直流或交流电源供电，经电压调理电路输出5V和3.3V浮地直流电源供系统使用。

监测仪选用320×240点阵液晶触摸屏作为人机界面，用以显示各节点温度数据、电池电量等信息，输入运行、报警等参数。监测仪具有报警输出功能，提供一个无源继电器触点输出，常开、常闭触点各一个。系统默认节点报警温度阈值为70℃，温度变化率阈值为10℃。若节点温度或温度变化率越限，则报警继电器动作，同时触摸屏对应显示项目闪烁。

监测仪采用NXP半导体公司的CAN总线控制芯片SJA1000和收发器芯片PCA82C252与其他监测仪及监测主机联通，构成CAN工业总线网络。CAN总线较RS485总线更加先进。它在数据链路层就提供了CRC校验功能，配合屏蔽双绞线组成开环网络，再采用符合ISO11519-2标准的收发器芯片PCA82C252，不使用中继器，网络电气长度就可达1km，其抗干扰性能极强。

监测仪一般安装于开关柜的二次侧柜门上，与所管理子节点组成星形拓扑结构，形成一个子网。为方便网络管理，采用了蜂窝网络结构，相邻子网所用通信频率不同，不相邻子网可以使用相同频率。

在节点控制软件基础上，监测仪的软件增加了触摸屏控制和CAN总线通信部分。触摸屏模块控制较简单，这里不再赘述。监测仪收到节点发送的有效数据后，马上返回一个响应帧给对应节点，然后将温度数据转发到CAN总线网络上。CAN总线协议规定每帧的数据最多为8个字节，因此监测仪转发的数据帧格式定义为：传感器编号（4Byte）；温度数据（2Byte）；节点状态（1Byte）；LRC校验码（1Byte）。其中LRC为纵向冗余校验，即前7个字节的异或。若CAN总线网络上存在监测主机，则自动接收这帧数据，校验无误后，用于显示、判断、存储等工作，程序流程如图2所示。

3、系统总体建设分析

基于无线无源的高压设备温度监测系统主要是由智能温度监测系统以及警报系统构成,智能温度监测系统是通过传感器进行温度实时监测,在进行传感器的安装前期会对在设置一个标准值,假若内部温度高于标准值就会触发警报系统,假若内部温度没有高于标准值,那么警报系统还是处于休眠状态。鉴于高压设备是有很多零部件所组成的,所以在进行智能温度监测系统的建设的时候,就必须对高压设备中容易产生温度过高的几个点进行了解,比如高压设备的触点、接口母线或者电路电阻等零部件,在对故障点进行明确之后就可以将设置到标准值的传感器安装在各个部分。

在传感器安装完毕之后,就需要通过对高压设备无源无线温度监测系统进行最低值的设置,只要高压设备内部温度超过了这个设置的最低值,那么高压设备无源无线温度监测系统就会发生警报,在系统中并没有专门安装警报系统（如图3）。通过对高压设备进行传感器监测模块以及警报系统的建设,可以对高压设备过热进行很好的控制,在一定程度上可以节约部分人力资源,对于高压设备的温度监测成本也是一种降低。

4、系统软硬件建设分析

高压设备无线无源温度监测系统在运行的过程中使用的主要硬件是SAW传感器、无线传输(天线)以及温度采集器。SAW传感器是一种温度传感器,会因为外界温度的变化而导致表面固有谐振频率的变化,从而对温度实行测量。这种传感器最为核心的部分就是表面波谐振器,在高压设备的材料基片中央位置放置一个交叉换能器,在其两侧配置两组周期性组成的多种条件反射器,这样的设计会使得交叉换能器既可以作为输出模块,还可以在有电磁波进入的时候作为接收模块。通过合理选择叉指换能器几何尺寸、基片晶体材料及切向,可以使温度系数的高阶项近似为零,实现固有谐振频率与温度的近似线性关系,只要获得固有谐振频率就可确定其温度。当有入射波进入设备内部的时候,在入射波消失之后就会产生一种逐渐衰减的震荡信号,从而进行温度检测,所以SAW传感器可以作为高压设备的无线无源温度监测系统中的监测器件。

无线传输部分是利用天线来进行传输的,天线可以看成是一种温度变换器,将高压设备内部温度进行传输,将其和前文所述的温度传感器进行连接,就可以使高压设备内部温度通过天线传输到温度传感器,一旦温度过高就会触发后面的警报结构,使之发出警报声。但是这种传输方式也存在一定的不足,天线自身在进行温度传输的时候会消耗部分热能,会导致温度传感器最终接受的温度和高压设备内部温度存在部分误差。温度采集器在高压设备无线无缘温度监测系统中主要是负责接受来自温度传感器发出的温度数据,并且通过对应的科技手段将这些数据传输到温度监测中心,这样就可以使得工作人员随时随地的对高压设备内部温度进行精确掌握,对于高压设备温度平衡也可以进行很好的调节。编程开发工具是利用QT平台来进行程序的编写的,在进行程序编写的时候不需要重新编写源代码,只需要对应用程序进行一次性开发,就可以实现高压设备无源无线温度监测系统实现其功能,QT通过其强大的强大的控制功能,对空间资源进行比较方便的控制。

5、结语

本文设计的测温系统,采用了无线传输的方式,解决了高压设备和低压测量端信号的隔离问题。同时,该系统具有功耗小、成本低、可靠性高以及体积小和易于安装等特点,适用于目前国内现有电网。此外,通过数据共享,智能电网系统也可以进行电网的分析与监控,从而保障电网的正常运行。