淺談非接觸式母線槽測溫係統的應用及產品選型

摘 要

      針對小區內(nei) 密集型母線槽與(yu) 插接箱相連接的觸點位置容易發生老化而導致老化部位異常升溫的問題，設計了一種非接觸式密集型母線槽測溫係統。通過非接觸式紅外測溫模塊進行母線溫度的采集，再由4G數據傳(chuan) 輸模塊將數據上傳(chuan) 至服務器，並在客戶端中的可視化界麵進行溫度監測預警、設備管理等操作。經過實際使用檢驗，該係統能對整個(ge) 小區內(nei) 各位置的插接箱進行溫度監測，並能遠程進行監控管理，具有實用性和拓展性。

關(guan) 鍵詞 ：密集型母線槽 ；紅外測溫係統 ；實時監控 ；4G 數據傳(chuan) 輸 0 引言         在密集型母線槽係統中，密集型母線槽通過母排與(yu) 插接箱後板上的金屬彈片進行插接而相連，由於(yu) 安裝環境狹窄，安裝過程不易把控，很難保證接觸良好，容易使插接點接觸電阻過大。再加上長時間大電流運行以及空氣的氧化等多種因素的影響，插接點母線易發生老化，使得接觸電阻繼續變大。該處電流的熱效應變大，從(cong) 而導致母線溫度的升高。母線溫度超過了一定閾值時，將會(hui) 對電力係統設備造成危害，甚至發生火災。在某樓盤的施工、運維和廠家現場測試中，47個(ge) 插接箱有6個(ge) 點的接觸電阻達到毫歐級，高的達到數十毫歐級。按照接觸電阻為(wei) 10 mΩ，通過電流為(wei) 250 A來計算，接觸點的發熱功率 P =I 2 R =250 A×250 A×10 mΩ=625W，相當於(yu) 一台家用電熱器的功率，可見一旦接觸電阻過大將導致溫度迅速上升。因此對母線溫度的實時監測預警是十分有必要的。         插接箱數量多，且處在一種高壓、大電流的環境中，采用人工去定期檢查的方法具有工作量巨大、危險性高以及不全麵性，同時也不具備實時性。 目前大多采用溫度傳(chuan) 感器測量母線溫度以及通過各種通信設備將溫度數據匯總傳(chuan) 輸到客戶端的方案來實現對母線的實時測溫[5]。 1 整體(ti) 設計方案 本文介紹一種非接觸式密集型母線槽測溫係統，測溫係統結構框圖如圖1所示。       在插接箱中每根母線上方各放置一個(ge) MLX90614紅外測溫傳(chuan) 感器模塊，每個(ge) 測溫模塊將測得的溫度數據通過I2 C總線發送給MCU，MCU將接收到的溫度數據進行處理後發送給 4G 數據傳(chuan) 輸模塊，4G 數據傳(chuan) 輸模塊將收到的溫度數據發送到雲(yun) 端服務器，每個(ge) 插接箱中放置這樣一個(ge) 負責監測和發送數據的部分係統，若幹個(ge) 這樣的部分係統連接在雲(yun) 端服務器上就組成以雲(yun) 端服務器為(wei) 中心節點、插接箱內(nei) 部分係統為(wei) 子節點的星形網絡結構。雲(yun) 端服務器負責將接收到的所有溫度信息展現在客戶端，在客戶端進行母線溫度的實時監測及預警，形成了插接箱溫度的采集、傳(chuan) 輸、可視化監控的測溫係統。從(cong) 插接箱火線與(yu) 零線之間取電作為(wei) 輸入電壓，由電源模塊降壓處理得到穩定的輸出電壓為(wei) 整個(ge) 係統各個(ge) 模塊進行供電。 
2 硬件設計電路       在每個(ge) 插接箱中都存在一個(ge) 終端測溫傳(chuan) 輸硬件係統，采用STM32F103x8作為(wei) 主控芯片設計外圍電路。STM32F103x8內(nei) 核為(wei) 32位高性能 ARM Cortex-M3處理器，時鍾頻率高達72 MHz，能夠以足夠高的頻率對各溫度數據進行采集。其還具有2個(ge) I2 C接口、5 個(ge) 串口和S P I接口，有足夠的對外部設備進行相互通信的接口。STM32F103x8讀取各個(ge) 測溫模塊的溫度值，進行比較處理，將處理好的溫度數據發送給4G數據傳(chuan) 輸模塊。 2.1 終端測溫傳(chuan) 輸硬件設計       終端測溫傳(chuan) 輸硬件設計電路主要由降壓供電電路、紅外測溫部分電路、串口發送電路、時間電路、濾波和指示電路組成。 2.1.1 降壓供電電路       降壓供電電路如圖 2 所示。從(cong) 插接箱母線的火線和零線引出電壓連接到P2端子，串入保險絲(si) 保護電路，高電壓通過鐵芯變壓器( T1)和A P12N12芯片進行降壓，再經過電容C 10、C 11 進行濾波，得到穩定的 12 V 電壓為(wei) 4G數據傳(chuan) 輸模塊提供工作電壓，12V電壓再經過 A S M1117 芯片降壓以及 C 2、C 9 進行濾波，得到係統穩定運行所需要的 3.3 V 電壓。2.1.2 紅外測溫部分電路       文中所選用的測溫器件是MLX90614紅外測溫模塊。M L X90614 紅外測溫模塊采用標準的I2 C通信協議，其體(ti) 積小、成本低，溫度測量範圍在-70 ～ 380℃之間，溫度測量誤差在±0.5 ℃(室溫下)，此係統非接觸式測溫的要求。每個(ge) 插接箱內(nei) 的 4 個(ge) 測溫模塊連接圖如圖3所示。      每個(ge) MLX90614紅外測溫模塊都通過SCL和SDA並聯在I2 C 總線上，其供電接口VSS 和 VDD並聯在電源線上，在每個(ge) 模塊的VSS和VDD之間都接入了一個(ge) 100nF的電容進行濾波，使模塊能夠穩定的工作。將P12端子的1、2 引腳分別連接到3.3 V和GND，將 3、4 引腳分別連接到 STM32F103x8芯片的SCL和SDA引腳，STM32F103x8通過 I2 C協議向4個(ge) 不同 I2 C 地址的MLX90614 紅外測溫模塊進行溫度數據的讀取。 2.1.3 串口發送電路       由於(yu) 插接箱處在高電壓、大電流的環境中，STM32F103x8與(yu) 4G數據傳(chuan) 輸模塊的信號傳(chuan) 輸容易受到電磁幹擾。為(wei) 實現STM32F103x8的TTL電平與(yu) 4G數據傳(chuan) 輸模塊的RS -485 接口信號之間的穩定轉換，選用MAX3485芯片設計串口發送電路。 MAX3485是用於(yu) RS-485通信的3.3V低功耗收發器，每個(ge) 器件中都具有一個(ge) 驅動器和一個(ge) 接收器，驅動器具有短路電流限製，並可以通過熱關(guan) 斷電路將驅動器輸出置為(wei) 高阻狀態，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護特性，當輸入開路時，可以確保邏輯高電平輸出。S T M32F103x8 通過 M A X3485與(yu) 4G數據傳(chuan) 輸模塊進行穩定的數據傳(chuan) 輸，端子P3的 1、2、3 接口分別與(yu) 4G 數據傳(chuan) 輸模塊的 A、B、 G N D 相連接，4、5 接口與(yu) 4G數據傳(chuan) 輸模塊的電源接口相連接。串口發送電路如圖4所示。2.1.4 時間電路       為(wei) 了給係統提供準確的時間進行間隔 5 m i n 發送一次數據到客戶端，采用 D S1302 芯片設計時間電路，DS1302是一個(ge) 實時時鍾芯片，可以提供秒、分、小時、日、月、年等信息，並且還有軟件自動調整的能力。其采用SPI通信為(wei) STM32F103x8提供準確的時間信息，時間電路圖如圖5所示。 2.1.5 濾波和指示電路        在3.3V 和GND之間並聯6個(ge) 100nF電容C 3 ～ C 8 進行濾波平滑電壓。指示燈U6為(wei) 電壓正常測試指示燈，指示燈U5為(wei) 測試程序指示燈，為(wei) 後期檢修、調試提供方便。濾波和指示電路原理圖如圖6所示。 2.2 USR-DR504(4G數據傳(chuan) 輸模塊)        由於(yu) 各插接箱相距較遠，所在的樓層位置不同，造成了通信傳(chuan) 輸困難的問題。為(wei) 了解決(jue) 通信問題，采用了4G-DTU( 數據傳(chuan) 輸模塊 )，在有4G網的地方都能實現通信功能，不受地理位置和環境的限製。 USR-DR504 是一款導軌式4G-DTU，支持移動、聯通、電信4G網絡，以“透傳(chuan) "作為(wei) 功能核心，具有高度易用性，可實現STM32F103x8串口到網絡雲(yun) 端服務器的雙向數據透明傳(chuan) 輸，具有高速率、低延時的特點。設計中選擇其網絡透傳(chuan) 模式 (NET)，在此模式下，STM32F103x8可以通過串口連接USR-DR504發送溫度數據到的HTTP服務器，其數據傳(chuan) 輸示意圖如圖7所示。3 係統軟件設計 3.1 溫度采集、處理、發送軟件設計       係統溫度采集、處理、發送軟件設計流程圖如圖8所示。在係統上電後開始工作，然後對I2C通信、 實時時間、GPIO口等進行初始化，再通過I2C通信讀取各測溫模塊的溫度數據，一次讀取10組數據，將10組數據采用濾波算法處理，避免出現錯誤數據導致係統誤判，將濾波後的溫度數據與(yu) 設置的溫度閾值進行比較。若溫度值高於(yu) 設定的閾值，則立即向 4G 數據傳(chuan) 輸模塊發送預警信號以及對應測溫模塊的溫度數據，若溫度值低於(yu) 設定的閾值，則判斷距離上次 4G 數據傳(chuan) 輸模塊正常發送溫度的時間是否已經到達5min，若已到達則向4G數據傳(chuan) 輸模塊發送各個(ge) 模塊測得的溫度數據，若未到達，則重新回到溫度數據讀取步驟。3.2 客戶端軟件設計       係統設計了一個(ge) 可視化的溫度監測管理遠程客戶端，其對4G數據傳(chuan) 輸模塊發送到服務器的數據進行分類管理，主要功能包括數據大屏可視化、配置管理、日誌記錄三大部分。數據大屏可視化的界麵將各樓層位置和溫度數據可視化顯示，方便查看。 配置管理包括通信終端管理、監測設備管理、溫度探頭管理、位置管理，方便在客戶端上對各插接箱內(nei) 溫度探頭和設備進行管理。日誌記錄是指溫度監控記錄以及管理者的操作記錄。  4 係統測試與(yu) 分析       讓係統開始運行，在客戶端中查看一個(ge) 插接箱在一天內(nei) 各個(ge) 時間點的每個(ge) 測溫模塊的溫度數據。收集到的數據繪製成溫度變化趨勢圖如圖9所示，在一天時間裏均勻地取80個(ge) 時間點的數據作為(wei) 參考。由圖 9 可以看出，整個(ge) 係統正常運行，能夠實時監測插接箱內(nei) 各母線的溫度。每一個(ge) 探頭所測得的溫度大致都在2℃的範圍內(nei) 波動，這是因為(wei) 測溫探頭所處在的插接箱中的環境類似於(yu) 恒溫狀態，受外界溫度影響較小，這也為(wei) 測溫係統提供了一個(ge) 良好的測量環境，提高了溫度監測的準確性。 5安科瑞溫度在線監測係統解決(jue) 方案5.1概述     電氣接點在線測溫裝置適用於(yu) 高低壓開關(guan) 櫃內(nei) 電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關(guan) 、高壓電纜中間頭、幹式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監測，防止在運行過程中因氧化、鬆動、灰塵等因素造成接點接觸電阻過大而發熱成為(wei) 安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續、準確反映設備運行狀態，降低設備事故率。Acrel-2000T無線測溫監控係統通過RS485總線或以太網與(yu) 間隔層的設備直接進行通訊，係統設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳(chuan) 輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該係統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監控無線測溫係統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴(yan) 重故障發生。 5.2應用場所     適合在泛在電力物聯網、鋼廠、化工、水泥、數據中心、醫院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(ye) 、變配電所等電力設備的溫度監測。 5.3係統結構 5.4係統功能       測溫係統主機Acrel-2000T安裝於(yu) 值班監控室，可以遠程監視係統內(nei) 所有開關(guan) 設備運行溫度狀態。係統具有以下主要功能：1）溫度顯示：顯示配電係統內(nei) 每個(ge) 測溫點的實時值，也可實現電腦WEB/手機APP遠程查看數據。2）溫度曲線：查看每個(ge) 測溫點的溫度趨勢曲線。3）運行報表：查詢及打印各測溫點時間的溫度數據。4）實時告警：係統能夠對各測溫點異常溫度發出告警。係統具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。 5）曆史事件查詢：能夠溫度越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析等。5.5係統硬件配置      溫度在線監測係統主要由設備層的溫度傳(chuan) 感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網關(guan) 以及站控層的測溫係統主機組成，實現變配電係統關(guan) 鍵電氣部位的溫度在線監測。 6安科瑞AMB300係列母線槽紅外測溫解決(jue) 方案      安科瑞AMB300係列母線槽紅外測溫解決(jue) 方案，這是一款非接觸式紅外測溫裝置，能夠解決(jue) 母線槽溫升過高的問題，實時把連接器中每相溫度數據上傳(chuan) 後台，提示管理人員應對報警點予以重視或采取必要的預防措施。      此母線槽紅外測溫解決(jue) 方案由人機HMI觸摸屏，紅外測溫模塊，紅外采集器，電源模塊組成。該係統通過RS485線與(yu) 本地觸摸屏和後台監控進行通信（如下圖），係統設計遵循際標準Modbus-RTU傳(chuan) 輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。RS-485作為(wei) 一種串行通信的接口具有傳(chuan) 輸距離長、速度較高、電平兼容性好、使用靈活方便、成本低廉和可靠度高等特點，與(yu) 無線通信方式相比，具有價(jia) 格低、抗共模幹擾能力強等優(you) 點。AMB300紅外測溫組網示意圖AMB300紅外測溫係統拓撲圖AMB300紅外測溫原理示意圖

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7 結語 

本文設計了一套非接觸式密集型母線槽測溫係統，其用於(yu) 對小區內(nei) 與(yu) 密集型母線槽插接箱內(nei) 的各母線的溫度進行監測和預警，並在遠程客戶端界麵上實時管理以及監控。係統的設計包含了硬件電路設計和客戶端軟件設計。使用非接觸的測溫模塊，提高了測溫係統的安全性、準確性，同時也不會(hui) 影響電力係統的運行。采用 4G 數據傳(chuan) 輸模塊將溫度數據上傳(chuan) 到服務器，解決(jue) 了安裝在不同位置的插接箱溫度數據的傳(chuan) 輸問題，避免去重新布線傳(chuan) 輸數據，並且沒有距離限製，便於(yu) 隨時添加、更改設備。另外由於(yu) 所需傳(chuan) 輸的數據比較簡單，所以產(chan) 生的流量費用在可接受範圍內(nei) 。在客戶端上開發的可視化軟件能夠快捷地查詢到所有的溫度數據，並且具有報警提示功能，能夠及時對溫度異常情況進行處理。目前該係統已經投入小區實際使用，從(cong) 客戶端顯示的數據來看，各母線溫度變化趨勢十分平穩。實踐表明此係統是實用、可行的，能夠實現設計的功能，並且還具有很大的可拓展性。

安科瑞侯文莉