摘要：針對(duì)開關(guān)設(shè)備觸頭發(fā)熱問題，設(shè)計(jì)一種無線測(cè)溫裝置。該測(cè)溫裝置的傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2430芯片與數(shù)字溫度傳感器DS18B20構(gòu)成，利用ZigBee協(xié)議，以無線方式把觸頭溫度數(shù)據(jù)送至協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)溫度的顯示與報(bào)警。試驗(yàn)表明，該裝置穩(wěn)定性好，能很好地滿足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：開關(guān)設(shè)備 傳感器節(jié)點(diǎn) ZigBee 測(cè)溫在線

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能的依賴性很高，尤其是用電密度大的地區(qū)，因而對(duì)供電設(shè)備可靠性提出了要求。目前普遍使用的手車式開關(guān)設(shè)備，其斷路器與開關(guān)設(shè)備間采用插頭連接，當(dāng)手車與開關(guān)設(shè)備觸頭接觸不良時(shí)，接觸電阻會(huì)增大，引起觸頭溫升過高，甚至燒毀，該現(xiàn)象在大電流開關(guān)設(shè)備上尤為突出，且影響很大。另外，電力系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中常出現(xiàn)的表面氧化腐蝕、緊固螺栓松動(dòng)、觸點(diǎn)和母線排連接處老化等問題，亦會(huì)造成設(shè)備過熱，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。

現(xiàn)有的開關(guān)設(shè)備觸頭測(cè)溫主要有普通測(cè)溫、紅外測(cè)溫和光纖測(cè)溫方式。普通測(cè)溫方式需要金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，絕緣性能得不到保證；紅外測(cè)溫方式使用的紅外成像儀又無法透過柜門測(cè)量?jī)?nèi)部設(shè)備溫度；光纖測(cè)溫方式使用的光纖易折斷、不耐高溫，且在柜內(nèi)布線難度較大，造價(jià)高。因此，本文針對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備，開發(fā)了由CC2430芯片與數(shù)字溫度傳感器DS18B20構(gòu)成的無線測(cè)溫裝置來測(cè)量觸頭溫度，并運(yùn)用射頻技術(shù)對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行無線傳輸，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備溫度的在線監(jiān)測(cè)。

1、測(cè)溫裝置硬件設(shè)計(jì)

開關(guān)設(shè)備在線測(cè)溫裝置總體結(jié)構(gòu)如圖所示,主要由無線溫度傳感器、協(xié)調(diào)器組成。無線溫度檢測(cè)單元安裝在開關(guān)設(shè)備需測(cè)溫部位,協(xié)調(diào)器安裝在開關(guān)設(shè)備儀表室。無線溫度傳感器、協(xié)調(diào)器間通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。每臺(tái)開關(guān)設(shè)備通常配置個(gè)無線溫度傳感器,分別安裝在每相的上下觸頭處。

無線溫度傳感器包括CC2430芯片和數(shù)字溫度傳感器DS18B20及其外圍電路。CC2430芯片是內(nèi)部集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻（RF）收發(fā)器的無線單片機(jī)；數(shù)字溫度傳感器DS18B20直接通過單線與CC2430單片機(jī)I/O連接。

協(xié)調(diào)器主要完成對(duì)測(cè)溫終端上傳的溫度數(shù)據(jù)的處理與現(xiàn)場(chǎng)顯示,并按照通信規(guī)約把溫度數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)；此外還將測(cè)得的溫度與設(shè)置的預(yù)警值進(jìn)行比較,若有異常,則輸出報(bào)警信號(hào)。

2、無線溫度傳感器的供電

目前,無線溫度傳感器主要由電池供電或電流互感器供電。采用電池供電需要經(jīng)常更換電池,不僅增加了勞動(dòng)強(qiáng)度,而且在開關(guān)設(shè)備運(yùn)行工況下還存在更換電池困難等缺陷。采用電流互感器從母線取電流,存在母線電流不穩(wěn)定,過電壓和過電流對(duì)取能電源帶來損壞等缺點(diǎn),因此需要大量的穩(wěn)壓和保護(hù)措施。根據(jù)產(chǎn)品的使用情況及電網(wǎng)公司的相關(guān)要求,本文設(shè)計(jì)采用電池供電方案,選用高性能電池給無線溫度傳感器供電,電池使用年限可達(dá)4年以上。

3、ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)實(shí)際上是采用IEEE802.15.協(xié)議的新一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。試驗(yàn)表明,2.4GHz無線信號(hào)在強(qiáng)磁場(chǎng)、高溫、高壓環(huán)境中的直線傳播性能較好,因而數(shù)據(jù)的傳輸能力強(qiáng)、可靠性高。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee射頻發(fā)射所需的功率較低再加上處理器支持多種休眠模式,ZigBee技術(shù)可以確保2節(jié)五號(hào)電池持續(xù)使用6個(gè)月到2年左右。ZigBee技術(shù)的整個(gè)硬件成本低,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大,具有自組、自動(dòng)路由和自愈功能,且工作在2.4GHz免執(zhí)照頻段，是實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理想解決方案。

4、軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的主程序流程如圖2所示。控制器上電后,分別對(duì)串口模塊、液晶模塊、I/O端口進(jìn)行初始化接著,向傳感器接點(diǎn)索要各路溫度傳感器的溫度值,在獲得正確溫度值后將其保存在特定的存儲(chǔ)單元接著,檢查是否收到上位機(jī)獲取溫度命令,若收到則上傳溫度值接著,程序掃描按鍵與判定闌值并采取相應(yīng)動(dòng)作顯示當(dāng)前溫度值,并進(jìn)人下個(gè)循環(huán)。軟件設(shè)計(jì)時(shí),在保證準(zhǔn)確的前提下,應(yīng)盡可能地降低功耗。具體設(shè)計(jì)為測(cè)量溫度小于60℃時(shí),每5min發(fā)送1次溫度數(shù)據(jù),其中,定時(shí)時(shí)間由睡眠定時(shí)器計(jì)時(shí),時(shí)間到則切換模式發(fā)射數(shù)據(jù),其它時(shí)間則使發(fā)送模塊處于睡眠狀態(tài),從而使發(fā)送模塊大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)當(dāng)測(cè)到的溫度與上次溫度差大于5℃,或溫度大于60℃時(shí),則每5s發(fā)送1次溫度數(shù)據(jù)。

5、測(cè)溫裝置實(shí)驗(yàn)

在線測(cè)溫裝置經(jīng)國家檢測(cè)部門進(jìn)行電磁兼容、通信距離、測(cè)量精度、振動(dòng)等項(xiàng)目的檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。其中溫度測(cè)量精度檢測(cè)結(jié)果見表1。

由表1可知,該裝置的測(cè)量誤差在士2℃以內(nèi)。為驗(yàn)證測(cè)溫單元在高壓環(huán)境下能正常工作,將測(cè)溫單元安裝在開關(guān)設(shè)備主母排上。通過試驗(yàn)設(shè)備在母排上加上10kV和42kV高壓,裝置接收數(shù)據(jù)正常,說明測(cè)溫單元能在正常高壓環(huán)境下工作,也能適應(yīng)開關(guān)設(shè)備出廠試驗(yàn)時(shí)的工頻耐壓試驗(yàn)。

6、安科瑞無線測(cè)溫產(chǎn)品介紹

a.電池供電型無線溫度傳感器

安裝于發(fā)熱部位，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

目前無線溫度傳感器有三款：

b.CT感應(yīng)取電無線溫度傳感器

安裝于斷路器觸頭、母排、電纜搭接點(diǎn)等大電流處，采集溫度量并通過無線方式傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

目前無線溫度傳感器有兩款：

產(chǎn)品方案：ATE400

典型配置：ATE400

典型配置：ATP系列

7、結(jié)束語

該開關(guān)設(shè)備在線測(cè)溫裝置采用CC2430芯片和數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取數(shù)據(jù),理想地實(shí)現(xiàn)了高壓測(cè)溫一次設(shè)備與二次監(jiān)測(cè)設(shè)備的電隔離,保證了系統(tǒng)的安全可靠性同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量,很好地解決了高壓環(huán)境下母線溫度檢測(cè)問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張東亮.一種無線在線測(cè)溫裝置在 高壓開關(guān)設(shè)備 中的應(yīng)用[J].電工電氣，2009（5）：34~36。

[2]沈建位，方增，黃曉霞，衛(wèi)國鵬，呂曉蓉，開關(guān)設(shè)備在線測(cè)溫裝置的研制。

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版。