馬興端

(浙江省電力公司舟山啟明電力設(shè)計院,浙江舟山 316000)

基于開關(guān)柜實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究

馬興端

(浙江省電力公司舟山啟明電力設(shè)計院,浙江舟山 316000)

紅外測溫精度低是高壓開關(guān)柜實時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到的問題。本文結(jié)合單片機技術(shù),通過采用間接提高金屬Cu、A1的紅外輻射率的方法解決了采用紅外測溫技術(shù)測量金屬Cu、Al溫度的自動校準(zhǔn)和定標(biāo)問題,從而提高了紅外測溫的精度,最終實現(xiàn)了對高壓帶電導(dǎo)體的實時溫度監(jiān)測,滿足了高壓電力系統(tǒng)中電纜接頭和開關(guān)觸點溫度進行實時監(jiān)控的需求。

開關(guān)柜 實時 監(jiān)測 研究

在開關(guān)柜實際應(yīng)用中，對高壓開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)電連接處的溫度進行實時監(jiān)測是非常必要的。利用紅外測溫技術(shù)可以實現(xiàn)對高壓帶電物體溫度的非接觸式測量，很好地解決了接觸式測溫方法和光纖傳感器測溫方法所存在不足。本文采用在與靜觸點連接的Cu排(或Al排)附近套上熱縮膠套，實現(xiàn)間接增大Cu排(或Al排)的紅外線輻射率，然后通過大量的實驗獲取相應(yīng)的校正系數(shù)，結(jié)合單片機強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)自動校準(zhǔn)和定標(biāo)的功能，較好地滿足了實際測量的需求。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由PIC單片機PICI8LF、紅外溫度數(shù)據(jù)采集模塊VTIR-3816定標(biāo)參考數(shù)據(jù)采集電路18B20和無線通信模塊NRF905組成。

1.1 PIC單片機

考慮到開關(guān)柜內(nèi)部強大的電、磁場環(huán)境和系統(tǒng)的需求，選用抗電磁干擾能力強的PIC單片機PICI8LF作為中央處理器。PICI8LF集成了10位AD轉(zhuǎn)換器及SPI接口模塊，具有32 K的程序存諸空間、1536字節(jié)的數(shù)據(jù)存諸空間及256字節(jié)的EEPROM，不僅符合系統(tǒng)的應(yīng)用需求，還可以大大簡化外圍電路。

紅外溫度數(shù)據(jù)采集模塊輸出的信號經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理電路的濾波和放大處理后，直接經(jīng)PICI8LF內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字信號，與來自定標(biāo)電路的參考(現(xiàn)場)溫度數(shù)據(jù)通過PICI8LF進行比較處理，獲得定標(biāo)所需的校正系數(shù)，自動實現(xiàn)測量系統(tǒng)的定標(biāo)操作。此外，無線通信模塊在PICI8LF的控制下，將校正后的溫度數(shù)據(jù)以無線通信方式傳給上位機，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的集中處理和存儲。

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)監(jiān)測項目選擇合適的傳感器，是故障診斷準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。本模塊中選用的是光譜響應(yīng)波段為8-14μm熱電堆紅外傳感器VTIR3816該波段可以有效避免大氣塵埃和水汽對紅外線傳輸中的衰減，可有效濾除因雜散光產(chǎn)生的噪聲以及環(huán)境溫度突變引起的輸出信號漂移，具有很強針對性的紅外輻射探測能力。VTIR3816的距離系數(shù)比為10：1。本項目的測量對象是10kV高壓開關(guān)柜，柜內(nèi)Cu(或A1)排的寬度為80-150mm，因此傳感器安裝在距被測物體表面800-1500mm的位置上，該距離大于10kV電氣安全距離700mm，可滿足絕緣和電氣安全的要求。

該紅外傳感器的輸出為較弱的雙極性電流信號，需經(jīng)過調(diào)理放大之后，獲得AD轉(zhuǎn)換所需的單極性電壓信號。

1.3 定標(biāo)參考數(shù)據(jù)采集電路

采用測溫性能穩(wěn)定的18B20數(shù)字溫度傳感器作為本模塊電路的核心。工作電壓為3.0-5.5V，測量范圍為-55-125℃。測量精度在-10-85℃內(nèi)范圍內(nèi)為±0.5℃，輸出為數(shù)字信號，抗干擾能力強，且不需要外部元件，符合本系統(tǒng)設(shè)計的需求。

1.4 無線通信模塊

無線通信模塊NRF905共有3個頻段：433 /868 /915MHz，工作電壓為27-33V，采用FSK /GM-SK調(diào)制方式，最大輸出功率為+10dBm，硬件集成CRC校驗功能，最大工作速率可達72 8Kbit/s，滿足本系統(tǒng)設(shè)計需求，該模塊的使用，可大大簡化現(xiàn)場的布線安裝及維護。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷程序構(gòu)成。主要包括AD轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)據(jù)顯示、報警判斷及處理模塊。

中斷采用優(yōu)先級處理方式主要實現(xiàn)系統(tǒng)的定時處理、無線數(shù)據(jù)通信及串口通信的響應(yīng)。

3 溫度的標(biāo)定和校正

3.1 間接增大紅外輻射率的方法

影響紅外測溫精度的因素比較多，除了受到儀器本身影響外，還有被測物體表面的發(fā)射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測量距離、環(huán)境溫度等因素的影響.尤其在本系統(tǒng)中，所監(jiān)測的對象為Cu排(或A1排)。而對于表面拋光的Cu、A1材料而言，其紅外輻射率不會超過0.l0，在溫度從17-100℃之間變化時，使用紅外傳感器直接檢測Cu排(或A1排)表面溫度，紅外傳感器輸出電壓僅有40mV的變化量，采用10位AD轉(zhuǎn)換器和25V基準(zhǔn)電壓，理想情況下的分辨率約為5.1℃，若考慮到傳感器本身和測量系統(tǒng)的誤差，其分辨率將更低。本文采用在與靜觸點連接的Cu排(或A1排)附近套上具有較大紅外輻射率的熱縮膠套，間接增大Cu排(或A1排)的紅外線輻射率，結(jié)果表明紅外傳感器輸出電壓變化量、相同條件下的分辨率比直接測量提高10倍以上，同時系統(tǒng)基本保持線性特性。

3.2 溫度的定標(biāo)

溫度的定標(biāo)取決于測量溫度是否反映Cu排(或A1排)溫度的實際值，因此選用測溫性能穩(wěn)定、精度較高的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實驗時將其緊貼于Cu排(或Al排)表面，以獲取Cu排(或A1排)的實際溫度值，然后將紅外傳感器對準(zhǔn)Cu排(或A1排)套有熱縮膠套的部位，用恒溫箱進行溫度的調(diào)節(jié)，待充分熱平衡后進行測量。

溫度的定標(biāo)操作必須在高壓開關(guān)柜啟用前進行，即必須保證被測Cu排(或A1排)的溫度與環(huán)境溫度一致的條件下進行，否則會產(chǎn)生較大的測量誤差。

4 結(jié)語

本文所研發(fā)的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由PIC18LF單片機和VTIR-3816紅外測溫傳感器構(gòu)成，采用在Cu排(或A1排)外部套熱縮膠套的方法，間接增大Cu排(或Al排)的紅外輻射率，然后利用單片機對數(shù)據(jù)的處理能力，將檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場環(huán)境溫度進行比對獲得測量溫度的校正系數(shù)，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自動定標(biāo)和線性校正。

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馬興端(1979—),男,本科,工程師,舟山啟明電力設(shè)計院線路室主任兼配網(wǎng)室主任,220以下輸變電工程項目設(shè)計總負(fù)責(zé)人。