基于无线通信的煤矿高压开关柜在线测温系统研究

许召亚

（煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230041）

高压开关柜在煤矿电力系统发电、输电、配电和电能变换过程中，进行相应的开合、控制和保护。高压开关柜通常由断路器、隔离开关、熔断器、互感器、避雷器、母线等以及相应的量测装置、控制装置、保护装置、监测诊断装置、信号装置等组装构成[1]。煤矿高压开关柜长期运行在高电压、大电流、强磁场的恶劣环境中，电气接头部分如断路器触头、母排接点、电缆接头等易出现表面氧化、磨损现象[2]。开关柜封闭式构造的特点使其散热条件较差，当大电流通过这些部位时，容易出现温升过热现象，威胁矿井供电安全[3]。随着煤矿供电系统的迅速发展，高压开关柜温度在线实时监测对提高矿井供电系统的安全性和可靠性具有重要意义。目前，常见的高压开关柜温升在线监测方法包括红外线测温、光纤和半导体传感器测温等。考虑到开关柜动静触点位置狭小和成本优势等因素，文章提出一种基于开放频段无线通信技术的煤矿高压开关柜在线测温系统，现针对其系统架构、软硬件设计进行重点介绍。

1 总体架构

在线测温系统总体结构图如图1所示。

图1 在线测温系统总体结构图

高压开关柜的柜内接头和触头由于制造工艺不合格、运行损坏导致的接触电阻变大，当流过负荷电流时，尤其是在短路故障情况下极易产生过流过热现象，从而引发安全生产事故[4]。由于断路器动触头要经常进行拉动操作，传感器较为困难，测温系统主要针对ABC三相静触头、电缆出线触头以及母线连接处进行监测。系统主要包括3大部分：无线测温模块、无线温度采集器和上位机系统。无线测温模块根据开关柜结构特点安装在柜内测温节点，能快速有效地反映节点的温度变化，通过低功耗设计，延长电池使用寿命，从而减少维护。

2 硬件设计

系统硬件设计包括无线测温模块和无线温度采集总站的硬件设计。煤矿高压开关柜内部空间狭小，且煤矿供电系统停产检修时间间隔较久，因此无线测温模块的体积应足够小，通过对无线测温电路进行低功耗设计，确保一个检修周期内不需要进行电池更换。

2.1 无线测温模块电路

无线测温模块由处理器模块、热敏电阻测温电路、无线通信接口三个部分组成。模块选用Colibri iMX7锂电池供电，具有高能量密度、循环使用次数高、高温耐用性强等优点。处理器采用意法半导体（STMicroelectronic,ST）低功耗单片机STM8L051F3P6，运行模式设置为最低功耗。NTC测温电路使用负温度系数热敏电阻组成的半桥电路进行测温。无线通信接口采用泽耀科技AS10-M4463D模块，工作频段为425～525MHz，超低功耗处理，最低功耗仅为0.5uA。同时，该无线接口稳定性高、绕射性能强，严格计算设计了精确的阻抗匹配网络，频谱特性好、谐波小、串扰小。相较MSP430、ATmega16L、STC89C51等同类产品，STM8L051F3P6单片机在工作和待机状态下能够保持非常低的工作电流，很好地实现了低功耗设计和硬件成本控制的目标。STM8L051F3P6采用高性能8位内核，在16MHz运行频率下，高达16MIPS。应用超低功耗130nm工艺，在全温度范围内超低漏电流，工作电压低至1.8V。利用自动时钟门控，自带自动进入低功耗功能的闪存，DAC和ADC工作电压仅为1.8V，闪存编程电压可低至1.65V。多种低功耗模式包括低功耗运行模式、低功耗等待模式、活跃暂停模式，在暂停模式工作电流可以低至0.35uA。

2.2 热敏电阻测温电路

采用热敏电阻作为半桥电路来实现测温电路。P沟道MOS场效应晶体管有效控制热敏电阻测温电路电源的通断。当模块处在等待或暂停状态时，单片机发出指令控制场效应管，停止测温电路供电以实现降低测温模块功耗。MOS场效应晶体管的栅极和源极之间的电阻作为泄放电阻为场效应管提供偏置电压。选用电阻值较大的10kΩ的负温度系数热敏电阻能够有效减少热敏电阻器功率消耗，对应型号为MFQBX-20精密型热敏温度传感器[5]。测温范围为-40～130℃，测量精度为±1℃；电路供电电压为3.3V，电源和接地管脚之间设104退耦电容，能够有效减少浪涌电流。半桥电路的V0电压公式：

通过Matlab针对热敏温度传感器阻温特性表进行函数拟合，可得RT(T)=31.7exp(0.05279T)，其中T单位为℃，RT单位为kΩ。代入公式（1）后，当RX为定值时，可以得出式（2），并大致画出V0和T的关系图，如图2所示。

从图2可以看出，P点附近处斜率最大，温度灵敏度相对曲线初始和末端也更高。考虑到P点附近直线段区间是系统理想的测温区间，对公式（2）二阶求导为0，可解得考虑到实际开关柜温升有限，测温范围中点为40℃，代入可得RX≈3.83kΩ。

图2 V0与T的变化趋势图

3 软件设计

系统软件设计主要针对测温模块和采集总站两部分。无线测温模块的设计重点为工作模式的切换和低功耗设计，而采集总站主要保障数据的接收处理。

3.1 测温模块软件设计

测温模块安装在高压开关柜内，作为最小检测单元进行温度测量、通信工作，程序流程图如图3所示。（1）接收、执行温度采集总站的相关指令，实现模块与总站之间的通信；（2）监测热敏传感器工作状态，进行节点温度的检测；（3）根据需要进行工作模式切换，包括接收、发送、空闲和睡眠模式，当温度不采样时保证MCU芯片工作在低功耗模式，同时在温度检测过程中直接发送原始数据，不进行复杂计算。

图3 无线测温模块程序流程

3.2 温度采集总站软件设计

无线测温总站安装在变电所开关柜室，实现功能包括如下方面：（1）接收总站通信范围内测温模块的实时数据，实现统一管理和控制；（2）接收上位机的控制命令，向下级的无线测温模块进行发送；（3）进行各测温模块的在线显示与记录，能够进行自检，当测温模块各总站发生故障时能够及时发送报警信号。

4 运行测试

在实验室环境下对一台35kV高压开关柜搭建实验测试平台，将无线测温模块依次安装在高压开关柜母线连接处。通过模拟高压开关柜常见故障检测在线测温系统的精度测量，系统测温结果与高精度手持式红外测温仪采集数据进行对比，结果如表1所示。测试数据表明，利用该测温系统对开关柜三相静触头、母线连接处等节点的测温误差稳定在±0.5℃。当系统发生测温故障时能够通过状态量准确反映，无线采集总站的报警装置能够正确动作。通过对无线测温模块不同工作模式进行功耗统计，当电池容量为6000mAh时，能量利用率为60%的情况下，测温模块电池的使用寿命能够达到17284.5h≈2年，故测温模块电池能够可靠工作1年以上，避免高压开关柜内电池频繁更换。

表1 运行测试数据对比 单位：℃

5 结束语

针对煤矿高压开关柜的高压、大电流、强磁场的工作环境，文章基于无线通信技术设计了一套在线测温系统，详细介绍了系统总体架构、软硬件设计以及运行测试。测试运行表明，该系统具有功耗低、测量精度高、可靠性高的特点，避免了布线连接的安全隐患和停产检修期内的电池更换，对保障煤矿供电安全运行具有重要意义。