摘要：針對開關設備觸頭發熱問題，設計一種無線測溫裝置。該測溫裝置的傳感器節點由CC2430芯片與數字溫度傳感器DS18B20構成，利用ZigBee協議，以無線方式把觸頭溫度數據送至協調器，實現溫度的顯示與報警。試驗表明，該裝置穩定性好，能很好地滿足實際需求。

關鍵詞：開關設備 傳感器節點 ZigBee 測溫在線

0 引言

現代社會對電能的依賴性很高，尤其是用電密度大的地區，因而對供電設備可靠性提出了要求。目前普遍使用的手車式開關設備，其斷路器與開關設備間采用插頭連接，當手車與開關設備觸頭接觸不良時，接觸電阻會增大，引起觸頭溫升過高，甚至燒毀，該現象在大電流開關設備上尤為突出，且影響很大。另外，電力系統開關設備在長期運行過程中常出現的表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動、觸點和母線排連接處老化等問題，亦會造成設備過熱，甚至引發嚴重事故。

現有的開關設備觸頭測溫主要有普通測溫、紅外測溫和光纖測溫方式。普通測溫方式需要金屬導線傳輸信號，絕緣性能得不到保證；紅外測溫方式使用的紅外成像儀又無法透過柜門測量內部設備溫度；光纖測溫方式使用的光纖易折斷、不耐高溫，且在柜內布線難度較大，造價高。因此，本文針對高壓開關設備，開發了由CC2430芯片與數字溫度傳感器DS18B20構成的無線測溫裝置來測量觸頭溫度，并運用射頻技術對傳感器采集到的信號進行無線傳輸，實現開關設備溫度的在線監測。

1、測溫裝置硬件設計

開關設備在線測溫裝置總體結構如圖所示,主要由無線溫度傳感器、協調器組成。無線溫度檢測單元安裝在開關設備需測溫部位,協調器安裝在開關設備儀表室。無線溫度傳感器、協調器間通過無線方式傳輸數據。每臺開關設備通常配置個無線溫度傳感器,分別安裝在每相的上下觸頭處。

無線溫度傳感器包括CC2430芯片和數字溫度傳感器DS18B20及其外圍電路。CC2430芯片是內部集成了符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻（RF）收發器的無線單片機；數字溫度傳感器DS18B20直接通過單線與CC2430單片機I/O連接。

協調器主要完成對測溫終端上傳的溫度數據的處理與現場顯示,并按照通信規約把溫度數據上傳給上位機；此外還將測得的溫度與設置的預警值進行比較,若有異常,則輸出報警信號。

2、無線溫度傳感器的供電

目前,無線溫度傳感器主要由電池供電或電流互感器供電。采用電池供電需要經常更換電池,不僅增加了勞動強度,而且在開關設備運行工況下還存在更換電池困難等缺陷。采用電流互感器從母線取電流,存在母線電流不穩定,過電壓和過電流對取能電源帶來損壞等缺點,因此需要大量的穩壓和保護措施。根據產品的使用情況及電網公司的相關要求,本文設計采用電池供電方案,選用高性能電池給無線溫度傳感器供電,電池使用年限可達4年以上。

3、ZigBee技術

ZigBee技術實際上是采用IEEE802.15.協議的新一代無線傳感器網絡系統,主要適用于自動控制和遠程控制領域。試驗表明,2.4GHz無線信號在強磁場、高溫、高壓環境中的直線傳播性能較好,因而數據的傳輸能力強、可靠性高。相對于現有的各種無線通信技術,ZigBee射頻發射所需的功率較低再加上處理器支持多種休眠模式,ZigBee技術可以確保2節五號電池持續使用6個月到2年左右。ZigBee技術的整個硬件成本低,網絡節點容量大,具有自組、自動路由和自愈功能,且工作在2.4GHz免執照頻段，是實現開關設備無線溫度監測系統的理想解決方案。

4、軟件設計

協調器的主程序流程如圖2所示?？刂破魃想姾?分別對串口模塊、液晶模塊、I/O端口進行初始化接著,向傳感器接點索要各路溫度傳感器的溫度值,在獲得正確溫度值后將其保存在特定的存儲單元接著,檢查是否收到上位機獲取溫度命令,若收到則上傳溫度值接著,程序掃描按鍵與判定闌值并采取相應動作顯示當前溫度值,并進人下個循環。軟件設計時,在保證準確的前提下,應盡可能地降低功耗。具體設計為測量溫度小于60℃時,每5min發送1次溫度數據,其中,定時時間由睡眠定時器計時,時間到則切換模式發射數據,其它時間則使發送模塊處于睡眠狀態,從而使發送模塊大部分時間處于低功耗狀態當測到的溫度與上次溫度差大于5℃,或溫度大于60℃時,則每5s發送1次溫度數據。

5、測溫裝置實驗

在線測溫裝置經國家檢測部門進行電磁兼容、通信距離、測量精度、振動等項目的檢驗,檢驗結果均符合標準要求。其中溫度測量精度檢測結果見表1。

由表1可知,該裝置的測量誤差在士2℃以內。為驗證測溫單元在高壓環境下能正常工作,將測溫單元安裝在開關設備主母排上。通過試驗設備在母排上加上10kV和42kV高壓,裝置接收數據正常,說明測溫單元能在正常高壓環境下工作,也能適應開關設備出廠試驗時的工頻耐壓試驗。

6、安科瑞無線測溫產品介紹

a.電池供電型無線溫度傳感器

安裝于發熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸的傳感器。

目前無線溫度傳感器有三款：

b.CT感應取電無線溫度傳感器

安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸的傳感器。

目前無線溫度傳感器有兩款：

產品方案：ATE400

典型配置：ATE400

典型配置：ATP系列

7、結束語

該開關設備在線測溫裝置采用CC2430芯片和數字溫度傳感器DS18B20獲取數據,理想地實現了高壓測溫一次設備與二次監測設備的電隔離,保證了系統的安全可靠性同時實現了開關設備溫度數據的自動化測量,很好地解決了高壓環境下母線溫度檢測問題。

【參考文獻】

[1]張東亮.一種無線在線測溫裝置在 高壓開關設備 中的應用[J].電工電氣，2009（5）：34~36。

[2]沈建位，方增，黃曉霞，衛國鵬，呂曉蓉，開關設備在線測溫裝置的研制。

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版。