基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度监测系统

引言
发电厂、变电站的高压开关柜内的母线接头和室外刀闸开关等重要设备，在长期运行过程中，因老化或接触电阻过大而发热。由于这些发热部位的温湿度没有得到及时有效的监测，往往导致火灾和大面积停电等事故的发生。实现母线接头和刀闸开关等关键部位的温湿度实时在线监测，防止开关过热，可以显著地减少此类事故的发生。在工程实践中，高压大电流设备内的接头部位都具有裸露高压，因此这些部位的温湿度很难监测，通常的温湿度测量方法因无法解决高压绝缘问题而不能使用。

　　目前，高压大电流设备内的母线接头部位温湿度监测的方法主要有红外测量、光纤测量和无线测量。光纤测量技术采用光导纤维传输温湿度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此能够准确测量高压触点的运行温湿度，实现高压开关柜内触点运行温湿度的实时在线监测。然而，用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，导致光纤表面放电，以及安装布线烦琐，大大降低了光纤测量系统的可靠性和使用范围。红外测量为非接触式测量方法，没有高压绝缘问题。但它容易受环境及周围电磁场的干扰，测量精度低，自动化程度低，往往需要人工定期到高压大电流现场测试，效率低，风险大。另外，开关柜内的空间非常狭小，时常无法安装红外测量探头(因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面)。

　　无线温湿度监测系统采用无线电波进行信号传输，带有传感器的测试模块安装在高压设备表面，与接收设备之间无电气联系，从根本上解决了高压绝缘问题，测量精度高，并且安装方便，不受开关柜体结构的限制，是监测高压开关柜温湿度的理想解决方案。本文提出的高压开关柜温湿度监测系统就是基于 ZigBee这一新兴的无线网络技术。

　　2 高压开关柜无线温湿度监测系统的实现

　　ZigBee无线网络技术是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术，其数据传输速率在10～250 kb／s之间，两个网络节点之间的单跳距离为10～75 m，射频发射功率低，再加上处理器支持多种休眠模式。一节普通容量的锂电池能保证网络节点正常工作1～3年，成本低，网络节点容量大，具有自组网，自动路由和自愈功能，且工作在2.4 GHz的免执照频段。它是实现高压开关柜无线温湿度监测系统的理想解决方案。

　　2.1 硬件设计

　　本文提出的高压开关柜无线温湿度监测系统的网络节点的硬件设计基于TI公司推出的符合ZigBee技术标准的CC2430芯片。射频部分的原理图设计在典型电路的基础上做了少量修改。考虑到系统工作在高压大电流环境，为避免引起尖端高压放电，网络节点采用印刷电路板天线或者陶瓷天线。ZigBee网络包括协调器、路由器和终端节点3种网络设备。终端节点带有温湿度传感器，是主要的感测节点，放置在高压开关柜内。开关柜内往往不允许布置额外的电缆，同时终端节点支持休眠模式，因此采用电池供电。协调器和路由器节点因为需要给其他网络节点提供路由传递数据报功能，因此采用市电供电，使协调器和路由器节点永远处于工作状态。