基于非接触供电的矿井高压电缆接头温度远程监控系统研究 .pdf

201 1 年第 8 期 煤炭 工程 基于非接触供 电的矿井高压 电缆 接头温度远程监控系统研究 金 星 遵义师范学院 物理与机电工程系 贵州 遵义563002 摘要 文章介绍了一个矿井高压电缆接头温度测控系统 该系统利用非接触供电技术为监 测终端供 电 以 G SM 作为数据传输链路 用 LabV IE W 开发 系统软件平台 设计温度调理电路和 温度控制电路 实现 了电缆接头温度数据的采集与处理 温度曲线显示 数据分析与保存 温度 范围控制 温度超限报警等 多种功能 极 大增强 了电缆接头的温度控制能力 提 高了电缆接 头的 使 用寿命 关键词 电缆接头 非接触供电 A D 590 LabVIEW 温度测控 中图分类号 TD 676 文献标识码 B 文章编号 1671 0959 2011 08 0119 0 3 1 概述 随着煤矿产业的高速发展 井下供电网络规模越来越 大 电缆接头数 目越来越多 电缆接头是电力系统安全运 行中最薄弱的环节 J 因电缆接头故障而导致的火灾 停 产和人员伤亡事故给国家和企业造成了巨大的经济损失 J 引起电缆接头故障的主要原因是电缆接头压接处在长 时间的运行过程中 由于井下恶劣环境导致压接点氧化 接触电阻增大 压接点温度升高 使绝缘保护层老化甚至 崩烧而造成事故发生 从电缆接头过热到事故发生 其发展速度缓慢 时间 较长 采用传统人工巡检的方法可靠性低 实时性差 严 重制约着煤矿生产效率的提高 因此 有效进行电缆接头 温度的自动监测和控制具有重要的现实意义 文章研究一种新型电缆接头温度测控系统 采用非接 触供电技术为检测终端提供电能 通过 GSM 进行数据的无 线传输 利用 目前应用最广 发展最快 功能最强的分析 软件 I且 bV IEw 来进行系统软件设计 从而实现对 电缆 接头温度的监测和控制 系统安装方便 维护简单 能根 据异常情况进行声光报警 将报警信号发送给电力维护人 员 并可查阅历史数据 对电缆接头的运行情况进行评估 2 系统整体设计及工作原理 该系统主要对矿井高压电缆的接头温度实现数据采集 与温度 自动控制 系统工作流程如图 1 所示 它主要 由温 度传感器 温度测量电路 温度控制电路 GSM 通讯模块 非接触供电单元 散热系统 计算机和相应软件组成 其 工作流程如下 电缆接头处的温度信号 由温度传感器转换 成电压信号 经信号调理后由 GSM 通讯网络上传给主控计 算机 主控计算机利用 LabVIEW 对数据进行分析处理 并 将测量的数据结果显示出来 同时主控计算机将采集到的 信号根据 PID 控制算法求出系统输 出信号的大小 通过 G SM 通讯网络将控制信号输出给温度控制电路 控制电路 控制散热系统的启动或停止 从而达到对高压电缆接头温 度的控制作用 终端采用非接触方式从高压电缆感应取电 供电电路中采用超级电容器 有效解决了供电困难 该系统的核心部分是 LabVIE W 通过它来控制整个系 统的工作 3 系统硬件设计 3 1 监 测终 端 在设计中 温度传感器要求线性好 精度高 价格低 因此 采用 AD590 温度传感器 AD590 是美国模拟器件 公司生产的单片集成两端感温电流源 电源 电压可在 4 6V 范围变化 电流 变化 l m A 相 当于温度变化为 1K 可承受 44V 正向电压和 20V 反向电压 因而器件反接也不 会被损坏 因为流过 A D590 的电流与热力学温度成正 比 当电阻 与电位器 R 的电阻之和为 1kn 时 输出电压随 温度的变化为 1m V K 但由于 AD590 的增益有偏差 电阻 也有误差 因此应对电路进行调整 调整方法为 设环境 收稿日期 2011 07 一I1 基金项 目 贵州省教育厅 2010 年 自然科学研究项 目 基于 LabVIEW的虚拟仪器在非接触测温 中的研究及应用 2010083 作者简介 金星 1979 一 男 贵州遵义人 讲师 遵义师范学院物理与机电工程系电气工程教研室主任 现主要 从事自动测试系统 传感器与检测技术方面的教学和研究工作 119 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 201 1 年第 8 期 主控 汁算机 L abV IEW PID 包 G SM 模块 卜 二 G SM 模块 亘 亘 歪 十 l 譬 J l 蔷 蓬 藩 温 传 感 器I l 散 热 系 统D590 A I I 高压 电缆 接头 图 I 系统工作流程图 温度为 调整 电位器为 R 使 A D590 的输 出电压为 273 2 T m Y 这样可保证在相应环境温度下有较高精准 度 在该设计中 测量分辨率为0 5cc 温度范围为 一30 120 此时 A D590 的输出电流为 243 2 393 2m A 若采 样 电阻为 1kQ 则 A D590 的输 出电压在 243 2 393 2m V 当温度变化 0 5 时 A D 590 的输出电流为0 5m A 输出电 压为0 5m V 如放大器增益取 l O 则放大器的输出为5m V 可同时满足量程和分辨力 的要求 在设计 中 选用美 国 PMI公司生产的电压运算放大器 OP 一07 它是一种高精度 单片运放器 失调电压漂移和输入失调电压都很低 能满 足设计 的需求 温度调理 电路 如图 2 所示 图 2 检测终端测温调理 电路 图 V O 3 2 G SM 无线模 块 为了远程实时采集 电缆接头的温度数据 采用法 国 W avecom 公司生产的双频 G SM G PRS 通信模块 Q2406A J 低功耗模块 Q2406A 在休眠状态下最大功耗为 10t A 空闲 状态工作电流为 2 2m A 通过扩展一张 SIM 卡 Q2406A 模 块即可通过 UART 串口与微处理器进行通信 微处理器应 用 GSM AT 指令 5 对 Q2406A 进行操作 当检测终端和主控 计算机之间需要通讯时 微处理器通过串口控制模块发送 和接收短消息 3 3 非接 触供 电单 元 120 目前高压输电线路在线装置常采用大容量锂电池 人 阳能的供应方式 大容量锂电池需要长期充电更换维护 给运行维护带来不便 太阳能受天气 环境影响很火 而 且井下无法安装太阳能装置 不适合陔系统供电 该系统 利用超级电容器供电 并利用非接触供电技术为超级电容 器充 电 非接触供电技术利用空气作为松耦合介质 通过高频 辐射的方式 向用电设备提供 电能 无需 电连接 器直接 连 接 具有安全可靠 无接触火仡 无信号干扰 保障人 身安全 有效减小井下事故等优点 由于 G SM 无线模块在短信收发瞬间会产牛很大的用电 负荷 为解决瞬间供电问题 供电电路中设计了超级电容 器 超级电容器是介于蓄电池和静电电容之问的一种新型 能量存储器件 属于双电层电容器 它是世界上已投入量 产 的双 电层 电容器 中容量最大的一种 它 具有充 电速度快 循环使用寿命长 大电流放电能力超强 能量转换效率高 过程损失小 功率密度高 充放电线路简单 超低温特性 好 绿色环保等特点 采用微晶合金材 料制成 感应线 圈铁 心 铁心 采用 两个 半圆结构套装在电缆上构成电能发送单元 电能接收单元 主要由接收线圈 L 高频整流滤波电路和负载组成 发 射端与接收端耦合电能 接收线圈 L 输出的电流经高频整 流滤波电路变换成直流电提供给负载 超级电容器 进行充 电 非接触供电单元结构框图如图 3 所示 发射端 接收端 高压电缆 i 高频整流 稳压电 路 图 3 非接触供电单元结构框图 R 3 4 温度控制 电路 控制电路的工作原理是通过 GSM 模块接收来 自主控计 算机的控制信号 经扩展 L O 通道控制继电器的动作 使 散热风扇工作在相 应 的状态下 散 热风 扇 的工作 电压是 交 流220V 用固态继电器对它进行控制 使用三级管来驱动 继电器 可以确保 GSM 模块的安全 Port端口接 G SM 模块 扩展 I O 通道中相应的输出端 流经 Port 端 口的电流被 电 阻 R 限制在 3m A 以下 固态继电器的输入端电压被电阻 R 限制在 5V 以下 温度控制电路如图4 所示 4 系统软件设计 4 1软 件设 计 系统工作流程 图如图 5 所示 程序进入主系统后 首 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2011 年第 8 期 煤炭工程 2 V 图 4 温度控制 电路 图 先对整个系统进行初始化 然后是系统 自检 检测各硬件 是否正常工作 如果硬件正常 系统开始进行温度数据的 采集 对采集到的温度信号进行判断 如果温度没有超过 预设温度 则继续采集温度信号 如果温度超过预设温度 启动温度超限报警并在显示屏上显示 并 自动发送短消息 给电缆维护人员 同时计算机通过 PID 控制算法控制散热 风扇启动 停止 使温度值稳定在设定值规定的范围内 图 5 系统流程 图 4 2 上位 机 软件 系统设计 上机位软件系统采用美国国家仪器公司仪器和分析软 件应用开发工具 LabV IE W 进行开发 主要功能如下 1 温度采集 主要功能是数据采集 放大 温度信号 的输入 模 数转换 将数据提供给数据分析模块进行分析 处理 2 温度显示 为了实时显示当前温度的变化趋势 实 现温度变化曲线的生成 采用 W aveform Chart 对实时温度 进行显示 3 温度分析 对温度变化数据进行统计和显示 本设 计使用直方图实现此功能 4 温度控制 该模块的算法思想是 比较当前温度值 与设定温度值 判断比较结果 W ri te to Di gi ta Port vi 根据 比较结果将控制指令通过相应的数字 I 0 通道输 出 当检 测温度大于设定温度时 向数字 I O 通道相应位写入 1 接通继电器 启动散热风扇 达到为电缆接头降温的目的 当检测温度小于设定温度时 向数字 I 0 通道相应位写入 O 关闭继电器 停止散热风扇 这样 既可以避免继电 器反复动作导致继电器损坏 又可以使电缆接头温度稳定 在一定范围内 5 温度存储 该模块调用 LabV IEW中的写入电子表 格文件函数 W ri te To Spreadsheet Fi l e vi 将采集到的温 度值存入电子表格文件中 既可以提供给直方图生成程序 使用 又可以作为温度数据的历史记录 5 结语 矿井高压电缆接头温度测控系统可完成对温度信号的 数据采集 处理 图形化显示 超限报警 文件存储和温 度控制 解决传统方式对电缆接头温度测量不便的问题 非接触供电以其机动灵活和安全的取电优势能保障人身安 全 提高劳动生产率 在测控的过程中还可以方便地改变 控制范围的参数 可调节的性能得以提高 智能控制散热 风扇的工作 电缆接头的温度得到有效的控制 达到良好 的散热效果 大大增加电缆接头的稳定性和使用寿命 有 效避免事故的发生 该系统具有精度高 易操作 能耗低 成本低等特点 具有很好的推广价值 参考文献 1 王新 超 潘 贞 存 电力 电缆 接 头 故 障 的预 警 监 测 系统 J 电力 自动化设备 2001 05 25 28 2 温欣玲 周旭东 赵东波 煤矿高压电缆接头实时温度监 控 系统设计 J 煤炭科学技术 2008 06 86 89 3 刘振全 集成温度传感器 ADS90 及其应用 J 电子质 量 2004 12 76 77 4 W avecom W ISM O Qui k Q240o Seri es Q24O6 and Q2426 Product Speci fi cati on EB OL 2011 03 16 http w w w si erra w i re l ess co m 5 W avecom AT Comm ands Interface Gui de for AT X41 b EB OL 2011 03 16 http www si errawi rel ess e o m 6 王振浩 杜长军 李国庆 辛业春 王维 城区电力电缆 接头温 度在 线 检 测 与 分 析 系 统 J 电力 系 统 2010 O 1 24 25 7 孙勇 楼佩煌 吴亮亮 非接触供 电系统 的应用平 台研究 J 工业控制计 算机 2009 22 03 86 88 8 李天华 LED 水下集鱼灯 的研究与设计探讨 J 渔业 现 代化 2010 03 64 67 9 古 人 易 用 的 三 端