10kV開(kāi)關(guān)柜及其電纜終端接頭的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

郭俊健 羅家健 吳增朗 李學(xué)超 劉夏濤

摘 要：高壓開(kāi)關(guān)柜屬于關(guān)鍵的電力設(shè)備，主要的作用就是對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行連接與分?jǐn)唷⒗^電保護(hù)與自動(dòng)重合閘設(shè)備投切等。通過(guò)科學(xué)的措施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備接頭溫度，能夠防范開(kāi)關(guān)柜接頭過(guò)熱的問(wèn)題，減少安全事故。本文進(jìn)行分析10kV開(kāi)關(guān)柜及其電纜終端接頭的溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：10kV;開(kāi)關(guān)柜;電纜終端接頭;溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高壓開(kāi)關(guān)柜屬于電力系統(tǒng)中關(guān)鍵配電設(shè)備，內(nèi)部包含很多接頭，一類是可以移動(dòng)的，另一類是固定的，工作期間接頭會(huì)由于一些因素導(dǎo)致逐漸的增大接觸電阻，比如氧化或者是接觸不良等因素，導(dǎo)致因熱積累響應(yīng)產(chǎn)生不良的事故。電纜終端接頭的部位是在電纜線路的末端，用于連接開(kāi)關(guān)柜、配電變壓器、柱上開(kāi)關(guān)等設(shè)備，屬于電纜系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，所以需要實(shí)施在線監(jiān)測(cè)電纜終端接頭的溫度，減少設(shè)備故障率，提高供電可靠性。

1 溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體方案

本文中進(jìn)行介紹一種開(kāi)關(guān)柜及其電纜終端接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)此系統(tǒng)一共涵蓋了數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層三個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集層的作用就是對(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中包括了溫度傳感器、溫濕度傳感器兩部分，通過(guò)電磁感應(yīng)取電，給傳感器提供重要的供電電源;數(shù)據(jù)傳輸層，主要的作用就是進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)就是先進(jìn)的ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。各溫度傳感器將電力設(shè)備表面的溫度數(shù)據(jù)采集，各溫濕度傳感器將環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)部位傳輸，然后終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就是匯聚節(jié)點(diǎn)，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳遞溫濕度數(shù)據(jù)的過(guò)程;數(shù)據(jù)處理層的作用就是處理數(shù)據(jù)，處理ZigBee的匯聚節(jié)點(diǎn)接收溫濕度數(shù)據(jù)，向液晶屏傳送，同時(shí)經(jīng)以太網(wǎng)這一渠道在上位機(jī)傳送，上位機(jī)中具備LabVIEW 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的軟件將數(shù)據(jù)接收以后，實(shí)施預(yù)處理數(shù)據(jù)濾波，之后實(shí)施溫度預(yù)測(cè)，再判斷溫度值和溫升值有沒(méi)有滿足電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)設(shè)備缺陷等級(jí)進(jìn)行明確，獲取預(yù)警信號(hào)，實(shí)時(shí)的顯示出數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 紅外測(cè)溫原理及傳感器選型

選用非接觸式的紅外測(cè)溫方法，紅外測(cè)溫傳感器對(duì)于所測(cè)物體輻射能量大小進(jìn)行收集，予以溫度實(shí)施測(cè)量。紅外測(cè)溫優(yōu)勢(shì)就是，具備較高的準(zhǔn)確度、較快的響應(yīng)速度以及廣闊的測(cè)溫范圍、較高的靈敏度。通過(guò)溫度按照波長(zhǎng)的分布規(guī)律，對(duì)物體輻射出能量進(jìn)行測(cè)量，按照輻射率就能對(duì)表面溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算。

紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)中，涵蓋了光學(xué)系統(tǒng)、電源與輸入輸出接口、調(diào)制電機(jī)、探測(cè)器、信號(hào)處理與補(bǔ)償電路幾個(gè)主要的系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)接收被測(cè)物體輻射出的能量，紅外探測(cè)器上面進(jìn)行匯集能量，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理、補(bǔ)償電路的放大與校正，得到溫度數(shù)值，通過(guò)輸出接口送出。系統(tǒng)供電的途徑就是電源接口，能夠經(jīng)輸入接口進(jìn)行輻射率的合理設(shè)置。非接觸式測(cè)溫方式中會(huì)具有誤差的問(wèn)題，所以，實(shí)施紅外測(cè)溫傳感器的選型過(guò)程中，需要考慮很多的因素，重點(diǎn)考慮的就是：輻射率，應(yīng)該按照傳感器的操作方法進(jìn)行輻射率的修改，將測(cè)量精度提升;測(cè)試角度，紅外測(cè)溫傳感器的安裝方向?qū)Ψń瞧x越大，會(huì)產(chǎn)生越顯著的溫度誤差，通常測(cè)試角是在30-45°之間為宜;距離系數(shù)，采取高距離系數(shù)比以及分辨率較高的測(cè)量裝置，能夠?qū)⒄`差進(jìn)行減小;響應(yīng)時(shí)間，需要選取具有較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。

3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ZigBee屬于關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要的優(yōu)勢(shì)就是功耗較低、距離較短、速率較低等。高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在通信方面具有很多要求標(biāo)準(zhǔn)，此系統(tǒng)實(shí)施ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行通信，能夠進(jìn)行高電壓隔離，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾能力，最大限度的減少功耗，達(dá)到開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，比如節(jié)點(diǎn)較多、電源供電受限、電網(wǎng)要求減少運(yùn)營(yíng)成本等等。ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行通信可行性分析表明，ZigBee 技術(shù)重點(diǎn)考慮降低系統(tǒng)的功耗，對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee 占空因數(shù)較低，跟休眠時(shí)間相比，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間較少;ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)，具有減少成本的優(yōu)勢(shì);另外，其他方面還包括具備良好的可靠性、時(shí)延短、較大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量等。

數(shù)據(jù)采集終端中，一共涉及到了兩種類型，均是建立在紅外測(cè)溫傳感器和 ZigBee 基礎(chǔ)上，一種是易熱接頭溫度采集節(jié)點(diǎn)，另一種是開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境的溫濕度采集節(jié)點(diǎn)。兩種節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息的渠道就是射頻電路，在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，聚集了全部的分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過(guò)串口，把數(shù)據(jù)向匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送。以TN9紅外溫度傳感器、SHT10大氣溫濕度傳感器，對(duì)于電力設(shè)備接頭溫度信息、柜內(nèi)環(huán)境溫濕度信息收集。全部的終端節(jié)點(diǎn)所采集接頭溫度數(shù)據(jù)，以及收集到的開(kāi)關(guān)柜溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（2.4GHz）在相應(yīng)匯聚節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行傳送。

4 數(shù)據(jù)處理層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理層是在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，將數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，展開(kāi)相應(yīng)的處理，涵蓋的重要構(gòu)成部分就是ARM 芯片模塊、開(kāi)關(guān)電源模塊、工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊以及液晶顯示部分、上位機(jī)處理軟件。如下圖1所示，為數(shù)據(jù)處理層的程序流程圖，按照以下的程序進(jìn)行操作。

監(jiān)控主機(jī)上編寫(xiě)基于LabVIEW的監(jiān)測(cè)軟件，預(yù)處理分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，判斷溫度值和溫升值，并且做出顯示。上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面實(shí)現(xiàn)期間，為對(duì)于程序安全的管理，需要設(shè)計(jì)登錄系統(tǒng)，設(shè)置用戶名、密碼。輸入用戶名或密碼錯(cuò)誤，有對(duì)話框進(jìn)行提示。在實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)控臺(tái)中，涵蓋的重要內(nèi)容就是缺陷等級(jí)參數(shù)設(shè)定、端口設(shè)定、IP 地址設(shè)定、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以及預(yù)測(cè)參數(shù)設(shè)定等。

結(jié)語(yǔ)：

在10kV 配電系統(tǒng)中，高壓開(kāi)關(guān)柜屬于重要的電氣設(shè)備，通過(guò)監(jiān)測(cè)柜內(nèi)接頭狀態(tài)，具備關(guān)鍵的工程價(jià)值。為了防止傳感器接觸被測(cè)物、數(shù)據(jù)有線傳輸產(chǎn)生的安全隱患，可以進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜及其電纜終端接頭溫度。本文中提出了一種開(kāi)關(guān)柜及其電纜終端接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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資助項(xiàng)目：080004KK52210005-001 《一種導(dǎo)線端頭快速絕緣防護(hù)裝置研發(fā)》