高壓斷路器梅花觸頭的溫度檢測

侯磊

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350108

一、前言

高壓斷路器的可靠性會直接影響電網(wǎng)運行過程中的安全與穩(wěn)定，因此是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。國內(nèi)外很多公司和機(jī)構(gòu)對于高壓斷路器測溫技術(shù)的研究，基本上分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩種。

本文采用的無線測溫技術(shù)解決了高壓斷路器測溫系統(tǒng)高、低壓側(cè)之間的高壓絕緣問題，屬于接觸式測溫方法，此方法可以解決紅外測溫法難以監(jiān)測高壓斷路器內(nèi)觸點運行溫度的問題[1]。分布式測溫節(jié)點直接安裝在斷路器需要測溫的地方，數(shù)據(jù)接收裝置放在距離斷路器觸頭一定距離的地方，分布式測溫節(jié)點與數(shù)據(jù)接收裝置之間采用藍(lán)牙無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)高壓隔離問題和數(shù)據(jù)的有效傳輸，克服了高壓斷路器內(nèi)觸點的溫度不易被紅外測溫法監(jiān)測的難題[2]。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

高壓斷路器無線測溫系統(tǒng)由三大部分組成：高壓側(cè)發(fā)射端、低壓側(cè)接收端和數(shù)據(jù)處理控制單元?？紤]到高壓斷路器三相的上、下觸臂共有6個梅花觸頭，所以提供了6路相互獨立的溫度檢測模塊以及相應(yīng)的藍(lán)牙無線傳輸通道。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下圖1所示。

高壓側(cè)部分主要包括CT互感器電源、溫度采集模塊、藍(lán)牙發(fā)送模塊等部分；低壓側(cè)主要包括低壓側(cè)供電電源、藍(lán)牙接收模塊、數(shù)據(jù)處理控制單元、LCD顯示單元、鍵盤輸入等部分。

在高壓側(cè)通過6個溫度檢測模塊來對高壓斷路器6個梅花觸頭的溫度信號進(jìn)行采集，利用藍(lán)牙傳輸將相應(yīng)通道的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在低壓側(cè)利用藍(lán)牙模塊將對應(yīng)通道的溫度數(shù)據(jù)接收，送給數(shù)據(jù)處理控制單元處理，得到6個觸頭的溫度數(shù)據(jù)，并用LCD顯示。

系統(tǒng)采用CT電源通過高壓母線取電方式為高壓側(cè)電路提供電源，供電CT的圓形線圈環(huán)繞在高壓斷路器觸臂上并固定，溫度采集和藍(lán)牙發(fā)送模塊固定在觸臂上，溫度傳感器的測溫端嵌入在靠近梅花觸頭的觸臂內(nèi)采集觸頭的溫度，接近發(fā)熱點，能迅速地反應(yīng)觸頭的溫度變化。

三、系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

1、CT互感器電源

高壓側(cè)的CT電源是利用磁感應(yīng)線圈在高壓母線上感應(yīng)出交流電能，在供給電子裝置之前，CT電源二次側(cè)的輸出電壓還需經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓、DC-DC變換等處理后，才可以為高壓側(cè)電路提供一個穩(wěn)定的工作電源，原理如圖2所示。所需電源能量全部通過CT互感器的電磁感應(yīng)從高壓母線電流中獲得，在為高壓側(cè)電路可靠供電的同時，還能夠保證對地的絕緣性，且有很大的成本優(yōu)勢。

2、溫度檢測模塊

溫度檢測模塊安裝在高壓斷路器內(nèi)部的被測點，進(jìn)行溫度采集，它是由微處理器和溫度傳感器DS18B20組成。微處理器在溫度采集系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)讀取溫度傳感器信號，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換及相關(guān)處理后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙通信模塊，利用藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給低壓側(cè)接收端。圖3是溫度傳感器電路。

本文采用DALLAS 公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它有三個引腳，分別是電源引腳（VDD）、接地引腳（GND）、數(shù)據(jù)線引腳（DQ）。微處理器為保證單總線工作穩(wěn)定，工作時要在單總線上接一個4.7kΩ的上拉電阻。這樣，當(dāng)DS18B20處于空閑時，DQ口由上拉電阻置為高電平狀態(tài)。溫度傳感器與微處理器的連接只需要通過一個I/O引腳，DQ 連接到微處理器引腳，實現(xiàn)單總線通訊。

3、藍(lán)牙無線通信模塊

高、低壓側(cè)的信號傳輸每一路需要兩個藍(lán)牙模塊，即高壓側(cè)的藍(lán)牙發(fā)送模塊和低壓側(cè)的藍(lán)牙接收模塊。對于6路觸頭的溫度傳輸，系統(tǒng)采用了6對這樣的藍(lán)牙模塊。本文都選用BLK-MD-BC04-B模塊，它是目前市場上很強(qiáng)大的串口藍(lán)牙模塊，采用Blue2.0、支持主從模式、支持波特率范圍從1200到1382400。該BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊的實物圖及外部引腳如圖4所示。

藍(lán)牙模塊和微控制器都支持UART接口數(shù)據(jù)傳輸，UART屬于異步傳輸?shù)拇型ㄐ趴偩€。UART通過發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 和接收數(shù)據(jù)線 RXD 來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，發(fā)送和接收可以同時進(jìn)行。首先，對于高壓側(cè)，通過微控制器控制溫度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，通過串口 UART傳送給藍(lán)牙模塊，即微控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)端口TXD接藍(lán)牙模塊的串口數(shù)據(jù)輸入端口UART-RX；對于低壓側(cè)，低壓側(cè)藍(lán)牙模塊將會自動接收來自每一路的高壓側(cè)藍(lán)牙模塊所發(fā)送的溫度信號，最后通過低壓側(cè)藍(lán)牙模塊的UART-TX端口將每一路信號送到數(shù)據(jù)處理單元中的分時解幀模塊[3]。

4、數(shù)據(jù)處理控制單元

數(shù)據(jù)處理控制單元屬于低壓側(cè)，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。主要是將6組藍(lán)牙接收模塊從斷路器三相上、下梅花觸頭得到的6組溫度數(shù)據(jù)分別解幀并處理，再通過LCD顯示單元進(jìn)行界面顯示以及進(jìn)行高溫數(shù)據(jù)的報警等處理，也可以通過RS485總線與其它主機(jī)進(jìn)行通信，并具有存儲故障數(shù)據(jù)的功能[4-5]。

6組溫度數(shù)據(jù)的解幀處理主要是通過微處理器與多路開關(guān)模塊配合完成的。由于微處理器的UART串口資源是非常稀少的，需要用多路開關(guān)模塊將6組接收到的數(shù)據(jù)同時送給串口接收端RXD處理，來完成六組數(shù)據(jù)的接收。多路開關(guān)模塊通過采用邏輯門電路來實現(xiàn)打開和關(guān)閉對應(yīng)的6路待接收溫度信號，當(dāng)打開第一路溫度信號時，要關(guān)閉另外5路溫度信號，才能保證每路數(shù)據(jù)都能有條不紊的傳送給串口接收端RXD。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件平臺將接收到的數(shù)據(jù)幀信號送到數(shù)據(jù)處理控制單元處理，數(shù)據(jù)處理控制單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制，其系統(tǒng)軟件包括溫度數(shù)據(jù)解幀、數(shù)據(jù)顯示以及溫度報警等功能。圖6為主程序流程圖。

五、實驗結(jié)果

實驗以 K 型熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測溫校準(zhǔn)，作為參考溫度值，與本系統(tǒng)的溫度顯示值進(jìn)行比較。實驗中每隔5min記錄一次測量的溫度數(shù)據(jù)，分別記錄下熱電偶的參考溫度值和本系統(tǒng)顯示的溫度值，并繪制成圖，如圖7所示。

可以看到，本系統(tǒng)顯示的溫度值與參考溫度值兩者誤差在1℃之內(nèi)，隨著通電運行時間的增加，斷路器溫度值不斷上升，最終穩(wěn)定在55℃左右。實驗同時表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量精度高，運行正常，能實時掌握高壓斷路器開關(guān)觸頭的溫度變化趨勢。

六、結(jié)論

本文闡述了一種基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20在高壓斷路器測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用，并通過藍(lán)牙無線傳輸將高壓側(cè)采集的溫度信號發(fā)送給低壓側(cè)的微處理器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)很好地解決了高壓側(cè)和低壓側(cè)之間的電氣絕緣問題，而且高壓側(cè)供電電源直接通過斷路器的高壓母線電流中獲得，不僅保證了對地的絕緣性，還節(jié)省了空間和成本。整個系統(tǒng)運行使用情況良好，達(dá)到了穩(wěn)定度和精度要求。