溫度在線監控系統在戶內智能真空斷路器中的應用

【摘要】 闡述電氣設備在線監測涉及的主要技術及應用。通過介紹我公司在在線監測方面所作的研發與創新工作，闡明在線監測對于電氣設備狀態監測的顯著作用，并結合實際提出促進在線監測發展的幾點建議。隨著狀態檢修逐步取代定期檢修，在線監測技術必將越來越受到重視。

【關鍵詞】 在線監測 狀態檢修 定期檢修 戶內斷路器 物聯網應用

隨著電力電壓等級的逐步提高，保證電力設備的安全運行越來越重要，而在對待電氣設備檢修維護策略上，從原來的定期檢修發展到狀態檢修也成了大家共同關注的話題。電氣設備的定期檢修是以預防性試驗為基礎，通過定期計劃檢修來判定設備的健康狀況，經驗表明這種檢修方式不能及時發現和事前預防，而戶內高壓真空斷路器作為電力系統中最重要的設備之一，其可靠性直接影響電網運行的安全與穩定。以往大多采用離線例行檢查對斷路器進行定期計劃檢修，這種計劃性預防檢修盲目性大、費用高，且影響電力生產。隨著電力系統的設備智能化應用技術的不斷提高，根據斷路器的實際工作狀態而確定檢修與否的狀態檢修方法逐步得到肯定和推廣。實踐證明，狀態檢修方法能給電力部門帶來巨大的效益，近幾年取得了較快的發展。然而，由于使用環境惡劣及復雜的工作特點，斷路器機械、電氣及溫度特性在線監測有較大的難度，是行業發展進步的瓶頸之一。作為高壓斷路器安全工作指標性參數的電流觸頭溫度在線檢測，是高壓斷路器智能化的一個研究重點，需要解決的問題在于如何在高壓環境復雜的條件下測得溫度信號并傳送到低壓端，同時防止將高壓引到低壓端，需要研究的關鍵問題有二，其一是如何實現高壓端測量電路供電，其二是如何將檢測結果用非電接觸的方式傳遞到低壓端。其三，單一監測信息的遠程傳輸、集成、管理和應用。

本文給出了一種技術解決方案。

一、系統總體設計

圖1為系統總體框圖，系統采用互感器高壓端取電技術解決測量電路供電問題，采用紅外數傳通訊解決了測量數據下傳到低壓端的問題。考慮到高壓斷路器有六組梅花觸頭，系統提供了六路相互獨立的測溫模組以及相應的紅外數據傳遞通道。

高壓端工作時，CT線圈將工頻電流產生的磁場能量轉換成電源功率，為溫度檢測模組和紅外載波調制模組提供電源。每一個溫度檢測模組可支持兩個溫度傳感器，溫度檢測模組將溫度傳感器檢測到的溫度信號進行調理、數字化后，組裝成數據幀。紅外載波調制模組將組裝好的數據幀調制到相應的紅外載波頻率后通過紅外發射管發送出去，為了防止通道間發生信號干涉，每個載波通道的載波頻率都不同。

低壓端工作時，每一個載波通道的紅外接收管將相應通道的載波信號接收下來（不同通道的載波由于頻率不同不會產生干涉），經過解調，得到攜帶高壓端觸頭溫度信息的數據幀，各通道的數據幀信號送人數據處理控制單元進行處理，分包解幀，得到各個觸頭的溫度數據。溫度數據可送顯示模塊顯示，亦可送遠傳協議模塊轉換成TCP/IP協議經由互聯網上傳或經由GPRS無線通訊網絡上傳。

二、系統硬件平臺實現

2.1 CT互感器電源

CT電源的能量來自于高壓側母線電流，由于母線電流情況復雜，電流在幾十安至幾千安之間波動，CI電源設計的主要任務在于如何將一個變化幅度大的電流能源轉換成一個輸出恒定的電壓源，下面通過圖2進行分析。

如圖2（a），CT電源結構并不復雜，互感器后就是一個普通的整流電源拓撲，設計難點在于互感器的設計。互感器是由一次線圈、二次線圈及鐵芯構成，一次線圈流過的母線電流I1產生的磁通經鐵芯耦合到次級產生電壓U0。圖2（b）表明磁芯磁化特性曲線，當一次線圈電流產生的磁場強度小于HC時，磁通密度線性增加，表現為U0隨I1線性增加。當I1產生的磁場強度大于HC以后，磁通密度不在隨I1的增加而增加，表現為U0保持恒定，不隨的增加而增加，這就是磁飽和。利用磁飽和特性可解決在電流大幅度變化的情況下，保持輸出電壓恒定的問題。因此，CT電源鐵芯應選擇高磁導率、飽和磁感應強度低的鐵磁性材料以保證小電流下能順利啟動、大電流下限制功率輸出的要求。根據以上原則，可優選磁導率高、飽和磁感應強度低的坡莫合金1J85作為CT鐵芯。

2.2溫度檢測模塊

溫度傳感器采用K型熱電偶，配套AD595芯片，AD595是AD公司生產的一款熱電偶放大器， 具備冷端補償，10mV/°C電壓輸出、單端+5V電壓供電，圖3是測溫電路框圖。

圖中只畫出一路測溫電路，實際電路中有兩路并行的AD595測溫電路。微處理器內置A/D轉換器將檢測到的溫度信號按測溫通道次序打包成數據幀后輸出。

2.3紅外載波調制

圖4是紅外載波調制電路框圖，R1、R2、R3、C、與非門A、與非門B共同組成載波波振蕩器，待調制的數據幀通過與非門A的一個輸入端輸入。R3、R4、紅外發光管D、晶體管T共同組成紅外發射器。

載波振蕩器振蕩頻率f=1/2.2R2C，不同的數據信道可選擇不同的載波頻率。

2.4紅外載波解調電路

乘積型相位鑒頻器MC1496是根據雙差分對模擬相乘器基本原理制成的乘法器芯片，本文用它構成紅外載波解調電路，具有電路簡單，調試方便的優點，所構成的紅外鑒頻電路框圖如圖5所示：

其中C1與并聯諧振回路C L共同組成線性移相網絡，將調頻波的瞬時頻率的變化轉變成瞬時相位的變化。MC1496 的作用是將調頻波與調頻調相波相乘，相乘后得到鑒頻信號，解調后的信號為雙端信號，經差分放大器處理后變成單端輸出，得到解調后的數據幀信號。改變并聯諧振回路C L參數，即可得到不同載波的鑒頻頻率。

三、系統軟件設計

硬件平臺將接收到的數據幀信號送數據處理控制單元處理，數據處理控制單元負責系統控制，其系統軟件涵蓋溫度數據解幀、數據調理、數據顯示以及遠傳協議實現幾大模塊。圖6為主程序流程圖：

程序先按信道依次將數據接收后解幀，得到各個通道的溫度數據，這些數據通過顯示程序可在本地顯示屏上顯示出各通道的實時數據，同時通過調用遠傳程序將數據按照遠傳格式再次打包成數據幀遠傳。

四、實驗結果

4.1系統工作參數實驗

實驗采用2500A電流發生器為CT提供測試工作電流，采用GSM手機無線電話網的短信功能進行遠傳通信信道進行了運行實驗測試，測試如表1：

4.2 溫度測試實驗

將系統配置的熱電偶放在一個盛水的不銹鋼容器內，同時放置一個參比溫度計，加熱容器內的水進行溫度測量對比，實驗結果如表2：

五、結論

實驗結果表明，采用互感器（CT）高壓側工作電流取電是可行的，本系統能夠在50A-2500A寬范圍能正常工作。實驗同時表明，本系統具有工作穩定、測量精度高、抗干擾能力強、實用性好等優點，適用于各種高壓斷路器上。