基于無(wú)線通信的煤礦高壓開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫系統(tǒng)研究

許召亞

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041）

高壓開(kāi)關(guān)柜在煤礦電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電和電能變換過(guò)程中，進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)合、控制和保護(hù)。高壓開(kāi)關(guān)柜通常由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器、互感器、避雷器、母線等以及相應(yīng)的量測(cè)裝置、控制裝置、保護(hù)裝置、監(jiān)測(cè)診斷裝置、信號(hào)裝置等組裝構(gòu)成[1]。煤礦高壓開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期運(yùn)行在高電壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的惡劣環(huán)境中，電氣接頭部分如斷路器觸頭、母排接點(diǎn)、電纜接頭等易出現(xiàn)表面氧化、磨損現(xiàn)象[2]。開(kāi)關(guān)柜封閉式構(gòu)造的特點(diǎn)使其散熱條件較差，當(dāng)大電流通過(guò)這些部位時(shí)，容易出現(xiàn)溫升過(guò)熱現(xiàn)象，威脅礦井供電安全[3]。隨著煤礦供電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)提高礦井供電系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義。目前，常見(jiàn)的高壓開(kāi)關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)方法包括紅外線測(cè)溫、光纖和半導(dǎo)體傳感器測(cè)溫等。考慮到開(kāi)關(guān)柜動(dòng)靜觸點(diǎn)位置狹小和成本優(yōu)勢(shì)等因素，文章提出一種基于開(kāi)放頻段無(wú)線通信技術(shù)的煤礦高壓開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫系統(tǒng)，現(xiàn)針對(duì)其系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1 總體架構(gòu)

在線測(cè)溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 在線測(cè)溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

高壓開(kāi)關(guān)柜的柜內(nèi)接頭和觸頭由于制造工藝不合格、運(yùn)行損壞導(dǎo)致的接觸電阻變大，當(dāng)流過(guò)負(fù)荷電流時(shí)，尤其是在短路故障情況下極易產(chǎn)生過(guò)流過(guò)熱現(xiàn)象，從而引發(fā)安全生產(chǎn)事故[4]。由于斷路器動(dòng)觸頭要經(jīng)常進(jìn)行拉動(dòng)操作，傳感器較為困難，測(cè)溫系統(tǒng)主要針對(duì)ABC三相靜觸頭、電纜出線觸頭以及母線連接處進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主要包括3大部分：無(wú)線測(cè)溫模塊、無(wú)線溫度采集器和上位機(jī)系統(tǒng)。無(wú)線測(cè)溫模塊根據(jù)開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)安裝在柜內(nèi)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，能快速有效地反映節(jié)點(diǎn)的溫度變化，通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池使用壽命，從而減少維護(hù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括無(wú)線測(cè)溫模塊和無(wú)線溫度采集總站的硬件設(shè)計(jì)。煤礦高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空間狹小，且煤礦供電系統(tǒng)停產(chǎn)檢修時(shí)間間隔較久，因此無(wú)線測(cè)溫模塊的體積應(yīng)足夠小，通過(guò)對(duì)無(wú)線測(cè)溫電路進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，確保一個(gè)檢修周期內(nèi)不需要進(jìn)行電池更換。

2.1 無(wú)線測(cè)溫模塊電路

無(wú)線測(cè)溫模塊由處理器模塊、熱敏電阻測(cè)溫電路、無(wú)線通信接口三個(gè)部分組成。模塊選用Colibri iMX7鋰電池供電，具有高能量密度、循環(huán)使用次數(shù)高、高溫耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。處理器采用意法半導(dǎo)體（STMicroelectronic,ST）低功耗單片機(jī)STM8L051F3P6，運(yùn)行模式設(shè)置為最低功耗。NTC測(cè)溫電路使用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻組成的半橋電路進(jìn)行測(cè)溫。無(wú)線通信接口采用澤耀科技AS10-M4463D模塊，工作頻段為425～525MHz，超低功耗處理，最低功耗僅為0.5uA。同時(shí)，該無(wú)線接口穩(wěn)定性高、繞射性能強(qiáng)，嚴(yán)格計(jì)算設(shè)計(jì)了精確的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，頻譜特性好、諧波小、串?dāng)_小。相較MSP430、ATmega16L、STC89C51等同類產(chǎn)品，STM8L051F3P6單片機(jī)在工作和待機(jī)狀態(tài)下能夠保持非常低的工作電流，很好地實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)和硬件成本控制的目標(biāo)。STM8L051F3P6采用高性能8位內(nèi)核，在16MHz運(yùn)行頻率下，高達(dá)16MIPS。應(yīng)用超低功耗130nm工藝，在全溫度范圍內(nèi)超低漏電流，工作電壓低至1.8V。利用自動(dòng)時(shí)鐘門(mén)控，自帶自動(dòng)進(jìn)入低功耗功能的閃存，DAC和ADC工作電壓僅為1.8V，閃存編程電壓可低至1.65V。多種低功耗模式包括低功耗運(yùn)行模式、低功耗等待模式、活躍暫停模式，在暫停模式工作電流可以低至0.35uA。

2.2 熱敏電阻測(cè)溫電路

采用熱敏電阻作為半橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫電路。P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管有效控制熱敏電阻測(cè)溫電路電源的通斷。當(dāng)模塊處在等待或暫停狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令控制場(chǎng)效應(yīng)管，停止測(cè)溫電路供電以實(shí)現(xiàn)降低測(cè)溫模塊功耗。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極和源極之間的電阻作為泄放電阻為場(chǎng)效應(yīng)管提供偏置電壓。選用電阻值較大的10kΩ的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻能夠有效減少熱敏電阻器功率消耗，對(duì)應(yīng)型號(hào)為MFQBX-20精密型熱敏溫度傳感器[5]。測(cè)溫范圍為-40～130℃，測(cè)量精度為±1℃；電路供電電壓為3.3V，電源和接地管腳之間設(shè)104退耦電容，能夠有效減少浪涌電流。半橋電路的V0電壓公式：

通過(guò)Matlab針對(duì)熱敏溫度傳感器阻溫特性表進(jìn)行函數(shù)擬合，可得RT(T)=31.7exp(0.05279T)，其中T單位為℃，RT單位為kΩ。代入公式（1）后，當(dāng)RX為定值時(shí)，可以得出式（2），并大致畫(huà)出V0和T的關(guān)系圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，P點(diǎn)附近處斜率最大，溫度靈敏度相對(duì)曲線初始和末端也更高?？紤]到P點(diǎn)附近直線段區(qū)間是系統(tǒng)理想的測(cè)溫區(qū)間，對(duì)公式（2）二階求導(dǎo)為0，可解得考慮到實(shí)際開(kāi)關(guān)柜溫升有限，測(cè)溫范圍中點(diǎn)為40℃，代入可得RX≈3.83kΩ。

圖2 V0與T的變化趨勢(shì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)測(cè)溫模塊和采集總站兩部分。無(wú)線測(cè)溫模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為工作模式的切換和低功耗設(shè)計(jì)，而采集總站主要保障數(shù)據(jù)的接收處理。

3.1 測(cè)溫模塊軟件設(shè)計(jì)

測(cè)溫模塊安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，作為最小檢測(cè)單元進(jìn)行溫度測(cè)量、通信工作，程序流程圖如圖3所示。（1）接收、執(zhí)行溫度采集總站的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)模塊與總站之間的通信；（2）監(jiān)測(cè)熱敏傳感器工作狀態(tài)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)溫度的檢測(cè)；（3）根據(jù)需要進(jìn)行工作模式切換，包括接收、發(fā)送、空閑和睡眠模式，當(dāng)溫度不采樣時(shí)保證MCU芯片工作在低功耗模式，同時(shí)在溫度檢測(cè)過(guò)程中直接發(fā)送原始數(shù)據(jù)，不進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算。

圖3 無(wú)線測(cè)溫模塊程序流程

3.2 溫度采集總站軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線測(cè)溫總站安裝在變電所開(kāi)關(guān)柜室，實(shí)現(xiàn)功能包括如下方面：（1）接收總站通信范圍內(nèi)測(cè)溫模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和控制；（2）接收上位機(jī)的控制命令，向下級(jí)的無(wú)線測(cè)溫模塊進(jìn)行發(fā)送；（3）進(jìn)行各測(cè)溫模塊的在線顯示與記錄，能夠進(jìn)行自檢，當(dāng)測(cè)溫模塊各總站發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

4 運(yùn)行測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)一臺(tái)35kV高壓開(kāi)關(guān)柜搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，將無(wú)線測(cè)溫模塊依次安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜母線連接處。通過(guò)模擬高壓開(kāi)關(guān)柜常見(jiàn)故障檢測(cè)在線測(cè)溫系統(tǒng)的精度測(cè)量，系統(tǒng)測(cè)溫結(jié)果與高精度手持式紅外測(cè)溫儀采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，利用該測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)柜三相靜觸頭、母線連接處等節(jié)點(diǎn)的測(cè)溫誤差穩(wěn)定在±0.5℃。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生測(cè)溫故障時(shí)能夠通過(guò)狀態(tài)量準(zhǔn)確反映，無(wú)線采集總站的報(bào)警裝置能夠正確動(dòng)作。通過(guò)對(duì)無(wú)線測(cè)溫模塊不同工作模式進(jìn)行功耗統(tǒng)計(jì)，當(dāng)電池容量為6000mAh時(shí)，能量利用率為60%的情況下，測(cè)溫模塊電池的使用壽命能夠達(dá)到17284.5h≈2年，故測(cè)溫模塊電池能夠可靠工作1年以上，避免高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電池頻繁更換。

表1 運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：℃

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)煤礦高壓開(kāi)關(guān)柜的高壓、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境，文章基于無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套在線測(cè)溫系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)以及運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)具有功耗低、測(cè)量精度高、可靠性高的特點(diǎn)，避免了布線連接的安全隱患和停產(chǎn)檢修期內(nèi)的電池更換，對(duì)保障煤礦供電安全運(yùn)行具有重要意義。