10kV室内开关柜高压触点温度无线监测系统的设计

崔光照 刘 宾

（郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州 450002）



10kV室内开关柜高压触点温度无线监测系统的设计

崔光照 刘 宾

（郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州 450002）

基于电力系统中对10kV室内开关柜高压触点温度测量的实际需求，本文设计了一种开关柜高压触点温度无线监测系统，系统采用ZigBee网络技术实现温度数据传输，温度传感器采用氧化铝导热陶瓷封装，系统通过测试，能够实现对开关柜高压触点温度监测和故障温度报警功能。

开关柜设备；无线监测；高压触点；温度测量

开关柜设备在电力系统中广泛运用，承担着线路投切、线路故障保护等重要作用，其安全稳定运行对于供电线路的安全保障意义重大[1-3]。10kV室内开关柜设备广泛应用，是用电设备可靠供电的保障，开关柜设备在长期的运行过程中，高压触头的接触电阻会有增加，高压触头接触电阻增加会引起触头温升的增加，触头温度过高会引发设备故障，导致设备损毁等事故[4-8]。因此，对开关柜设备触头温度进行监测，了解开关柜设备各高压触头温度就可以在一定程度上预防开光柜设备因触头温升过高而引发的设备故障，做到预防性检修，保障设备安全运行和供电可靠性。

由于 10kV开关柜设备内部空间小、电磁干扰强等特点，高压触点温度测量设备必须具备易于安装、抗电磁干扰等功能[9-10]。就目前研究现状而言，高压触点温度测量方面主要采用接触式测量和非接触式测量两种方式，接触式测量有光纤光栅测温、热电偶测温和声表面波测温等接触式温度传感器；非接触式测量采用红外温度传感器[11-13]。高压触点温度在线监测系统温度数据传输较为常见的有光纤传输、CAN总线传输、GPRS传输等技术[14]。对于高压触点温度测量一般电力企业要求测温系统能够满足24h全天候正常工作，报警温度阈值一般为70℃左右，温度测量范围在−40℃～120℃之间，测量精度要控制在5℃以内[15]。

本文以10kV室内开关柜为研究对象，设计了一套开关柜高压触点温度在线监测系统，该系统通过ZigBee网络进行温度数据的传输，在不改变开关柜内部物理结构的基础上，很好地解决了高低压电气隔离的问题；同时采用低功耗设计和屏蔽技术，可解决测温节点使用寿命和抗强电磁干扰的问题。ZigBee网络的网络覆盖范围、组网节点容量、数据传输速率等满足了现场系统要求，温度测量装置采用氧化铝导热陶瓷一体化封装，便于安装在测温触点，开关柜各高压触点温度数据通过上位机监测软件进行显示，监测软件能够实现各测温点温度数据记录、故障温度设定和故障报警功能。系统正常测温范围为−55℃～125℃，测量精度为 1℃，能够满足开关柜高压触点温度测量要求，实现对 10kV室内开关柜设备高压触点温度的在线监测。

1　测量系统方案设计

系统结构组成上由温度测量节点、数据集中器和上位机监控界面等组成，系统方案设计如图1所示。各高压触点测温点通过ZigBee网络将温度数据温按照特定的数据帧格式发送到数据集中器，数据集中器将各开关柜发送的温度数据进行处理后发送到监控界面进行显示和记录，PC监控界面对各测温点数据进行显示和记录。

图1　系统方案设计

2　系统软硬件设计

系统硬件设计上主要包括温度测量节点部分和数据集中器部分，硬件设计框图如图2所示。测温节点在硬件设计上主要包括单片机、供电单元、测温传感器单元、按键单元、仿真接口单元和功率放大单元，硬件设计原理框图如图2（a）所示。

图2　硬件设计框图

数据集中器在硬件设计上主要包括单片机、按键单元、仿真接口单元和功率放大单元，硬件设计原理框图如图2（b）所示。系统温度测量节点和数据集中器节点核心芯片采用 TI/Chipcon公司的CC2530F256，用以实现温度数据读取和无线通信，CC2530F256芯片工作温度为−40℃～125℃，能够在开关柜内部温度条件下正常工作。该芯片使用单周期8051兼容内核，外设睡眠定时器可以满足系统低成本、低功耗的要求，同时支持 ZigBee协议和IEEE 802.15.4协议，内含2.4GHz DSSS（直接序列扩频）无线射频收发器核心,该芯片功能强大、体积小，满足了系统数据测量发送要求，易于实现测温节点的小型化。

2.1供电与功率放大

测温点和数据集中器采用 DC 5V供电，CC2530F256单片机由 AMS1117−3.3V芯片进行电压转换后供电。测温节点通过高能锂电池供能，由于测温节点不能带电更换供电电池，所以必须保证测温节点在设备停电倒换检修前能持续运行，在程序设定上通过睡眠定时器加入适当的休眠期，测温节点在完成一次数据发送后进入一定时间的低功耗休眠，通过降低测温点功耗延长工作时间。

开关柜设备为封闭式钢架结构，为保证信号传输距离和信号发射强度，测温点和数据集中器加入了功率放大芯片，功率放大器末端设计有板载PCB陶瓷天线，接入外接天线后增强信号的传输距离和稳定性，减小开关柜内高电压、强磁场对测温模块数据传输的影响，保证了温度数据的传输质量和强度，实现系统温度数据无线传输和接收显示。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，RFX2401C是一种超集成度的射频前端集成电路，整合了IEEE 802.15.4/ZigBee、无线传感器网络、2.4GHz的ISM频带射频前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、阻抗匹配网络、谐波过滤器和CMOS控制逻辑。

2.2温度测量单元

系统测温单元温度传感器采用美国 DALLAS半导体公司生产的接触式的 DS18b20，该温度传感器为单总线数字式温度传感器，内置12位模数转换器，测温范围为−55℃～125℃，测量精度相对较高，该传感器结构简单，不需要复杂的额外围电路，数据的读写和命令的写入通过单根数据线进行，以“一线总线”方式把温度数据串行给单片机，在开关柜复杂的电磁环境中工作，有较好的抗干扰能力，能有效降低开光柜内部电磁环境对测温单元的影响。

温度测量单元采用高导热氧化铝陶瓷一体化封装，测温单元主要包括氧化铝陶瓷封装、电路板、锂电池、环氧树脂灌封胶和DS18b20温度传感器，封装结构图如图3所示，采用氧化铝陶瓷封装可以有效防潮、防尘、防污和电压绝缘，氧化铝陶瓷高导热系数保证了高压触点温度测量数据的准确可靠，同时氧化铝陶瓷封装还能有效抗EMI（Electro-Magnetic Interference）和静电干扰，提高测温节点EMC（Electro Magnetic Compatibility）保证测温节点可靠工作。测温节点采用环氧树脂胶装，环氧树脂固化后耐压指数12～16kV/mm，具有良好的电气绝缘性，导热系数为 0.15W/m·K，保证测温节点处理芯片和高压测温触点的热隔离，同时处理芯片上涂有低热阻和高导热性的SM-A1导热硅脂，其导热系数大于6.0W/m·K，减小芯片工作时的温升累积。测温节点安放时，温度传感器一侧贴近高压测温触点。不同氧化铝含量的导热陶瓷主要性能参数见表1，系统封装选择氧化铝含量99.7%的高刚玉质导热陶瓷，高纯刚玉质导热陶瓷具有高导热、高电气绝缘、高耐压和低吸水率等特性。

表1　导热陶瓷性能参数表

图3　测温单元封装结构图

2.3系统程序设计

测温节点和数据集中器节点程序以 TI公司开发的Z-stack2007协议栈作为开发模板，在此基础上实现数据组网收发。设备上电初始化并完成网络组建后，温度传感器将测得的温度数据通过ZigBee网络发送到数据集中器，无线数据帧格式定义为：开始标志（KKH）：测温节点编号（4Byte）：节点温度数据（2Byte）：CRC校验码（1Byte）；结束标志（00H），测温节点每发送完一帧数据就进入特定时间的休眠，周期性的进行数据帧的无线发送，数据集中器将接收到的测温点数据发送到 PC监测界面进行显示和记录。测温节点和数据集中器节点程序设计如图4所示。

图4　系统程序流程图

3　实验方法与结论

系统性能测试在实验室条件下进行，选用3个温度测量节点进行系统的组网运行测试和系统测温性能测试。

系统组网测试中，3个测温节点每1min发送一次数据帧，PC监测软件对3个测温点温度数据进行记录显示。图5所示为系统持续采集300个温度数据，连续工作5h时，PC监控软件记录的3个测温点数据曲线图。经过实验测试，系统能够稳定可靠的组网工作，实现对开关柜高压触点温度持续在线监测。

图5　监测数据曲线图

系统测温性能测试通过将系统测得数据与红外测温仪设备测得的数据进行比对分析系统测温的相关参数，实验主要对系统测温误差和测温时延两个参数进行测试，实验数据表见表 2。经过实验数据分析，系统测温误差在1.5℃以内，能够满足电气高压触点温度测量精度要求，系统由于测温点氧化铝导热陶瓷等因素带来的测温时延为8s。现场开关柜高压触点温度阈值为70℃，设备正常运行情况下高压触点温度变化率不大于20℃/min，触点温度变化是缓慢而连续的，对照系统 1.5℃的测温误差和 8s的测温时延参数，系统的测温性能可以满足现场开关柜高压触点温度测量要求。

表2　实验数据表

4　结论

本文基于ZigBee物联网技术，针对10kV室内开关柜设备设计了一种开关柜高压触点温度在线监测系统，系统通过氧化铝陶瓷封装的测温节点进行高压触点温度测量，温度数据通过ZigBee网络进行无线传输并通过 PC监测软件实现高压触点温度数据显示、记录和异常温度报警。系统结构简单，工作稳定可靠，测温节点易于安装实现，经过实验室实验测试，系统能够稳定运行，测温性能满足电气设备高压触点温度测量要求，能够实现对 10kV室内开关柜高压触点温度的在线监测，实时监测各高压触点运行状况，为 10kV室内开关柜设备安全稳定运行提供有力支持。

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Design of High-voltage Contact Wireless Temperature Monitoring System for 10kV Indoor Switchgear

Cui Guangzhao Liu Bin
(College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002)

Based on the actual needs of temperature measurement in high voltage contacts for10kV indoor switchgear on the power system. This paper designs a wireless temperature monitorning system for high voltage contacts of switchgear. This system adopt the ZigBee network technology to realize the data transmission, temperature sensor use the thermal conductivity of alumina ceramic packages. System can achieve the temperature monitoring and fault alarm function in the laboratory test.

switchgear equipment; wireless monitoring; high pressure contact; temperature measurement

崔光照（1957-），男，郑州轻工业学院教授，研究生导师，研究方向为智能化电器装备设计。

河南省科技攻关项目（142102210517）

郑州市科技陆军人才项目（10LJRC184）