智能化气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）无线测温系统设计

陈宏　解晓辉　杨泽超　尤婷　吕梅蕾

【摘 要】针对智能化气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）存在高压，空间封闭狭小，无法进行人工巡查测温等问题，提出了一种基于ZigBee智能化气体绝缘金属封闭开关设备无线测温系统的设计方案，介绍了无线传输模块的组成及工作原理，阐述了无线测温系统的硬件组成及监控计算机监控软件的设计。该系统将传感器安装在被测物体表面，在线测量测温点温度后，通过红外传输方式将温度数据发送到安装在开关柜柜门表面的温度采集器中，温度采集器将其传送到监控计算机处理，当所测温度超过预设报警值时，系统自动报警，提醒工作人员及时采取适当的措施。

【关键词】气体绝缘金属封闭开关；无线测温；设计

【Abstract】For the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear（GIS）， high-pressure closed space is narrow， not manually inspect temperature measurement. Put forward a ZigBee based the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear design scheme of wireless temperature measuring system. Introduces the composition and working principle of wireless transmission module， wireless temperature measuring system of the design of the hardware composition and the monitoring computer monitoring software.

【Key words】GIS； Wireless temperature measurement； Design

0 引言

变电所的高压开关柜是重要的电器设备，在长期的运行过程中，开关柜中的母线接点、高压电缆接头等部位因老化或者接触电阻过大而发热，使相邻的绝缘部件性能劣化，甚至发生击穿而造成事故。

在对智能化气体绝缘金属封闭开关（GIS）设备的监测中，温度是一个重要指标[1-2]。温度过高会导致金属和绝缘材料的机械强度、绝缘强度降低，使用寿命减少，甚至会引起电气设备发热故障，导致事故的发生[3-4]。在目前的GIS设备温度监测方法中，基于无线网络的GIS设备温度在线监测系统（简称无线测温系统）采用全自动化运行方式，相比传统使用红外温度探测仪[5]或热成像仪的方法，节省了大量人力物力，且避免了需要定期监测的缺陷。该系统无需考虑布线问题，相比使用有线线路[6-7]的在线监测方法，减少了对变电站空间的占用。综合各方面考虑，无线测温系统将会被大范围推广。

1 气体绝缘金属封闭开关

GIS是将断路器、隔离开关、接地开关、母线、互感器等主要元件装入密封的金属箱体，其里面充满SF6低压气体作为绝缘以及灭弧介质。GIS设备的主要特点包括安全可靠、环境耐受力很强、安装工作量小、可靠的导电性能、绝缘可靠性强等等。通过密封壳体预留的插座孔由插接式电缆终端实现仅出现，保证点恩那个的安全高效传输；适用于对尺寸和可靠性要求较高和自然条件相对恶劣的场所[8]。

2 无线测温工作原理

2.1 无线测温系统设计

图1 系统结构图

基于ZigBee智能化气体绝缘金属封闭开关设备无线测温系统由若干个传感器节点、协调器节点（传感系统、数据采集及传输系统）和上位监控中心等三个部分构成。其中传感器节点课扩展至多个，由协调器节点汇聚各传感节点发送的数据，然后通过GPRS连入Internet，并将这些数据发送至远程端，进行数据分析。红外传输模块利用光信号进行传输，不受电磁场的干扰，具有很强的抗电磁干扰能力；它功耗低，休眠电流仅为5μA，可靠地保证了电池的使用寿命。因此，在高压开关柜这种封闭环境下，它能很好地满足传输要求。如图1所示。

2.2 传感器节点设计

传感器节点（传感系统、数据采集及传输系统）也就是传感系统整个开关柜测温在线监测系统的终端设备，由传感器、微处理器和无线模块构成以及无线测温系统的总体结构图结构图如图2所示。

图2 传感器节点结构图

图3 无线测温系统总体结构

2.3 协调器节点设计

协调器节点由无线模块、微处理芯片组成，位于传感器节点之间的中心位置。协调器节点主要负责管理与它相连的所有的传感器节点，同时接收来自传感器节点的温度信息数据（图3），最后将接收到的所有的传感器节点的温度信息数据通过RS485传输给监测平台的PC机。协调器结构图如图4所示。

图4 协调器结构图

3 上位监控中心

协调器节点从传感器节点处收集到监测点的温度，并送到监控计算机[9]，监控计算机的主要任务是接受、处理温度数据并将温度显示出来。当温度超过限值时自动报警，并形成温度曲线和报表。

监控计算机具有以下功能：

（1）实时显示监视部位的温度数据；

（2）当温度超过限值时，进行报警；

（3）可以根据温度数据绘制曲线并生成报表。

3.1 屏幕显示

屏幕显示是系统主要功能的体现，即进行实时温度显示，用户可以通过单击进线开关柜和出线开关柜获得测温点的实时温度。一旦温度超过报警温度值，将会以声音、对话框和红色温度字体提醒用户检查。

3.2 温度曲线

绘制温度曲线总共分为3类：实时曲线、日曲线和年曲线。实时曲线建立在实时温度表的基础上，而日曲线和年曲线建立在历史数据表的基础上。通过输入采集点的编号和时间即可得到各种温度曲线，在输入采集点编号的同时同样会出现所属变电所和线路的名称，以便用户能很快找到对应点进行相应的操作。

3.3 技术路线图如图5所示

3.4 项目系统特点

（1）本设计要达到监测多个节点温度的目标，那么在硬件设计过程中，应尽量使用各总线技术，以节约系统有限的I/O资源，尽量简化系统电路；

（2）在大电流、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰（EMC）环境中，对微弱信号采集是极其不利的，要保证传感器能采集到真实信号并不失真的送入PIC；

（3）在大电流、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰（EMC）环境中，解决PIC装置的抗干扰问题，从硬件、软件两个方面同时考虑，采用增加滤波器、PCB合理布线、软件滤波、看门狗等等措施。

图5 技术研究路线图

4 结束语

基于红外传输的无线测温系统有效地解决了开关柜在线监测温度难的问题。本设计应用于气体绝缘金属封闭开关（GIS），可以对GIS中的温度变化进行检测，而且能够根据GIS设备中温升状况进行监测、预警。尽管GIS的运行可靠性非常高，但在其运行过程中，内部缺陷仍可能引起事故，一旦发生故障，必将引起所辖局部地区乃至全部地区停电。绝缘故障始终是影响GIS可靠性的重要因素之一，为保障设备的安全运行，应对GIS设备的过热部位进行温度检测，对设备温升状况进行监测、预警。用户可以通过上位监控中心查看各个节点的状态。本系统与其他GIS测温方法相比，本系统具有安全、精度高、非接触等优点，具有很大的前景。

【参考文献】

[1]费万民，吕征宇，耿福江，等.高压开关触点和母线温度在线检测与监视系统[J].电力系统自动化，2004，28（3）：86-89.

[2]张艾萍，万瑞军.基于数字温度传感器的电缆故障在线监测及火灾预警系统 [J].电力自动化设备，2003，23（10）：57-58.

[3]韩学军，刘滨涛，陈永辉，等.基于无线通信的高压断路器温度在线监测系统[J].电力系统自动化，2006，30（8）：84-88.

[4]刘建胜，酆达，张凡.一种用于变电站高压触点温度在线监测的新方法[J].电力系统自动化，2004，28（4）：54-57.

[5]王方，邱道尹，岳艳杰，等.基于红外技术的变电站温差无线温度监控[J].电力自动化设备，2011，31（8）：135-138.

[6]匡绍龙，朱学斌.分布式光纤温度传感器原理及其在变电站温度监测中的应 用[J].电力自动化设备，2004，24（9）：79-81.

[7]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术，2007，33（8）：169-173.

[8]周美兰.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社，2007.

[9]戴喆，刘建辉，冀常鹏.基于VB的无线测温系统的研究[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（增刊）：130-131.

[责任编辑：王楠]