10kV开关柜及其电缆终端接头的温度在线监测系统研究

郭俊健 罗家健 吴增朗 李学超 刘夏涛

摘 要：高压开关柜属于关键的电力设备，主要的作用就是对电力设备进行连接与分断、继电保护与自动重合闸设备投切等。通过科学的措施进行实时监测电力设备接头温度，能够防范开关柜接头过热的问题，减少安全事故。本文进行分析10kV开关柜及其电缆终端接头的温度在线监测系统。

关键词：10kV;开关柜;电缆终端接头;温度在线监测系统

高压开关柜属于电力系统中关键配电设备，内部包含很多接头，一类是可以移动的，另一类是固定的，工作期间接头会由于一些因素导致逐渐的增大接触电阻，比如氧化或者是接触不良等因素，导致因热积累响应产生不良的事故。电缆终端接头的部位是在电缆线路的末端，用于连接开关柜、配电变压器、柱上开关等设备，属于电缆系统中较为薄弱的环节，所以需要实施在线监测电缆终端接头的温度，减少设备故障率，提高供电可靠性。

1 温度在线监测系统的整体方案

本文中进行介绍一种开关柜及其电缆终端接头温度在线监测系统此系统一共涵盖了数据采集层、数据传输层、数据处理层三个部分。其中，数据采集层的作用就是对温度、湿度数据进行采集，其中包括了温度传感器、温湿度传感器两部分，通过电磁感应取电，给传感器提供重要的供电电源;数据传输层，主要的作用就是进行传输数据，构成网络就是先进的ZigBee 无线传感网络。各温度传感器将电力设备表面的温度数据采集，各温湿度传感器将环境温湿度数据进行采集，在ZigBee 终端节点部位传输，然后终端节点发送数据，网络协调器就是汇聚节点，接收终端节点发送的数据，此时实现了传递温湿度数据的过程;数据处理层的作用就是处理数据，处理ZigBee的汇聚节点接收温湿度数据，向液晶屏传送，同时经以太网这一渠道在上位机传送，上位机中具备LabVIEW 语言开发的软件将数据接收以后，实施预处理数据滤波，之后实施温度预测，再判断温度值和温升值有没有满足电力系统标准规定，对设备缺陷等级进行明确，获取预警信号，实时的显示出数据结果。

2 红外测温原理及传感器选型

选用非接触式的红外测温方法，红外测温传感器对于所测物体辐射能量大小进行收集，予以温度实施测量。红外测温优势就是，具备较高的准确度、较快的响应速度以及广阔的测温范围、较高的灵敏度。通过温度按照波长的分布规律，对物体辐射出能量进行测量，按照辐射率就能对表面温度进行精准的计算。

红外测温传感器结构中，涵盖了光学系统、电源与输入输出接口、调制电机、探测器、信号处理与补偿电路几个主要的系统，光学系统接收被测物体辐射出的能量，红外探测器上面进行汇集能量，经过光电转换产生电信号，再通过信号处理、补偿电路的放大与校正，得到温度数值，通过输出接口送出。系统供电的途径就是电源接口，能够经输入接口进行辐射率的合理设置。非接触式测温方式中会具有误差的问题，所以，实施红外测温传感器的选型过程中，需要考虑很多的因素，重点考虑的就是：辐射率，应该按照传感器的操作方法进行辐射率的修改，将测量精度提升;测试角度，红外测温传感器的安装方向对法角偏离越大，会产生越显著的温度误差，通常测试角是在30-45°之间为宜;距离系数，采取高距离系数比以及分辨率较高的测量装置，能够将误差进行减小;响应时间，需要选取具有较长响应时间的红外测温系统。

3 ZigBee 网络的设计与实现

ZigBee属于关键的物联网技术，主要的优势就是功耗较低、距离较短、速率较低等。高压开关柜温度在线监测系统在通信方面具有很多要求标准，此系统实施ZigBee 无线通信技术进行通信，能够进行高电压隔离，同时具备较强的抗强电磁场干扰能力，最大限度的减少功耗，达到开关柜测温的相应标准，比如节点较多、电源供电受限、电网要求减少运营成本等等。ZigBee 技术的特点进行通信可行性分析表明，ZigBee 技术重点考虑降低系统的功耗，对于终端节点，ZigBee 占空因数较低，跟休眠时间相比，发送数据的时间较少;ZigBee 协议是免专利费，具有减少成本的优势;另外，其他方面还包括具备良好的可靠性、时延短、较大的网络节点容量等。

数据采集终端中，一共涉及到了两种类型，均是建立在红外测温传感器和 ZigBee 基础上，一种是易热接头温度采集节点，另一种是开关柜内环境的温湿度采集节点。两种节点发出信息的渠道就是射频电路，在ZigBee 网络协调器上，聚集了全部的分布式节点数据，然后网络协调器经过串口，把数据向汇聚节点进行传送。以TN9红外温度传感器、SHT10大气温湿度传感器，对于电力设备接头温度信息、柜内环境温湿度信息收集。全部的终端节点所采集接头温度数据，以及收集到的开关柜温湿度数据，经ZigBee无线通信网络（2.4GHz）在相应汇聚节点中进行传送。

4 数据处理层的设计与实现

数据处理层是在ZigBee 网络协调器，将数据进行接收，展开相应的处理，涵盖的重要构成部分就是ARM 芯片模块、开关电源模块、工业以太网通信模块以及液晶显示部分、上位机处理软件。如下图1所示，为数据处理层的程序流程图，按照以下的程序进行操作。

监控主机上编写基于LabVIEW的监测软件，预处理分布式温湿度监控系统采集数据，判断温度值和温升值，并且做出显示。上位机监测界面实现期间，为对于程序安全的管理，需要设计登录系统，设置用户名、密码。输入用户名或密码错误，有对话框进行提示。在实时温湿度监控台中，涵盖的重要内容就是缺陷等级参数设定、端口设定、IP 地址设定、数据实时显示以及预测参数设定等。

结语：

在10kV 配电系统中，高压开关柜属于重要的电气设备，通过监测柜内接头状态，具备关键的工程價值。为了防止传感器接触被测物、数据有线传输产生的安全隐患，可以进行在线监测开关柜及其电缆终端接头温度。本文中提出了一种开关柜及其电缆终端接头温度在线监测系统，具有良好的应用价值。

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资助项目：080004KK52210005-001 《一种导线端头快速绝缘防护装置研发》