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基于开关柜实时监测系统的研究

作者: | 发布时间:2022-11-04 13:12:02 | 浏览次数:

【摘 要】 红外测温精度低是高压开关柜实时监测系统应用过程中经常遇到的问题。本文结合单片机技术,通过采用间接提高金属Cu、A1的红外辐射率的方法解决了采用红外测温技术测量金属Cu、Al温度的自动校准和定标问题,从而提高了红外测温的精度,最终实现了对高压带电导体的实时温度监测,满足了高压电力系统中电缆接头和开关触点温度进行实时监控的需求。

【关键词】 开关柜 实时 监测 研究

在开关柜实际应用中,对高压开关柜内导电连接处的温度进行实时监测是非常必要的。利用红外测温技术可以实现对高压带电物体温度的非接触式测量,很好地解决了接触式测温方法和光纤传感器测温方法所存在不足。本文采用在与静触点连接的Cu排(或Al排)附近套上热缩胶套,实现间接增大Cu排(或Al排)的红外线辐射率,然后通过大量的实验获取相应的校正系数,结合单片机强大的数据处理能力,实现自动校准和定标的功能,较好地满足了实际测量的需求。

1 硬件系统设计

本系统主要由PIC单片机PICI8LF、红外温度数据采集模块VTIR-3816定标参考数据采集电路18B20和无线通信模块NRF905组成。

1.1 PIC单片机

考虑到开关柜内部强大的电、磁场环境和系统的需求,选用抗电磁干扰能力强的PIC单片机PICI8LF作为中央处理器。PICI8LF集成了10位AD转换器及SPI接口模块,具有32 K的程序存诸空间、1536字节的数据存诸空间及256字节的EEPROM,不仅符合系统的应用需求,还可以大大简化外围电路。

红外温度数据采集模块输出的信号经过相应的调理电路的滤波和放大处理后,直接经PICI8LF内部A/D转换为温度数字信号,与来自定标电路的参考(现场)温度数据通过PICI8LF进行比较处理,获得定标所需的校正系数,自动实现测量系统的定标操作。此外,无线通信模块在PICI8LF的控制下,将校正后的温度数据以无线通信方式传给上位机,实现测量数据的集中处理和存储。

1.2 温度数据采集模块

根据监测项目选择合适的传感器,是故障诊断准确与否的关键。本模块中选用的是光谱响应波段为8-14μm热电堆红外传感器VTIR3816该波段可以有效避免大气尘埃和水汽对红外线传输中的衰减,可有效滤除因杂散光产生的噪声以及环境温度突变引起的输出信号漂移,具有很强针对性的红外辐射探测能力。VTIR3816的距离系数比为10:1。本项目的测量对象是10kV高压开关柜,柜内Cu(或A1)排的宽度为80-150mm,因此传感器安装在距被测物体表面800-1500mm的位置上,该距离大于10kV电气安全距离700mm,可满足绝缘和电气安全的要求。

该红外传感器的输出为较弱的双极性电流信号,需经过调理放大之后,获得AD转换所需的单极性电压信号。

1.3 定标参考数据采集电路

采用测温性能稳定的18B20数字温度传感器作为本模块电路的核心。工作电压为3.0-5.5V,测量范围为-55-125℃。测量精度在-10-85℃内范围内为±0.5℃,输出为数字信号,抗干扰能力强,且不需要外部元件,符合本系统设计的需求。

1.4 无线通信模块

无线通信模块NRF905共有3个频段:433 /868 /915MHz,工作电压为27-33V,采用FSK /GM-SK调制方式,最大输出功率为+10dBm,硬件集成CRC校验功能,最大工作速率可达72 8Kbit/s,满足本系统设计需求,该模块的使用,可大大简化现场的布线安装及维护。

2 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断程序构成。主要包括AD转换、温度数据显示、报警判断及处理模块。

中断采用优先级处理方式主要实现系统的定时处理、无线数据通信及串口通信的响应。

3 温度的标定和校正

3.1 间接增大红外辐射率的方法

影响红外测温精度的因素比较多,除了受到仪器本身影响外,还有被测物体表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响.尤其在本系统中,所监测的对象为Cu排(或A1排)。而对于表面抛光的Cu、A1材料而言,其红外辐射率不会超过0.l0,在温度从17-100℃之间变化时,使用红外传感器直接检测Cu排(或A1排)表面温度,红外传感器输出电压仅有40mV的变化量,采用10位AD转换器和25V基准电压,理想情况下的分辨率约为5.1℃,若考虑到传感器本身和测量系统的误差,其分辨率将更低。本文采用在与静触点连接的Cu排(或A1排)附近套上具有较大红外辐射率的热缩胶套,间接增大Cu排(或A1排)的红外线辐射率,结果表明红外传感器输出电压变化量、相同条件下的分辨率比直接测量提高10倍以上,同时系统基本保持线性特性。

3.2 温度的定标

温度的定标取决于测量温度是否反映Cu排(或A1排)温度的实际值,因此选用测温性能稳定、精度较高的数字式温度传感器DS18B20实验时将其紧贴于Cu排(或Al排)表面,以获取Cu排(或A1排)的实际温度值,然后将红外传感器对准Cu排(或A1排)套有热缩胶套的部位,用恒温箱进行温度的调节,待充分热平衡后进行测量。

温度的定标操作必须在高压开关柜启用前进行,即必须保证被测Cu排(或A1排)的温度与环境温度一致的条件下进行,否则会产生较大的测量误差。

4 结语

本文所研发的温度实时监控系统主要由PIC18LF单片机和VTIR-3816红外测温传感器构成,采用在Cu排(或A1排)外部套热缩胶套的方法,间接增大Cu排(或Al排)的红外辐射率,然后利用单片机对数据的处理能力,将检测数据与现场环境温度进行比对获得测量温度的校正系数,实现测量系统的自动定标和线性校正。

参考文献:

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