电力高中压开关设备应用无源无线温度监测系统的研究

梁凯斯

摘要：本文针对中高压电力开关设备温度在线监测的需求，基于温差发电技术、热力学仿真技术、低功耗电源管理技术、测温芯片技术、信号无线传输技术、网络通讯技术、组态软件应用技术，研制开发了数字式无源无线温度监测系统。传统的电力设备主要是接触式和非接触式两种测温方式，非接触式是指日常的红外测温方法，这种测温方式比较传统，但是在最后的测温结果很容易受环境的影响，不是十分的准确，另外一种是接触式的方式，这种测温效果比较准确，在精度上也相对提高。但是前提是要保证电源和传输信号的稳定。

关键词：数字温度传感器温差发电低功耗设计

一、电力系统设备温度监测的必要性

在社会经济建设发展的今天，由于各行各业对电力的需求，相对电力系统对电力供电可靠性的要求越相应的严格提高，我国在相关行业中的调查也发现在电力运行中的中高压电力设备，很多故障的发生都是操作机构引起的，特别是配电设备的开关柜中插头接触不好，和长期运行的结果，还有就是配电设备各连接点接触处由于长期过载高温引起的故障；容易发生电力事故和长时间的停电，造成更大的损失，因而为了减少此类事故故障的发生，有必要在中高压配电设备中实施温度监控，在超过额定温度时会实行报警警示，这样就有效的控制设备的运行寿命，提高供电可靠，确保电力设备和系统的安全稳定运行。

二、电力系统设备温度监测的现状

电力系统中高压开关柜等设备一般安装于室内及地下室，外加全密封柜体保护，这样就会使内部操作机构等长期在温度高的环境下持续运行。加上在这样的高电压和大电流通过的环境中，必须要监测仪器和被监测对象间进行有隔离，温度监测技术当前存在的问题主要包括以下两个方面：

1）传感器前端电源如何解决的问题：

由于电力系统中高压开关柜等设备一般安装于室内及地下室，外加全密封柜体保护，内部温度高，长期通过电流大，周边的环境复杂，这样在选接电源时要考虑其散热等情况。一种是使用社会上普通的电池，由于这种电池有一定的寿命使用时间，无法连续不断长时间供电，也不能确保能不能忍受到封闭式室内的环境，也需要通过系统定时地工作来满足功耗需求。另外一种是使用光伏电池，如果是使用光伏电池的话，就需要在室内要有长期的灯光照明来保证其光伏电池的能量储备来源。这样的话，就会对室内照明系统造成影响，减少其使用寿命。万一刚好照明电源坏了，没有及时发现的话，就不能提供光源给光伏电池，这样就会使监测系统在监测过程中中断，不能实时的监测到中高压开关设备的温度。

在现有的无线传感网络中，传感器节点大部分使用电池供电的方式。目前商用的电池寿命普遍2-5年，需要定期更换或维护，增加了传感器节点的维护成本。很多低功率无线传感器和控制器的供能系统正在逐步采用其他方式来源代替，利用物理电源产生电能转换正在成为许多应用领域的适用电源，当然也是无线传感器供能方式的探求方向。因此结合现有使用环境（监测发热电气连接点温度）开发一种热电能量收集系统为无线传感器节点供电成为可能。

2）如何解决信号的传输；

目前传统的信号传输方式是通过有线线路来解决，但是在电力系统中，容易受到电磁等干扰，要解决高低压电位的隔离问题，这时仍采用有线传输的方式就很困难。

国内外目前对于电力系统中中高压开关设备温度的在线监测，主要采用非接触式和接触式两种方式，非接触式是指日常普通的红外测温，则使用特定的仪器对要被测对象进行定点定时的测量，其主要是通过远外红波来判断要测量点的温度，这样就会增加工作人员的工作时间和工作任务。特别是红外测温枪、红外测温仪等仪器，是很多国内外专家研究的课题，因为这是一种对运行设备的温度变化的直接测量方式，会受到很多的因素影响，比如距离、视角、点对点的准确性。而且红外测温没有办法穿透柜体等实物，需要打开设备，这样存在着一定的设备和人身安全风险。再者，就是在测量过程中容易受到距离、视角、点对点的准确性影响，会对测量的结果产生偏差，无法百分百之准确。另外一种接触式的测量将能取得更高的精度，而且可以采用高集成度的数字式温度传感器方便地低成本地实现温度监测（温度小于155℃）。与红外测温技术相比较，接触式的测温技术还不易受到安装条件的限制，抗干扰能力更强，成本也低了很多，比较适合于在开关柜内部使用。

本文将温差发电技术、热力学仿真技术、低功耗电源管理技术、测温芯片技术、信号无线传输技术、网络通讯技术等专业来制开发数字式无源无线温度监测系统。本文研究的温度监测系统采用测温芯片测温，温差发电芯片和电源管理电路供电。考虑到故障时开关柜内部母線导电连接处温度变化是一个相对缓慢的过程，因此系统可以采用定时测温（1分钟一次）的方式，另外，发射机采用了低功耗设计，最大限度的降低了对发电芯片环境温差的要求，并通过2.4G或433M无线频段传输数据，与其他方法相比成本低廉、体积小，可靠性高，测量的精度也能够得到了很好的保证。这样无源无线传感器通过无线信号在由天线接收到信息后激励振荡器启动工作，当信号接近振荡器的工作频率时，振荡器储能达到了最大，而且其反射信号也达到了峰值，读卡器在问询信号断开后，振荡器持续振荡时接收到应答信号，调解并监测信号的幅度，以此来获取传感器应答信号的幅度-频谱分布，再根据幅度-频谱分布，可以计算出当前的工作频率，并通过计算得到对应的温度值。

第二个重要的环节就是保证测量的精度，在分析数据时，也要对数据在传输过程中的的可靠性进行研究分析，主要关注的技术条件有以下几点：

1）首先要考虑的是传感器是无需供电的，而且安装维护要简单，必须安全可靠，接着就是无电池使用寿命问题的。

2）传感器与读卡器之间是采用无线通信的，在室内室外、恶劣天气下均可以安全的使用，传感器采用差值方式计算温度，长期使用无频偏等问题出现。

3）考虑到测试系统是用于监测加以高电压，通以大电流的母线电连接处的温度，电子线路都处于强磁场、强电场甚至出现电晕现象的环境中，因此在使用过程中必须支持软件报警、本地声光报警和短信报警等。

四、小结

本文主要研究了基于温差发电技术、热力学仿真技术、低功耗电源管理技术、测温芯片技术、信号无线传输技术、网络通讯技术、组态软件应用技术的数字式无源无线信号传输电力设备温度在线监测系统。针对现有各种温度测量方式的缺陷，对系统的硬件、软件、结构进行了设计，并对其在开关设备温度在线监测中应用的可行性进行了实验验证。