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本方案根據供電企業(yè)的實(shí)際需要，采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)設計了一種新型電纜接頭溫度監測系統終端。它位于各電纜接頭處采集溫度數據和電纜電流數據，通過(guò)近距離微功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)將分接箱中的測量數據匯集于位于分接箱底部的數據集中器，再上傳至監控中心的PC，實(shí)現了城市供電電纜分接箱電纜接頭運行溫度和電流的低成本在線(xiàn)可靠監測。 硬件電路設計 測量原理 實(shí)際運行經(jīng)驗和理論分析均表明，電纜接頭處發(fā)生的各類(lèi)故障并不是一個(gè)突發(fā)的過(guò)程，是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，通常表現為電纜接頭處溫度不斷升高。此外，在電力系統中，電力設備存在負載電流與溫度正相關(guān)的規律:當負載電流增大時(shí)會(huì )出現溫度升高，而負載電流減小時(shí)會(huì )出現降溫的現象。 分接箱電纜接頭表面溫度是反映其運行狀態(tài)的重要參數。對電纜接頭溫度進(jìn)行不間斷地監測和統計分析，可使運行人員全面掌握其工作狀況，及時(shí)了解電纜接頭的老化情況，在必要時(shí)結合生產(chǎn)情況提出檢修計劃，避免或減少故障的發(fā)生，提高供電系統安全性、可靠性，從而促進(jìn)供電企業(yè)增收節支，提高經(jīng)濟效益。 根據分接箱電氣安全規程，相與相接頭之間空間距離不小于1cm，接頭與分接箱側壁和頂部的空間距離不小于15cm，各接頭與三芯電纜分裂處垂直距離不小于70cm。分接箱電纜接頭導體外部為絕緣護套層，而絕緣護套層表面實(shí)際上存在著(zhù)幾百伏至上千伏不等的電壓。電纜接頭導體溫度主要取決于通過(guò)導體中的電流I、接觸電阻R和環(huán)境溫度TE，在通過(guò)電流和環(huán)境溫度變化不大的情況下，主要受接觸電阻的影響。測點(diǎn)溫度為接頭導體溫度T和環(huán)境溫度TE的分溫，通過(guò)它雖不能直接測出接頭導體部分的實(shí)際溫度，但在現場(chǎng)環(huán)境情況下，它與接頭導體溫度近似成線(xiàn)性關(guān)系。因此，對于分接箱電纜接頭溫度的監測，主要測量電纜接頭表面溫度與通過(guò)電纜接頭的電流，以及分接箱環(huán)境溫濕度等。 供電系統設計 監測終端供電電路的設計思想是，利用特制線(xiàn)圈從電纜感應出一定功率的交流電壓，通過(guò)整流、濾波和穩壓之后，提供給監測終端。電流大致在10A"300A范圍的中高壓電纜上的交流電壓，之后利用整流、濾波電路將交流變?yōu)橹绷�，利用穩壓電路將約為5V的直流電壓變?yōu)?3.3V的直流恒壓供給監測終端。另外，為了防止在電纜大電流情況下，特制線(xiàn)圈感應電壓過(guò)大導致后端電路燒毀，為電路增加了過(guò)電壓保護電路，起到保護器件的作用。如圖1所示。 該電路設計的難點(diǎn)主要在于，電纜電流較小時(shí)，要盡量保證電源的供應;而當電纜處于大負荷運行狀態(tài)，甚至是短路故障電流時(shí)，要給予電源板足夠的保護，不能損壞器件。 該電源包括供能線(xiàn)圈，整流濾波穩壓電路，控制線(xiàn)圈，控制電路以及防雷保護電路。 供能線(xiàn)圈為特制的小型CT(電流互感器)，利用電磁感應從電纜獲得能量。該裝置選用飽和磁感應強度較低、導磁率較高的硅鋼片制作鐵芯。供能線(xiàn)圈/控制線(xiàn)圈以及整流濾波穩壓電路，控制電路和防雷保護電路與監測終端固定在鐵芯一側，便于減小體積和重量。根據電磁感應原理，確定線(xiàn)圈的匝數，保證電纜電流在10A以上時(shí)可提供穩定的3.3V穩壓輸出。供能線(xiàn)圈的輸出接防雷保護電路后，再連接到整流濾波穩壓電路。 由于高壓電纜上運行的電流變化范圍大，且暫態(tài)電流在達到數十倍的額定電流時(shí)還要保持電源穩定，要保證電流在達到300A時(shí)電源還能正常工作。電纜電流過(guò)大時(shí)感應線(xiàn)圈的鐵芯處于磁飽和狀態(tài)。鐵芯飽和后，磁化曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性關(guān)系，感應電勢變?yōu)轭?lèi)似脈沖波，導致穩壓電源模塊輸入電壓過(guò)高燒毀，不利于電源的實(shí)現。 本設計增加了一個(gè)控制繞組和控制電路，當電纜電流過(guò)大，獲取能量過(guò)多時(shí)，控制供能線(xiàn)圈感應電壓在適當的工作范圍。 電路設計 系統硬件結構圖如圖2所示。系統核心控制芯片采用時(shí)代民芯MXT8051，XT8051是以高速單指令周期8051為核的MCU。電路擁有豐富的外設，包括PWM、UART、WDT，Timer等，大容量存儲器，內嵌32Kx8可在線(xiàn)編程flash，10位AD，8位DA，若干OP，3* LCD driver、POR以及可編程增益放大器(PGA)等模擬電路。電路集成片上調試系統，通過(guò)標準JTAG接口，快速診斷復雜SoC，該調試系統具有不占用任何硬件資源即可進(jìn)行全速和單步運行、支持硬件斷點(diǎn)、軟件斷點(diǎn)、以及觀(guān)察內部特殊功能寄存器、程序指針和內部RAM等功能。上位機通過(guò)標準JTAG接口以及用戶(hù)定義指令執行在線(xiàn)編程和在線(xiàn)調試。同時(shí)提供調試和編程軟件包，該CPU可輕松滿(mǎn)足系統控制要求。 nRF24L01芯片是挪威Nordic公司推出的2.4GHz單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，該芯片具有接收靈敏度高、外圍電路少、發(fā)射功率低、傳輸速率高、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，它工作在2.4GHz自由頻段，支持多點(diǎn)間通信，其最高傳輸速率達1Mb/s。它采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401A沒(méi)有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶(hù)透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。 算法及軟件實(shí)現 溫度監測和電流監測的實(shí)現 系統需監測電流和溫度。溫度監測使用了DS18B20芯片，這是一種單總線(xiàn)溫度傳感器。本系統共有6路溫度信號，需要6只溫度傳感器，它們掛在一條總線(xiàn)上。操作過(guò)程為：單片機預存這6個(gè)溫度傳感器的序列號，首先初始化總線(xiàn)上所有的溫度傳感器，尋找第一路溫度傳感器，發(fā)出溫度轉換命令，500ms后，再次匹配此溫度傳感器，匹配正確后，讀溫度暫存器的內容，最后將溫度寄存器的內容轉換成十進(jìn)制數值存入單片機的緩沖區內。 電流監測采用CT實(shí)現，先用100比1的CT從電纜上得到一個(gè)交變電流，在二次回路側加入一只0.01Ω的采樣電阻，將電流值轉變成電壓值，此電壓值經(jīng)過(guò)運放LM358比例變換成單片機AD可采集的范圍，信號送入單片機。單片機采集到信號后，乘以比例變系數，并轉換成有效值后顯示。 系統功能的實(shí)現 系統功能實(shí)現如圖3所示。單片機首先進(jìn)行端口的初始化，由于使用的單片機是雙向輸出，所以在使用以前要確定此端口是輸入還是輸出，是否使能上拉電阻等，尤其是對于SDA接口，在數據傳輸過(guò)程中，既做輸出又做輸入，因此單片機的輸入和輸出一定要設置正確。段式液晶是一種動(dòng)態(tài)更新段式顯示設備，具有低功耗的特點(diǎn)。在使用之前，要設置段式液晶的段數，公共端口數，幀速率等，設置完成后，可在單片機寄存器中操作液晶的每一段。PWM和AD都是要經(jīng)過(guò)主時(shí)鐘分頻的，根據需要選擇合適的時(shí)鐘。使外部存儲器、溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)模塊工作在就緒狀態(tài)，要設置操作地址、收發(fā)速率、錯誤校驗等。初始化完成后，系統讀取存儲器配置，以確定系統工作在哪種狀態(tài)，然后根據設置的狀態(tài)進(jìn)行溫度轉換和電流采集。數據采集完成后，將測量數據放入單片機的數據緩沖區，然后用無(wú)線(xiàn)模塊把這些數據發(fā)送出去。最后，切換到下一通道測量數據，重復以上過(guò)程。 結語(yǔ) 實(shí)際運行結果表明，本方案提出的新型電纜接頭在線(xiàn)監測終端采用了感應電源供電，無(wú)需外接電源，免維護，監測終端與數據集中器之間采用近距離微功耗無(wú)線(xiàn)通信方式，有效傳輸數據的同時(shí)實(shí)現了高壓隔離，監測終端硬件和軟件都采用了超低功耗設計，實(shí)現了溫度的精確測量，可以預見(jiàn)本產(chǎn)品將會(huì )有很好的市場(chǎng)前景。 |
