高压防爆开关触头的无线测温保护装置设计

高 霞

(山西焦煤集团有限责任公司 杜儿坪煤矿，山西 太原 030022)

0 引言

在电力系统中，电路的连接与断开都是由触头动作完成的，因此电触头的工作状态和工作性能对电能供应的质量具有重要影响。由于触头动作频繁、接触面容易受到外界异物污染等原因，易导致动静触头连接处电阻增大、触头温度过高，进而引发相关电气设备烧毁等事故，因此在日常维护中对触头温度的在线监测十分重要，运行维护人员通过无线测温装置进行实时数据查看、历史数据查询，可以对触头的工作状态进行判断，从而提前采取措施，防止触头温升过高而引起的各类事故。

1 无线测温保护系统

1.1 无线测温保护装置功能

无线测温保护装置具有数据测量、数据传输、数据处理和存储、数据显示、报警5大功能。数据测量指的是通过安装在触头上的温度传感器实时测量该触头的温度数据。数据传输包含两方面，一是现场接收装置通过无线传输的方式接收温度传感器测出的数据，二是现场接收装置通过RS-485传输方式将数据发送到后台监控主机，以便对数据进行处理和分析。数据处理和存储指的是后台监控主机对温度数据进行处理后存储。数据显示指的是在后台监控主机上能够显示温度曲线。报警指的是当触头温度达到或超过设定最高限值时，监控主机向值班人员发出声光报警等。

1.2 技术指标

(1) 单套装置测温范围覆盖数组开关柜，具有较高的可维护性和可扩展性。

(2) 工作电源取自主电路，无需额外电源。

(3) 温度数据更新周期小于3 min。

(4) 具有声音报警、图像报警和短信报警功能。

2 无线测温保护系统电路设计

无线测温系统包括开关柜内温度测量装置、现场数据接收装置和后台监控机，温度测量装置是系统的核心部分。如图1所示，温度测量装置由数字温度传感器模块、单片机控制模块和无线收发模块构成。

图1 温度测量装置结构示意图

2.1 无线收发模块

无线收发模块选择以CC1020为核心的集成模块SRWF-501-50，CC1020是一种超高频、低功耗的单芯片收发器，其输出功率、频率等可以通过串口进行编程控制。SRWF-501-50为上海桑锐公司生产的微功率无线通信模块，该模块抗扰能力强、传输距离远，使用时无需编码，使用ISM(工业、科研及医疗)频带(无需额外申请)，有标准UART接口和自定义RS232或RS485接口，用户通过断电时改变短路器状态，重新上电后即可在两种接口间转换。

SRWF-501-50模块有两个串口，分别可以和单片机UART、PC机RS232连接通信，3脚为TTL电平的串行数据接收端，4脚为TTL电平的串行数据发送端，使用时通过数据线分别与单片机TXD发送端、RXD接收端连接，然后用电源线连接电源即可。SRWF-501-50无线收发模块与单片机的接口电路如图2所示，与PC机RS232接口连接时与此类似。

图2 SRWF-501-50无线收发模块的接口电路图

2.2 单片机控制模块

单片机模块选用ATMEL公司生产的AT89S51型单片机，这是一款低功耗、高性能的8位单片机，在指令系统和引脚结构方面兼容80C51单片机。单片机的外围电路有时钟电路、复位电路和电源电路等。89S51单片机提供外部时钟和内部时钟两种模式，本设计采用外部时钟，选用11.059 2 MHz石英晶体、30 pF外接电容。复位电路采用上电复位和按键复位混合复位方式。电源电路选择5 V干电池直接向单片机供电。

2.3 数字温度传感器模块

数字温度传感模块采用DALLAS公司生产的DS18B20型传感器，这是一款低功耗、小体积的一线式数字温度传感器，能够将采集到的温度数据直接转换为数字信号，方便微机处理，其集成式的电路结构降低了设计和调试成本。图3为DS18B20的内部结构。

图3 DS18B20的内部结构

DS18B20的接口电路非常简单，可以与单片机IO口直接连接，图4为测温装置的电路图，图中展示了DS18B20与单片机AT89S51的接口连接方式。DS18B20有三个引脚，GND为电源接地引脚，VDD为外接电源供电引脚，供电电压为3.0 V～5.5 V，DQ为数据引脚，数据的发送和接收都通过这个引脚双向传输。DS18B20的供电方式有两种，一种是外接电源方式，一种是寄生供电方式，通过数据线向芯片供电，这种方式简化了硬件接线，降低了复杂度。

图4 测温装置电路图

3 无线测温保护系统软件设计

系统软件分为两部分：①下位机软件，主要是单片机测温程序；②上位机软件，主要是后台监控主机的监控软件。单片机程序采用51系列C语言开发环境Keil Vision 3，相比于汇编语言可读性差、移植困难，采用C语言编辑的单片机程序可移植性高，方便开发人员调试和维护。

图5为单片机测温程序流程。测温程序是根据DS18B20的测温协议进行编写的，在启动温度转换之前首先由单片机向DS18B20发出复位脉冲，对其进行初始化，等收到返回的应答脉冲后初始化完成，然后进行ROM操作和内存操作，启动温度检测，延时1 s后就可以读取温度数据，温度数据以补码存储在ROM的前两个字节，单片机通过数据接口由低位向高位进行读取。数据读取完成后由单片机对数据打包，然后通过串口发送到无线收发模块。

图5 单片机测温程序流程

后台监控主机的监控软件采用Visual C++ 6.0进行编程，这是一种以面向对象的C++语言为基础的可视化集成开发环境。Visual C++ 6.0具有功能丰富的MFC类库，能够最大程度上减少代码数量，加快产品的开发速度。后台监控软件设计包括监控界面设计、串口通讯程序设计和数据库设计等。图6为后台监控系统软件界面。

图6 监控系统软件界面

4 应用分析

4.1 灵敏度试验和误差分析

为保证所采集触头温度数据的及时性和准确性，需要对本装置进行灵敏度试验和误差分析。灵敏度分析是通过快速改变测温装置所处的环境温度实现的，从4 ℃到20 ℃，测温装置得到温度数据时间为15 min左右。误差分析是通过水银温度计与本装置的测温数据进行对比，本装置所测数据与水银温度计所测数据的绝对误差不大于2 ℃，平均相对误差不大于1%，处于可以接受的范围之内。

4.2 触头温升分析

本装置用于矿井高压防爆开关触头温度在线测量一段时间后，能够及时准确地对各类型温度超限的触头发出超温报警，经过对超温报警触头的检查和处理，总结出高压防爆开关触头发热的原因如下：

(1) 触头的灼烧、振动、氧化和碰撞等原因都会造成动静触头间接触电阻增大，最终导致温升超限。

(2) 负载电流过大而开关设备容量不足。

(3) 触头动作频率过高，频繁操作触头会导致触头损坏。

(4) 开关柜所处环境温度高，没有主动散热装置，散热不佳。

(5) 电源电压低。

(6) 触头形变。

5 结束语

本文设计的无线测温保护装置将数字信号温度传感器和无线数据传输技术相结合，能够在保证值班工作人员安全的情况下对位于高压开关柜内的防爆开关触头进行在线温度监测，避免了值班人员手动进行红外测量时遮挡触头位置、数据量少和精度低的缺点，后台机可以对所有安装测温装置的触头温度数据进行查看，提高了值班人员的工作效率。