基于ZigBee技术的高压开关柜温度在线监测系统

赵炳成，沈立新，丁周松

（萧山供电局，杭州 311200）

目前绝大多数高压设备均采用封闭式结构。由于开关柜体的密闭性设计，传统的测温方式已无法对高压开关柜内的设备安全准确测温，因而不能及时发现柜内设备的发热点，设备的安全可靠性也得不到有效保证。本文介绍一种新型高压开关柜在线监测方法，运用基于ZigBee技术的无线传感器网络，通过在开关柜内合理布置数字温度传感器，从而获得开关柜实时温度数据。

1 系统测温原理及结构组成

1.1 系统总体结构

高压开关柜温度在线监测系统由温度采集终端、数据集中器和监测主机3部分组成，系统总体结构如图1所示。系统采用无线通信技术进行高压隔离和信号传输，较好地解决了采集终端和显示终端高/低电压的隔离传输，保证了开关柜原有的绝缘性能。

1.2 测温工作原理

温度采集终端安装在开关柜断路器高压触臂上，由数字温度传感器、微处理器及ZigBee通信芯片等部分组成，负责采集开关柜断路器A，B，C三相的上、下触头温度，并通过无线网络将采集到的温度数据发送至数据集中器。数据集中器安装在开关柜的保护柜门上，负责接收温度采集终端发送的温度信号，将处理结果显示在就地液晶面板，并通过RS-485通讯总线将采集数据上传至监控主机。监控主机安装温度监测分析软件，并以轮询的方式采集各设备温度。系统监测软件对接收到的温度数据进行保存、分析，如果温度超过报警值则产生报警信号，并上报调度SCADA（数据采集与监控）系统。

图1 系统总体结构

高压开关柜在高电压、大电流的状态下运行，事故瞬间还会出现强烈的电磁暂态过程，这些都将产生强电场、磁场及强电磁干扰，对微电子系统及微弱信号处理非常不利。为了消除这些干扰，必须同时采用软、硬件抗干扰措施，在软件设计上应用数字编码、解码技术，剔除干扰信号；在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波，消除高频干扰。为消除随机干扰，利用触头温度变化相对较缓慢的特点，对检测点信号循环发送、多次采集，排除异常数据，以保证数据可靠。

1.3 高压侧自具电源

由于无线温度传感器安装在高压开关柜内断路器手车的触臂上，在设计装置的供电电源时，必须考虑绝缘及较好的稳定性。目前，国内针对高压侧电子装置电源供给问题的研究很多，较为成熟和可靠的方案是蓄电池、激光和特制电源供能。化学电池因无法连续不断地提供稳定、可靠的电能，而且更换特别困难，显然不满足本系统设计要求。激光供能系统相对复杂，而且成本过高。因此设计中采用在成本方面有较大优势的互感器取电供能方案，利用特制的穿心式电流互感器从高压侧母线感应能量，互感器取电后经过能量控制、整流、滤波、稳压等一系列措施后，最终为测温装置提供稳定的电源。

为保证电流互感器能提供较为稳定的电源，需要利用铁心磁饱和特性，适当选取电流互感器铁心的截面积及铁磁材料的导磁率，使其在母线流过小电流时能正常励磁，而一旦母线上有大电流，铁心将磁饱和，从而保证电源稳定，再通过电子稳压装置向传感器提供稳定可靠的电源。

1.4 系统监测软件

高压开关柜温度在线监测软件由数据库、智能诊断、人机界面和网络通信4个模块组成。

系统的所有应用程序均建立在系统数据库基础上。实时数据库为系统提供了统一快速的数据访问机制，采用共享内存技术，每个进程模块都可以通过实时数据库提供的标准接口存取实时数据。人机界面是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，实现信息的内部形式与用户可以接受的形式之间的转换。网络通信模块负责实现开关柜现场测温数据采集、上报功能，并将分析软件的数据上报调度SCADA系统。

智能诊断系统自动记录测温数据，并将数据保存在数据库中。当被测设备的温度达到预警值或告警值，并发出相应的预警信号或告警信号时，系统即将告警信号自动保存至数据库。通过定期对比监测点温度数据，对测温数据进行实时分析，并结合数据库中保存的历史数据，对温度呈现逐步升高趋势的监测点，在温度没有达到上限值之前进行预警，将故障消除在萌芽状态。

系统可以定期对相关历史记录进行查询，选择相应的搜索条件（按设备间隔或记录时间）后查询历史数据。同时，系统也提供对记录进行统计、分析的功能，可对一段时间内的设备运行情况进行分析判断，从而能尽早发现故障隐患，保障电气设备的正常运行。

2 现场安装调试

由于高压开关柜的结构各不相同，因而需要合理布置测温终端元件的安装位置，以保证采集温度能正确反应被测设备的实际温度。

测温终端元件在开关柜断路器触臂上有两种安装方式，分别为动触头安装和静触头安装。

（1）动触头安装方式是将测温终端安装在开关动触头上，其优点在于维护方便，一旦测温元件损坏，只需停役故障设备间隔，单独更换开关动触头触臂上的测温元件即可。但由于动触头经常处于滑动状态，对测温终端（特别是温度探头）的安装工艺要求较高，对触臂的绝缘要求也很高。

（2）静触头安装方式是将测温终端安装在开关静触头上，其优点是安装简单。因为测温终端固定安装在开关机构的静触臂上，日常运行中不存在撞击、移动的危险，对安装工艺及触臂的绝缘要求相对较低。该安装方式的缺点是维护成本较高。由于高压开关柜设备中的开关静触头一般安装于系统母线侧，一旦测温元件故障，若需要更换测温元件，必须停役整条母线。在目前供电可靠性要求日益提高的情况下，静触头安装方式显然不能满足要求。

权衡之下，决定采用动触头安装方式，通过在动触头触臂上安装温度采集模块，实现对触头温度的实时监测。安装示意见图2。

图2 动触头安装示意

基于ZigBee技术的高压开关柜温度在线监测系统在萧山35 kV楼塔变电站投入试运行后，运行情况良好，监测数据准确，数据记录完好，至今未出现异常情况。

3 结语

基于ZigBee技术的高压开关柜温度在线监测系统采用ZigBee无线通信技术进行信号传输，带有传感器的测温模块安装在高电位设备的表面，与低电位接收设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题。系统测温精度高，成本低廉，且安装方便，不受开关柜结构的限制。通过对开关柜设备运行温度的实时监测，有效提高了开关柜设备的运行可靠性，具有较好的工程实用性和市场推广价值。

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