侯磊

福州職業(yè)技術學院，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)中最重要的設備之一。國內(nèi)外很多公司和機構對于高壓斷路器測溫技術的研究，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解決了高壓斷路器測溫系統(tǒng)高、低壓側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牙無線傳輸方式進行數(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)總體設計

高壓斷路器無線測溫系統(tǒng)由三大部分組成：高壓側發(fā)射端、低壓側接收端和數(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的藍牙無線傳輸通道。系統(tǒng)總體設計框圖如下圖1所示。

高壓側部分主要包括CT互感器電源、溫度采集模塊、藍牙發(fā)送模塊等部分；低壓側主要包括低壓側供電電源、藍牙接收模塊、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行采集，利用藍牙傳輸將相應通道的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在低壓側利用藍牙模塊將對應通道的溫度數(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，能迅速地反應觸頭的溫度變化。

三、系統(tǒng)硬件部分設計

1、CT互感器電源

高壓側的CT電源是利用磁感應線圈在高壓母線上感應出交流電能，在供給電子裝置之前，CT電源二次側的輸出電壓還需經(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互感器的電磁感應從高壓母線電流中獲得，在為高壓側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)中主要負責讀取溫度傳感器信號，進行溫度轉換及相關處理后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍牙通信模塊，利用藍牙通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給低壓側接收端。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、藍牙無線通信模塊

高、低壓側的信號傳輸每一路需要兩個藍牙模塊，即高壓側的藍牙發(fā)送模塊和低壓側的藍牙接收模塊。對于6路觸頭的溫度傳輸，系統(tǒng)采用了6對這樣的藍牙模塊。本文都選用BLK-MD-BC04-B模塊，它是目前市場上很強大的串口藍牙模塊，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藍牙模塊的實物圖及外部引腳如圖4所示。

藍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 來進行數(shù)據(jù)的傳送，發(fā)送和接收可以同時進行。首先，對于高壓側，通過微控制器控制溫度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)進行相應的處理后，通過串口 UART傳送給藍牙模塊，即微控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)端口TXD接藍牙模塊的串口數(shù)據(jù)輸入端口UART-RX；對于低壓側，低壓側藍牙模塊將會自動接收來自每一路的高壓側藍牙模塊所發(fā)送的溫度信號，最后通過低壓側藍牙模塊的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，結構框圖如圖5所示。主要是將6組藍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顯示單元進行界面顯示以及進行高溫數(shù)據(jù)的報警等處理，也可以通過RS485總線與其它主機進行通信，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。多路開關模塊通過采用邏輯門電路來實現(xiàn)打開和關閉對應的6路待接收溫度信號，當打開第一路溫度信號時，要關閉另外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)處理控制單元負責系統(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、實驗結果

實驗以 K 型熱電偶作為標準值進行測溫校準，作為參考溫度值，與本系統(tǒng)的溫度顯示值進行比較。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觸頭的溫度變化趨勢。

六、結論

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)中的應用，并通過藍牙無線傳輸將高壓側采集的溫度信號發(fā)送給低壓側的微處理器單元進行數(shù)據(jù)處理。藍牙無線傳輸技術很好地解決了高壓側和低壓側之間的電氣絕緣問題，而且高壓側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，達到了穩(wěn)定度和精度要求。