10kV開關柜及其電纜終端接頭的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

郭俊健 羅家健 吳增朗 李學超 劉夏濤

摘 要：高壓開關柜屬于關鍵的電力設備，主要的作用就是對電力設備進行連接與分斷、繼電保護與自動重合閘設備投切等。通過科學的措施進行實時監(jiān)測電力設備接頭溫度，能夠防范開關柜接頭過熱的問題，減少安全事故。本文進行分析10kV開關柜及其電纜終端接頭的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

關鍵詞：10kV;開關柜;電纜終端接頭;溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

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

1 溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案

本文中進行介紹一種開關柜及其電纜終端接頭溫度在線監(jiān)測系統(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)處理層三個部分。其中，數(shù)據(jù)采集層的作用就是對溫度、濕度數(shù)據(jù)進行采集，其中包括了溫度傳感器、溫濕度傳感器兩部分，通過電磁感應取電，給傳感器提供重要的供電電源;數(shù)據(jù)傳輸層，主要的作用就是進行傳輸數(shù)據(jù)，構成網絡就是先進的ZigBee 無線傳感網絡。各溫度傳感器將電力設備表面的溫度數(shù)據(jù)采集，各溫濕度傳感器將環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，在ZigBee 終端節(jié)點部位傳輸，然后終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，網絡協(xié)調器就是匯聚節(jié)點，接收終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時實現(xiàn)了傳遞溫濕度數(shù)據(jù)的過程;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)點接收溫濕度數(shù)據(jù)，向液晶屏傳送，同時經以太網這一渠道在上位機傳送，上位機中具備LabVIEW 語言開發(fā)的軟件將數(shù)據(jù)接收以后，實施預處理數(shù)據(jù)濾波，之后實施溫度預測，再判斷溫度值和溫升值有沒有滿足電力系統(tǒng)標準規(guī)定，對設備缺陷等級進行明確，獲取預警信號，實時的顯示出數(shù)據(jù)結果。

2 紅外測溫原理及傳感器選型

選用非接觸式的紅外測溫方法，紅外測溫傳感器對于所測物體輻射能量大小進行收集，予以溫度實施測量。紅外測溫優(yōu)勢就是，具備較高的準確度、較快的響應速度以及廣闊的測溫范圍、較高的靈敏度。通過溫度按照波長的分布規(guī)律，對物體輻射出能量進行測量，按照輻射率就能對表面溫度進行精準的計算。

紅外測溫傳感器結構中，涵蓋了光學系統(tǒng)、電源與輸入輸出接口、調制電機、探測器、信號處理與補償電路幾個主要的系統(tǒng)，光學系統(tǒng)接收被測物體輻射出的能量，紅外探測器上面進行匯集能量，經過光電轉換產生電信號，再通過信號處理、補償電路的放大與校正，得到溫度數(shù)值，通過輸出接口送出。系統(tǒng)供電的途徑就是電源接口，能夠經輸入接口進行輻射率的合理設置。非接觸式測溫方式中會具有誤差的問題，所以，實施紅外測溫傳感器的選型過程中，需要考慮很多的因素，重點考慮的就是：輻射率，應該按照傳感器的操作方法進行輻射率的修改，將測量精度提升;測試角度，紅外測溫傳感器的安裝方向對法角偏離越大，會產生越顯著的溫度誤差，通常測試角是在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量裝置，能夠將誤差進行減小;響應時間，需要選取具有較長響應時間的紅外測溫系統(tǒng)。

3 ZigBee 網絡的設計與實現(xiàn)

ZigBee屬于關鍵的物聯(lián)網技術，主要的優(yōu)勢就是功耗較低、距離較短、速率較低等。高壓開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在通信方面具有很多要求標準，此系統(tǒng)實施ZigBee 無線通信技術進行通信，能夠進行高電壓隔離，同時具備較強的抗強電磁場干擾能力，最大限度的減少功耗，達到開關柜測溫的相應標準，比如節(jié)點較多、電源供電受限、電網要求減少運營成本等等。ZigBee 技術的特點進行通信可行性分析表明，ZigBee 技術重點考慮降低系統(tǒng)的功耗，對于終端節(jié)點，ZigBee 占空因數(shù)較低，跟休眠時間相比，發(fā)送數(shù)據(jù)的時間較少;ZigBee 協(xié)議是免專利費，具有減少成本的優(yōu)勢;另外，其他方面還包括具備良好的可靠性、時延短、較大的網絡節(jié)點容量等。

數(shù)據(jù)采集終端中，一共涉及到了兩種類型，均是建立在紅外測溫傳感器和 ZigBee 基礎上，一種是易熱接頭溫度采集節(jié)點，另一種是開關柜內環(huán)境的溫濕度采集節(jié)點。兩種節(jié)點發(fā)出信息的渠道就是射頻電路，在ZigBee 網絡協(xié)調器上，聚集了全部的分布式節(jié)點數(shù)據(jù)，然后網絡協(xié)調器經過串口，把數(shù)據(jù)向匯聚節(jié)點進行傳送。以TN9紅外溫度傳感器、SHT10大氣溫濕度傳感器，對于電力設備接頭溫度信息、柜內環(huán)境溫濕度信息收集。全部的終端節(jié)點所采集接頭溫度數(shù)據(jù)，以及收集到的開關柜溫濕度數(shù)據(jù)，經ZigBee無線通信網絡（2.4GHz）在相應匯聚節(jié)點中進行傳送。

4 數(shù)據(jù)處理層的設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理層是在ZigBee 網絡協(xié)調器，將數(shù)據(jù)進行接收，展開相應的處理，涵蓋的重要構成部分就是ARM 芯片模塊、開關電源模塊、工業(yè)以太網通信模塊以及液晶顯示部分、上位機處理軟件。如下圖1所示，為數(shù)據(jù)處理層的程序流程圖，按照以下的程序進行操作。

監(jiān)控主機上編寫基于LabVIEW的監(jiān)測軟件，預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。上位機監(jiān)測界面實現(xiàn)期間，為對于程序安全的管理，需要設計登錄系統(tǒng)，設置用戶名、密碼。輸入用戶名或密碼錯誤，有對話框進行提示。在實時溫濕度監(jiān)控臺中，涵蓋的重要內容就是缺陷等級參數(shù)設定、端口設定、IP 地址設定、數(shù)據(jù)實時顯示以及預測參數(shù)設定等。

結語：

在10kV 配電系統(tǒng)中，高壓開關柜屬于重要的電氣設備，通過監(jiān)測柜內接頭狀態(tài)，具備關鍵的工程價值。為了防止傳感器接觸被測物、數(shù)據(jù)有線傳輸產生的安全隱患，可以進行在線監(jiān)測開關柜及其電纜終端接頭溫度。本文中提出了一種開關柜及其電纜終端接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有良好的應用價值。

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資助項目：080004KK52210005-001 《一種導線端頭快速絕緣防護裝置研發(fā)》