智能化氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）無線測溫系統(tǒng)設計

陳宏　解曉輝　楊澤超　尤婷　呂梅蕾

【摘 要】針對智能化氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）存在高壓，空間封閉狹小，無法進行人工巡查測溫等問題，提出了一種基于ZigBee智能化氣體絕緣金屬封閉開關設備無線測溫系統(tǒng)的設計方案，介紹了無線傳輸模塊的組成及工作原理，闡述了無線測溫系統(tǒng)的硬件組成及監(jiān)控計算機監(jiān)控軟件的設計。該系統(tǒng)將傳感器安裝在被測物體表面，在線測量測溫點溫度后，通過紅外傳輸方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝在開關柜柜門表面的溫度采集器中，溫度采集器將其傳送到監(jiān)控計算機處理，當所測溫度超過預設報警值時，系統(tǒng)自動報警，提醒工作人員及時采取適當?shù)拇胧?/p>

【關鍵詞】氣體絕緣金屬封閉開關；無線測溫；設計

【Abstract】For the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear（GIS）， high-pressure closed space is narrow， not manually inspect temperature measurement. Put forward a ZigBee based the Artificial Intelligence Gas-insulated Switchgear design scheme of wireless temperature measuring system. Introduces the composition and working principle of wireless transmission module， wireless temperature measuring system of the design of the hardware composition and the monitoring computer monitoring software.

【Key words】GIS； Wireless temperature measurement； Design

0 引言

變電所的高壓開關柜是重要的電器設備，在長期的運行過程中，開關柜中的母線接點、高壓電纜接頭等部位因老化或者接觸電阻過大而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至發(fā)生擊穿而造成事故。

在對智能化氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）設備的監(jiān)測中，溫度是一個重要指標[1-2]。溫度過高會導致金屬和絕緣材料的機械強度、絕緣強度降低，使用壽命減少，甚至會引起電氣設備發(fā)熱故障，導致事故的發(fā)生[3-4]。在目前的GIS設備溫度監(jiān)測方法中，基于無線網(wǎng)絡的GIS設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱無線測溫系統(tǒng)）采用全自動化運行方式，相比傳統(tǒng)使用紅外溫度探測儀[5]或熱成像儀的方法，節(jié)省了大量人力物力，且避免了需要定期監(jiān)測的缺陷。該系統(tǒng)無需考慮布線問題，相比使用有線線路[6-7]的在線監(jiān)測方法，減少了對變電站空間的占用。綜合各方面考慮，無線測溫系統(tǒng)將會被大范圍推廣。

1 氣體絕緣金屬封閉開關

GIS是將斷路器、隔離開關、接地開關、母線、互感器等主要元件裝入密封的金屬箱體，其里面充滿SF6低壓氣體作為絕緣以及滅弧介質。GIS設備的主要特點包括安全可靠、環(huán)境耐受力很強、安裝工作量小、可靠的導電性能、絕緣可靠性強等等。通過密封殼體預留的插座孔由插接式電纜終端實現(xiàn)僅出現(xiàn)，保證點恩那個的安全高效傳輸；適用于對尺寸和可靠性要求較高和自然條件相對惡劣的場所[8]。

2 無線測溫工作原理

2.1 無線測溫系統(tǒng)設計

圖1 系統(tǒng)結構圖

基于ZigBee智能化氣體絕緣金屬封閉開關設備無線測溫系統(tǒng)由若干個傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點（傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)）和上位監(jiān)控中心等三個部分構成。其中傳感器節(jié)點課擴展至多個，由協(xié)調器節(jié)點匯聚各傳感節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS連入Internet，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程端，進行數(shù)據(jù)分析。紅外傳輸模塊利用光信號進行傳輸，不受電磁場的干擾，具有很強的抗電磁干擾能力；它功耗低，休眠電流僅為5μA，可靠地保證了電池的使用壽命。因此，在高壓開關柜這種封閉環(huán)境下，它能很好地滿足傳輸要求。如圖1所示。

2.2 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點（傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)）也就是傳感系統(tǒng)整個開關柜測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)的終端設備，由傳感器、微處理器和無線模塊構成以及無線測溫系統(tǒng)的總體結構圖結構圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結構圖

圖3 無線測溫系統(tǒng)總體結構

2.3 協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調器節(jié)點由無線模塊、微處理芯片組成，位于傳感器節(jié)點之間的中心位置。協(xié)調器節(jié)點主要負責管理與它相連的所有的傳感器節(jié)點，同時接收來自傳感器節(jié)點的溫度信息數(shù)據(jù)（圖3），最后將接收到的所有的傳感器節(jié)點的溫度信息數(shù)據(jù)通過RS485傳輸給監(jiān)測平臺的PC機。協(xié)調器結構圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調器結構圖

3 上位監(jiān)控中心

協(xié)調器節(jié)點從傳感器節(jié)點處收集到監(jiān)測點的溫度，并送到監(jiān)控計算機[9]，監(jiān)控計算機的主要任務是接受、處理溫度數(shù)據(jù)并將溫度顯示出來。當溫度超過限值時自動報警，并形成溫度曲線和報表。

監(jiān)控計算機具有以下功能：

（1）實時顯示監(jiān)視部位的溫度數(shù)據(jù)；

（2）當溫度超過限值時，進行報警；

（3）可以根據(jù)溫度數(shù)據(jù)繪制曲線并生成報表。

3.1 屏幕顯示

屏幕顯示是系統(tǒng)主要功能的體現(xiàn)，即進行實時溫度顯示，用戶可以通過單擊進線開關柜和出線開關柜獲得測溫點的實時溫度。一旦溫度超過報警溫度值，將會以聲音、對話框和紅色溫度字體提醒用戶檢查。

3.2 溫度曲線

繪制溫度曲線總共分為3類：實時曲線、日曲線和年曲線。實時曲線建立在實時溫度表的基礎上，而日曲線和年曲線建立在歷史數(shù)據(jù)表的基礎上。通過輸入采集點的編號和時間即可得到各種溫度曲線，在輸入采集點編號的同時同樣會出現(xiàn)所屬變電所和線路的名稱，以便用戶能很快找到對應點進行相應的操作。

3.3 技術路線圖如圖5所示

3.4 項目系統(tǒng)特點

（1）本設計要達到監(jiān)測多個節(jié)點溫度的目標，那么在硬件設計過程中，應盡量使用各總線技術，以節(jié)約系統(tǒng)有限的I/O資源，盡量簡化系統(tǒng)電路；

（2）在大電流、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾（EMC）環(huán)境中，對微弱信號采集是極其不利的，要保證傳感器能采集到真實信號并不失真的送入PIC；

（3）在大電流、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾（EMC）環(huán)境中，解決PIC裝置的抗干擾問題，從硬件、軟件兩個方面同時考慮，采用增加濾波器、PCB合理布線、軟件濾波、看門狗等等措施。

圖5 技術研究路線圖

4 結束語

基于紅外傳輸?shù)臒o線測溫系統(tǒng)有效地解決了開關柜在線監(jiān)測溫度難的問題。本設計應用于氣體絕緣金屬封閉開關（GIS），可以對GIS中的溫度變化進行檢測，而且能夠根據(jù)GIS設備中溫升狀況進行監(jiān)測、預警。盡管GIS的運行可靠性非常高，但在其運行過程中，內(nèi)部缺陷仍可能引起事故，一旦發(fā)生故障，必將引起所轄局部地區(qū)乃至全部地區(qū)停電。絕緣故障始終是影響GIS可靠性的重要因素之一，為保障設備的安全運行，應對GIS設備的過熱部位進行溫度檢測，對設備溫升狀況進行監(jiān)測、預警。用戶可以通過上位監(jiān)控中心查看各個節(jié)點的狀態(tài)。本系統(tǒng)與其他GIS測溫方法相比，本系統(tǒng)具有安全、精度高、非接觸等優(yōu)點，具有很大的前景。

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[責任編輯：王楠]