文／青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 蔡漢明 李昶利 周燁／

0 引言

電力設(shè)備由于生產(chǎn)品質(zhì)、安裝質(zhì)量、使用年數(shù)、使用頻度及使用環(huán)境等影響，造成安裝處接觸不可靠，溫升超出國家規(guī)定的允許范圍，使得電纜終端絕緣老化，甚至出現(xiàn)擊穿損壞等嚴(yán)重后果[1]。為了早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、避免事故，世界各國都投入大量的人力物力，研究故障預(yù)測的診斷技術(shù)。在實(shí)際運(yùn)用中需將3相溫度傳感器以保溫的方式貼裝在電纜附件發(fā)熱部位的表面，另一只溫度傳感器用于測量電纜頭周圍環(huán)境溫度，通過環(huán)境溫度和絕緣層內(nèi)的溫度的溫差比較，準(zhǔn)確地判斷電纜頭電連接觸處溫度，運(yùn)用射頻通訊技術(shù)對傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行無線傳輸，將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)送至后臺(tái)監(jiān)控中心。開合式互感器獲取高壓電纜的一次電流，為檢測系統(tǒng)提供電源，解決在沒有輔助電源的環(huán)境條件下電纜頭溫度采集和現(xiàn)場溫度顯示的問題。這種測量方法安全可靠，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，適用于新設(shè)備安裝也可以應(yīng)用與老設(shè)備改造。數(shù)據(jù)采集變送器和顯示儀表之間可以采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，溫度異常時(shí)發(fā)出報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)。監(jiān)控中心的專家系統(tǒng)軟件對運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)可以通過橫向比較、縱向比較的方法，形成運(yùn)行曲線或統(tǒng)計(jì)報(bào)表，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電纜頭的故障狀態(tài)。

將高壓帶電指示器和電磁耦合取電技術(shù)引入高壓設(shè)備電纜接頭溫升在線監(jiān)測，致力于解決接頭異常溫升的監(jiān)測問題。主要由三個(gè)部分組成：高壓帶電指示器、數(shù)據(jù)采集器和高壓設(shè)備電纜接頭溫升在線監(jiān)測,每個(gè)系統(tǒng)對應(yīng)3個(gè)數(shù)據(jù)采集器,采集的數(shù)據(jù)通RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對多點(diǎn)通信。圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1 溫度采集模塊

溫度采集模塊用NTC10K熱敏電阻實(shí)現(xiàn)接觸式物體表面溫度的檢測，它的溫度測量范圍為-40℃～125℃，阻值70K～0.7K。熱敏電阻用安裝帶捆扎在電纜頭附件的表層，使發(fā)熱點(diǎn)傳導(dǎo)到電纜頭附件表層的局部溫度能夠保持。

溫度采集模塊的原理圖如圖2所示。其工作原理為：由R1、R2、C1、C2和555定時(shí)器組成一個(gè)多諧振蕩器[2]。其中C1為特殊的無極性電容，由滌綸材料制成，有耐高溫的特點(diǎn)。R2為NTC熱敏電阻，隨著溫度的上升，電阻不斷下降，且溫度和電阻關(guān)系曲線成非線性。由于R2的阻值隨著溫度在改變，所以輸出的方波周期也在不斷改變。通過單片機(jī)捕獲方波的周期，可以算出R2的阻值，由此可查表得出此時(shí)的溫度。

圖2 溫度采集模塊原理圖

2 電源模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器采用小CT取電的方式來獲取穩(wěn)定的直流電源無需電池就可連續(xù)供電，完全避免了電池工作壽命短、遇高溫易爆炸的危險(xiǎn)。

CT（current transformer），即電流互感器，它的工作原理和變壓器相似。在線路電流變化很大時(shí)利用鐵心的磁飽和特性，可以得到相對穩(wěn)定的直流電壓，這就是本電源設(shè)計(jì)的理論依據(jù)[3][4]。

圖3 小CT取電器原理框圖

小CT取電即從高壓母線上感應(yīng)得到交流電能，然后經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓、DC-DC變換等，得到穩(wěn)定的5V電壓，為后面的電子電路提供電能，設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖4所示電路的工作原理是：小CT從一次側(cè)感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)過平波電抗的限制，得到一個(gè)較小的交流電壓，再經(jīng)過整流橋，得到較小的直流電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓電容和泄放電路、濾波電路，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，最后經(jīng)DC-DC電路，得到穩(wěn)定的5V直流電源下面著重分析整流濾波降壓穩(wěn)壓部分電路[5]。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件開發(fā)過程中，采用MPLAB軟件作為集成開發(fā)環(huán)境。利用MPLAB對PIC16F877單片機(jī)進(jìn)行程序編寫，通過PICC編譯器對代碼進(jìn)行編譯[6]。系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集器和通信接口兩大部分組成。其中數(shù)據(jù)采集器又由以下功能模塊組成：溫度采集模塊（INT0）、節(jié)點(diǎn)喚醒模塊（定時(shí)器0）、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊和存儲(chǔ)模塊等。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖，圖6為溫度處理模塊軟件流程圖。

圖4 小CT電路原理圖

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

圖6 溫度處理模塊軟件流程圖

NTC熱敏電阻，一般采用查表的方法獲取溫度值，這就涉及到溫度和阻值的對應(yīng)關(guān)系。廠家可以提供溫度阻值對照表，但一般的零售商是沒有的，那只能通過公式計(jì)算得到R-T表。雖然NTC熱敏電阻溫度和阻值不是呈線性的關(guān)系，但通過下面的公式4-1仍能計(jì)算出溫度和阻值的對應(yīng)關(guān)系：

Rt＝R×EXP（B×（1/T1-1/T2））

其中：Rt是熱敏電阻在T1溫度下的阻值，R是熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱阻值，EXP是e的n次方，T1和T2指K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度，B是熱敏電阻器的材料常數(shù)。

通過公式算出R-T對應(yīng)表后，存放在數(shù)組內(nèi)，數(shù)組內(nèi)的元素是完成計(jì)算的電阻值，數(shù)組的下標(biāo)是溫度，這樣只要查到對應(yīng)的NTC阻值，溫度自然就知道了。對于單片機(jī)的ROM來說，做1度間隔的表是比較現(xiàn)實(shí)的，一度以內(nèi)的溫度值可以使用二次插值計(jì)算來解決。如果當(dāng)表比較大的時(shí)候，要考慮查表的時(shí)間，一般是對經(jīng)過排序的表使用對分查找的算法來實(shí)現(xiàn)。

圖7 溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)功能框圖

圖8 25℃時(shí)555輸出波形

本系統(tǒng)上位機(jī)采用了C#語言在Visual Studio 2010.NET環(huán)境下編程完成。.NET繼承了大量實(shí)用的類庫，本系統(tǒng)上位機(jī)部分主要使用Serial Port類和Thread類進(jìn)行串口通信與多線程編程。Serial Port類為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，具有功能強(qiáng)大，通信快速和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

在軟件設(shè)計(jì)過程中采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣有助于程序復(fù)用、修改和系統(tǒng)調(diào)試。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。主要分為登錄模塊、用戶管理模塊、節(jié)點(diǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和串口模塊。

4 溫度采集模塊的測試

溫度采集模塊是由555芯片和NTC電阻等組成一個(gè)多諧振蕩器，在溫度為25℃時(shí)實(shí)測波形如下圖6-2所示，魷魚NTC在25℃時(shí)的阻值為10K，和電阻R1阻值相等，所以此時(shí)占空比為2：1。

然后加熱NTC，當(dāng)溫度升高時(shí)，NTC阻值下降，此時(shí)波形周期變短，高電平和低電平時(shí)間均變短，如圖8-圖9所示。

5 集成測試環(huán)境

為了對所設(shè)計(jì)的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在三相電纜接頭上分別安裝了數(shù)據(jù)采集器。三相電纜接頭的溫度信息可以通過液晶屏的面板顯示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷路器通電電流為AC1375A，通電時(shí)間為6小時(shí)，分別記錄在1、2、3、4、5和6小時(shí)的溫度值，液晶顯示儀表與熱電偶標(biāo)定裝置對比數(shù)據(jù)如表1所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，測溫系統(tǒng)所測得溫升與標(biāo)定儀所測溫升基本一致，誤差在土1.5℃以內(nèi)，主要在讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。測溫裝置與標(biāo)定儀所測溫度有一定的偏差，產(chǎn)生的原因是測溫點(diǎn)不在同一點(diǎn)，標(biāo)定儀更接近接頭，溫度略高，而測溫裝置離觸頭略遠(yuǎn)一點(diǎn)，導(dǎo)致二者之間存在一定的溫度差，但從所測數(shù)據(jù)可以看出，二者之間差值相對固定，且在實(shí)際應(yīng)用中均是以溫升大小來反映測溫儀器接觸性能的，從而說明該測溫裝置可以準(zhǔn)確地測量出斷路器的實(shí)時(shí)溫升。

圖9 加熱后555輸出波形

同時(shí)對高壓設(shè)備電纜接頭溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了耐高溫試驗(yàn)，將設(shè)備放在125℃恒溫箱內(nèi)連續(xù)工作10小時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中測溫系統(tǒng)均工作正常。

6 總結(jié)

溫度的異常變化往往是電氣設(shè)備故障或事故的直接表征和前期預(yù)兆,所以通過對溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，結(jié)合溫度變化量的特征和具體監(jiān)測對象的特點(diǎn)，綜合分析、診斷和確定引起溫度異常的“病根”，可以將事故隱患消除在萌芽狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以對高壓設(shè)備電纜接頭溫升進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，測溫?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確。

[1] 任燕霞.實(shí)時(shí)在線無線溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].科技傳播,2011,8:145-146.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3] 郭吉偉,梁魁,董凌凱.有源電子式電流互感器高壓側(cè)電源的研究[J].四川電力技術(shù),2008，31(3):54-56.

[4] 崔莉,鞠海玲,苗勇等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(1):163-174.

[5] 呂麗娟.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].大連:大連海事大學(xué),2007.

[6] 孫燕,劉愛民.Protel99設(shè)計(jì)與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

表1 顯示儀表與標(biāo)定裝置的溫升對比數(shù)據(jù)