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高压开关柜温度在线监测技术研究 摘要 目前高压开关柜温度测量装置主要针对电触头进行，由于测温原理和方式 的局限，必须采用昂贵的红外温度传感器或光纤光栅温度传感器完成对温度的 测量，而这两种测温手段在目前集成化程度越来越高的开关柜内实施难度也越 来越大，同时，孤立地测量电触头的温度无法对开关柜内的温度整体分布做出 判断，因而无法对开关柜内可能发生的部件过热故障做出准确预警。本文介绍 了一种新型高压开关柜在线监测及故障诊断系统，采用开关柜内合理布置的数 字式温度传感器阵列获得高压开关柜内温度场分布，结合从s c a d a 系统获得的 开关柜运行数据以及数据库中的历史数据，对高压开关柜进行横向和纵向的比 较分析，实现在线监测基础之上的状态诊断和故障预警。实际安装调试验证了 本系统对于高压开关柜进行状态综合评估的正确性和可行性。 关键词；高压开关柜、在线监测、状态检修、数字式温度传感器 r e s e a r c ho f t e m p e r a t u r e o n l i n em o n i t o r i n g o fh i g h v o l t a g es w i t c h g e a r a b s t r a c t e x i s t i n gm e a s l l f ee q u i p m e n to f t e m p e r a t u r eo f h i g h - v o l t a g es w i t c h g e a rb a s e do n e x p e n s i v es e n s o rs u c ha si rs e n s o ro rf i b e rb m g gg r a t i n gs e n s o ri sf a c e do n i n c f e a s i n o yd i f f i c u l t yw h e nb e i n gi n s t a l l e di ns w i t c h g e a rw i l l lm o r ea n dm o r e c o m p l e xs t r u c t u r e f o rl i m i t a t i o no f t h ep r i n c i p l ea n dt h em a n n e r , t h i se q u i p m e n tc a n o n l yo b t a i nt e m p e r a t u r ed a t ao f t h ee l e c t r i c a lp o l 盯b u tc 觚ta n a l y z et h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni ns w i t e h g e a na sar e s u l t , t h ee x a c tp r e d i c t i o no fo v e r - h e a tc a l l tb e p r o v i d e d i nt h i sp a p e r , an e w l yo n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mo f h i g h - v o l t a g es w i t c h g e a ri sd e s c r i b e d t h et e m p e r a t u r ef i e l di so b t g j nb yd i g i t a l t e m p e r a t u r es e n s o r sd i s p l a y , a n dt h el a t i t u d ea n dl o n g i t u d ec o m p a r i s o ni sm a d eb y a s s o c i a t i o no f r u n n i n gd a t ao b t a i n e db ys c a d aa n dh i s t o r yd a t af r o md a t a b a s e t h e s t a t ed i a g n o s i sa n dt h ef a u l ta l a r mi sa c q u i r e do nb a s eo f o n l i n em o n i t o r i n g p r a c t i c a l r u n n i n gm a n i f e s t t h e a c c u r a c ya n d f e a s i b l e n e s so f s y n t h e t i ce s t i m a t i o n o f h i g h - v o l t a g em a d eb yt h i ss y s t e m k e yw o r d s ：h i g h - v o l t a g es w i t e h g e a r , o n l i n em o l l i t o r i n g ，s t a t er e p a i r , d i g i t a l t e m p e r a t u r e l l s o r 插图清单 图2 1 系统框架方案 图3 - l 热探测器和光探测器的理想光谱响应曲线 7 9 图3 - 2 热敏电阻型红外探测器结构9 图3 - 3d s l 8 8 2 0 的结构1 1 图3 - 4d s l 8 8 2 0 的内部结构l l 图3 - 5d s l 8 8 2 0 测温原理1 2 图3 - 61 - w i r e 总线与m c u 的连接1 3 图3 7 开关柜数据采集器系统结构1 4 图3 - 8 数据采集器系统框图1 4 图3 - 9 开关柜数据采集器固件系统流程1 5 图3 - 1 01 - w i r e 接口初始化 图3 1 11 8 8 2 0 数字温度传感器信号采集固件流程1 8 图3 1 2 通信模块的固件流程 图4 1 系统软件模块 图4 - 2 系统主界面2 5 图4 - 3 开关柜设置界面 图4 - 4 传感器设置界面2 7 图4 5 传感器数据查看界面2 7 图4 - 6 预警和报警状态查看界面2 8 图5 1 开关柜内数据采集器和传感器的安装情况31 图5 2 软件主界面31 图5 3 开关柜内传感器所测温度分布3 2 图5 4 温度发展趋势曲线3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果也不包古为获得 金照互些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材辩与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签名刃彦事 签字日期：碎石，磊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥e b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅本人授权盒迢 苫些盍里可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。可以采用影印，缩 印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多方荨一 签字日期： p 本舌月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编： 蠡勺细 。如嵋 目 士_b 7 产 弘 名 期 签 日 师 字 导 签 致谢 本论文是在我的导师孙鸣教授的精心指导下完成的。在我三年的研究生学 习中，孙老师在学习、生活、思想等各方面都给予我极大的关心和帮助，本人 所取得的成绩均倾注了他大量的心血。孙老师严谨的治学态度、高尚的人格和 渊博的知识都是我今后学习的楷模。在此谨向孙老师致以衷心的感谢和崇高的 敬意! 同时，也要感谢肖立老师和用户电力技术实验室各位同学的帮助和支持， 感谢六安供电公司的各位同事在我做课题期间给予的帮助! 最后，我还要特别感谢我的家人和朋友，是他们的支持和鼓励帮助我顺利 地完成了论文研究工作! 在此特别感谢参加论文评审和答辩的各位专家学者，谢谢你们在百忙中抽 出宝贵的时间参加我的论文评审和答辩工作! 孙正来 2 0 0 7 年6 月 第一章引言 1 1 高压开关柜温度在线监测技术背景与意义 高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线 路故障保护、监测运行电量数据等重要作用，在电力系统中获得了日益广泛的 运用。随着国家“十一五”计划的实施、国民经济的发展，社会对供电可靠性 提出了更高的要求。国务院于2 0 0 6 年2 月发布的国家中长期科学和技术发展 规划纲要中，超大规模输配电和电网安全保障被列为能源这一重点领域中的 优先主题。电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节， 高压开关柜作为一种广泛运用的电力设备，其安全可靠性也因而受到了更多的 重视。据不完全统计，国内不少发电公司、电力公司均出现过不同程度的高压 开关柜故障并造成了一定的经济损失，这些故障一方面来自开关柜本身的质量 问题，更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜的有效监测手段。 目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检，用手持式红外测温仪获得开 关柜内的温度数据，但由于开关柜的结构越来越复杂，元件遮挡的影响使得红 外测温仪往往无法获得准确的温度数据；同时人工操作中的失误不可能完全避 免，且巡检时间间隔相对于故障发展时间来说也过长。电力系统中对电力设备 的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡，作为输配电系统中广泛 运用的高压开关柜，对其实施状态检修是非常必要的。因此，研究开发一种新 型高精度、高可靠性的高压开关柜在线监测及故障诊断系统具有重大的意义。 1 2 温度在线监测技术研究现状 常规的监测方式并不能发现开关柜潜在的故障，更无法判断故障发展趋势， 针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜 温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。这些装置的测温原理大 致分为如下几类： 红外成像 通过红外热像仪获得开关柜的红外图谱，通过红外图谱间接判断开关柜的 温度。 传统接触式测温、红外信号传输 采用传统的接触式温度传感器( 热电耦、集成温度传感器等) 测温，传感 器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高压母线获得。测量 所得信号经数字编码后驱动红外发射管，由安装于柜体低电位上的红外接收管 接收红外信号，再通过解码电路得到温度数据。 红外探头测温 在开关柜柜体上安装若干红外测温探头，通过接收电触头的红外辐射来确 定其温度。 光纤测温 在电触头表面上贴装光纤温度传感器，通过光缆连接到安装于柜体的光纤 解调器，光纤解调器输出对应的温度数据。 以上提到的装置虽然解决了人工巡检存在的问题，但依然存在不足，其主 要的局限性如下： 红外成像的方法在变电站套管、避雷器、母线等设备的温度监测中应用 较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，通过红外图谱间 接获取温度数据其准确性不能满足要求，对红外图谱的计算机识别技术水平还 不能替代人工识别，自动化程度不高，同时红外热像仪的成本较高，不利于推 广使用。 传统接触式测温、红外信号传输的方式需要将温度检测器和获取电源的 感应线圈安装于高压母线上，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难，同时 有可能减小开关柜内部的绝缘净距。 红外探头测温的方式容易受到开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的 影响，不能准确测得触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响 因素很多且具有时变性，无法对其一一校正，因而这种方式通用性较差，无法 推广使用。 光纤测温的方式目前应用较多，但其配套的光纤传感网络分析仪体积较 大，无法在开关柜内部安装，同时该分析仪只提供了与单台p c 机的通信接口， 无法嵌入已有的变电站自动化系统中。 除了在测温原理和方式上分别具有不同程度的局限性外，以上装置还存在 高压开关柜故障诊断策略上的共同局限性。以上装置都是孤立地对高压开关柜 电触头温度进行测量，而没有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此， 这些装置无法对电触头的工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而 当出现异常温度时，开关柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属 于电力设备故障检修的范畴。 为保证电力设备安全运行并最大限度地减少停电维修引起的损失，电力系 统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡。作为输 配电系统中广泛运用的高压开关柜，对其实施状态检修有极大的重要性。在这 种形势下，开发一种新型高精度、高可靠性的高压开关柜在线监测及故障诊断 系统具有重大的意义。 2 第二章高压开关柜温度在线监测技术研究方案 2 1 高压开关柜温度在线监测技术现状分析 由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境 中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适 应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。 被动式测温采用接收被测量点辐射出的远红外波，通过判断远红外波长来 确定测量点温度；而主动式测温则是通过装设在测量点的温度传感器直接测量 温度。被动式测量的优点在于通过凸透镜直接接收测量点发出的远红外波，接 收器( 传感器) 可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测 量系统结构简单；其缺点是只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，这往 往成为致命的弱点。 主动式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布置灵活：其缺 点是必需解决传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下的工作可靠性、传感 器与主机之间的高电压隔离以及传感器自身的工作电源问题。 目前，在高压开关柜的在线监测中广泛采用的有如下两种方案： 一种是利用红外监测装置，采集红外辐射信号，对在运行条件下的高压开 关柜的触头温度进行测量。 红外传感器进行温度测量是通过接收被测目标发出的红外辐射来确定其温 度的。因此可以测量高温的、有腐蚀性的、高压带电的物体，并以其速度快、 范围宽、且对被测温场无干扰等优势在高压电力设备的温度在线监测领域中得 到越来越广泛的应用。 在每个高压开关柜内放置3 n 个红外测温探头，分别采集柜内n 个三相隔离 开关触头的温度。通过r s 4 8 5 总线将温度数据上送至数据采集单元；数据采集单 元负责将温度就地显示，设置报警参数，并在温度超限时报警，同时将温度数 据和报警信号通过r s 4 8 5 总线上送至数据主控单元；数据主控单元将3 n 个数据 采集单元的信息汇总，并留出通讯口，以便依据标准协议( 如电力系统1 0 1 规约 协议) ，通过r s 4 8 5 总线将整个网络与变电站综合自动化系统相连1 4 1 。 另外，还有基于c a n 总线的红外温度在线监测系统，以及利用红外热成像 仪对电力系统中高压设备进行监测，从而预防和发现故障。其功能包括： ( 1 ) 红外测温技术能够及时发现和检测出设备内部绝缘状态以及外部的发 热缺陷，对设备缺陷及时处理，保证电网的安全运行； ( 2 ) 红外测温技术能及时发现高压电气设备的发热缺陷； 在使用红外技术测温时，需注意瞄j ： 3 ( 1 ) 准确设定被测物体表面的发射率； ( 2 ) 尽可能靠近被测物体进行测量，并j 聚焦于被测处，以减小大气衰减， 并充分利用红外分辨率； ( 3 ) 尽可能直射被测物体表面； 另一种是利用光纤温度监测仪，实现对在运行的高压开关柜的触头温度进 行测量。例如：n s m a r t8 型光纤温度监测仪已用于开关柜触头温度监测，其单 个单元装置包括温度传感器、传输光纤、监测仪主机【3 1 。测量电路转换测温点 采集的温度量为相应的电信号，经逻辑控制电路产生数字信号并传给光调制器 调制后由光纤传给监测仪主机，f h l c d 屏显示各测点温度。温度测量范围在3 0 + 1 0 0 ，误差小于0 5 ，分辨率为o 1 。 n s m a r t8 型光纤式温度监测仪还可以组成测量网络，由上位计算机在线监测 所有监测仪所测量的温度。此外，光纤温度监测中，光纤温度传感器是直接安 装到开关柜内的监测点( 如开关触头) 上，在线监测运行温度。 基于光纤传输的温度测试，成功地解决了高压开关柜中触头温度的测量。 其功能、优点如下： 功能：1 ) 实现高压、强磁场、狭窄空间下的信号拾取，传输与转换； 2 ) 热敏元件的线性化处理与量程定标； 3 ) 自动显示及控制。 优点：1 ) 热敏元件性能稳定，应用v f 转换技术及光纤传输技术，抗干扰 的能力强： 2 ) 与微机相连，可进行远程控制，实现了电力系统的网络控制与监 测； 3 ) 光纤式温度在线监测仪，采用光纤传导温度值，不受高压和环境 的干扰，监测仪所带的光纤测温传感器能够安装到欲测带电物体 的表面，直接检测出温度值； 4 ) 由于开关柜内的空间非常狭小，光纤可以根据开关柜的内部结构 弯曲成不同形状，不影响原有的开关设备。 以上这些监测方法都是对高压开关柜进行点对点的温度测量，在测温原理 和方式上分别具有不同程度的局限性： ( 1 ) 红外温度传感器在高压开关柜内的安装是固定的，且红外测温探头必 须与被测物体保持一定的安全距离，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难， 同时有可能降低开关柜内部的绝缘水平此外，红外探头测温的方式容易受到 开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，虽然可 以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素很多且具有时变性，无法对其一一 校正。因而，这种方式通用性较差，无法推广使用。 ( 2 ) 光纤测温的方式目前应用较多，光纤温度传感器测温头通常采用粘接、 4 捆扎两种方式安装在触头表面，此种安装方式很容易受到温度、振动的影响， 并因此降低测量精度。开关柜内的电触头在开关动作时有很强烈的振动，从而 会对以上的安装可靠性和测量精度带来很不利的影响。此外，光纤温度传感器 所配套的光纤传感网络分析仪体积较大，无法在开关柜内部安装，同时该分析 仪只提供了与单台p c 机的通信接1 3 ，无法嵌入已有的自动化监测系统中。 ( 3 ) 目前所采用的高压开关柜在线监测技术，只能对高压开关柜进行点对点 的温度测量，而不能对高压开关柜内各点进行全面监测，缺乏灵活性，且在价 格方面都比较昂贵。 总之，以上装置除了上述局限性外，还存在高压开关柜故障诊断策略上的 共同局限性。并且，它们都是孤立地对高压开关柜电触头温度进行测量，而没 有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此，这些装置无法对电触头的 工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而当出现异常温度时，开关 柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属于电力设备故障检修的范 畴。 2 2 本系统研究方案 本文在总结目前研究现状的基础上，综合考虑了高压开关柜的内部实时温 度以及负荷因素，提出并研究了一种新型高精度、高可靠性、廉价的高压开关 柜在线监测及故障诊断系统。在设计中摒弃了昂贵的红外温度传感器或光纤光 栅温度传感器，采用单一的集成数字温度传感器，对传感器柜内位置进行合理 的布置，通过传感器测得的数据获得柜内温度场的分布，以此为依据对高压开 关柜的状态进行诊断，对温度发展趋势做出预测以及对可能发生的故障做出预 警。 2 2 1 设计思路 本系统可为高压开关柜由故障检修、预防性检修过渡到状态检修提供有效 手段，从而提高高压开关柜的运行水平，降低事故率，保障变电站的安全可靠 运行 本系统的设计原理是通过数字温度传感器对高压开关柜运行状态的温度参 量进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开 关柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心计算机的智能诊断系统对高压 开关柜的状态进行诊断，并对开关柜内关键部件进行状态评估和电寿命预测， 从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出 预警。 系统运行目标：建造先进的高压开关柜温度在线监测系统，实时掌握设备 运行状态，及时发现发热异常的部件，避免因突然停电造成生产事故，从而带 来不必要的经济损失。 由于变电站的实际应用环境千差万别，因而对高压开关柜在线监测系统的 适应性、灵活性提出了很高的要求，同时制造成本也是其能否推广的重要因素。 本方案摒弃了昂贵的红外温度传感器和光纤光栅温度传感器，但从研究角 度出发，安装了3 只红外温度传感器作为对比、校核，即通过对电触头温度进 行测量，与数字式传感器检测结果进行比较，对本系统的测量精度进行验证和 校核。 2 2 2 系统框架方案 系统由红外传感器、数字温度传感器、数据采集器、通讯控制器以及监控 中心总机组成。红外传感器用来检测开关触头温度，判断开关接触状态；数字 温度传感器在柜内分三层布置，每层五个，安装在矩形的四个角和中心点，完 成柜内空间温度场的测量；数据采集器有两个作用：第一，采集红外传感器和 数字温度传感器的信号，再转换为温度值，第二，与通讯控制器组网通讯把温 度数据上传；通讯控制器一方面以r s 4 8 5 方式与数据采集器组网通讯，巡回收 集各数据采集器信号，另一方面向计算机连续发送各开关柜温度数据。 在系统的数据处理方面，我们所采取的主要由两个方面的比较： ( 1 ) 对同级的高压开关柜温度采集值进行横向比较，因为他们处于同级， 其工作电流基本相等，环境温度一致，其所测温度应相等或相差不大。 如果检测到的温度值出现异常，则就某一个异常的高压开关柜进行重 点监测，从而调出该柜的各点温度监测值，确定实际的温度异常点。 ( 2 ) 对每一个高压开关柜的温度检测值进行纵向比较，因为如某一开关柜 出现异常，其温度值的变化率会发生变化，当开关柜某点温度变化率 出现异常，则可推断该点是否出现故障，并通过智能诊断软件分析其 是否超出某一故障点的上限，从而判断开关柜是否故障。 6 图2 - 1 系统框架方案 开关柜内的传感器获得表征高压开关柜运行的温度参量值。数据采集器采 集开关柜内所有传感器的信号，并将初步处理后的数据汇总并传送至监控中心 总机。监控中心总机接收所有开关柜数据采集器发来的数据，所有的数据都存 入数据库供事后分析以及制作报表输出；监控中心总机通过r s 4 8 5 总线经由 r s 9 7 9 4 协议转换器与变电站s c a d a 相连，获得开关柜的有关运行数据；监控中 心总机智能诊断软件根据开关柜数据采集器所采集的状态参量数据和变电站 s c a d a 提供的开关柜运行数据对开关柜内电触头及p t 、c t 等重要部件运行状态 进行综合智能分析。 7 第三章传感器与数据采集系统设计 3 1 传感器系统设计 高压开关柜中所用传感器主要为温度传感器和集成数字式温度传感器，需 要测量的温度有电触头温度、p t 腔温度、c t 腔温度等，其中对电触头的温度测 量最为困难。 3 1 1 红外温度传感器 当前，红外测温诊断技术在电力系统得到了积极的应用。红外测温诊断技术 不仅可诊断设备的外部缺陷，也可诊断出部分设备的内部缺陷，可发现许多在 预防性试验和检修中发现不了的设备缺陷。红外检测技术有其不可取代的优势， 检测时不需停电、不受电场干扰，安全可靠。 红外温度传感器是利用红外辐射检测技术来测量温度的一种高科技检测技 术，本文利用红外传感器对高压开关柜的电触头进行实时温度的测量，将其测 量值与集成数字式温度传感器所测的温度值进行比较，从而对高压开关柜内部 温度分布情况实现准确测量，对其运行状态进行监测，具有准确、实时、快速 等优点。 红外测温是辐射式测温的一种，是利用物体的热辐射现象来测量物体温度 的。它的基本依据是斯特藩一一玻耳兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体 是一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具 体成分和形状等特性无关。 黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射功率，与其热力学温度t 的四 次方成正比，物质温度与辐射能量之间的关系可用下式表达： e = eot 4 式中e 一物体的辐射功率。w m o 一一材料的比辐射率 e 一斯蒂芬一一波尔兹曼常数，5 6 7 x i 0 - 1 2 w c m 2 k 4 ) t 一一物体的绝对温度 根据上述定律，物体温度越高，它辐射出来的能量越大 红外测温是一种非接触式测温技术，它的特点是： ( 1 ) 非接触测量，红外传感器及线缆与带电设备无任何连线，其间距大于 规范中要求距离，不影响供电系统的安全运行。可以安全地监测难以接触的物 体的温度，并且对被测物体无污染和损坏； ( 2 ) 反应时间快，仅需十分之几秒； 8 ( 3 ) 灵敏度高，o 1 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率： ( 4 ) 测温范围广，可以从负几十度至上千度； ( 5 ) 红外传感器为金属外壳，线缆为金属屏蔽线，二者均良好接地，不会 受高压电磁场干扰。 红外测温技术的基本装置是红外测温仪，其核心设备是红外探测烈1 1 】。它 是把入射红外辐射能转变成其它形式能量的能量转换器，或把红外辐射能转换 成另一种可测物理量的传感器。按物理原理分，红外探测器有两大类：热探测 器和光探测器。热探测器利用热敏电阻、热电偶或热释电效应装置；光探测器 利用红外光电效应、光电导效应或光生伏打效应装置。图3 一l 是热探测器和光 探测器的理想光谱响应曲线，它给出了单位波长间隔内单位辐射通量的相对电 信号与波长的关系。 图3 - 1 热探测器和光探测器的理想光谱响应曲线 而对于热敏红外探测器，主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、热释电型和 高莱气动型四种【1 2 】。本文主要介绍热敏电阻型和热电偶型。 1 热敏电阻型 热敏电阻型红外探测器的热敏电阻是有锰、钴的氧化物混合后烧结而成的。 热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射时，其温度升高，其内部粒子的无 规律运动加剧，自由电子的数目随温度升高而增加，所以其电阻减少。其结构 如图3 2 ： 发 村底 导熟基体 图3 - 2 热敏电阻型红外探测器结构 9 片 热敏电阻的电阻与温度的关系为： r ( t ) = a t e d t 式中，r 为电阻值，t 为温度，a 、c 、d 式随材料而异的常数。 2 热电偶型 热电偶型红外探测器是利用热电效应现象制成的红外探测器。其工作原理与 一般热电偶基本相同，所不同的是它对红外辐射敏感，当红外辐射照射到热电 偶热接点时，该点温度升高，而冷接点温度保持不变，并在热电偶回路中将产 生热电势，而热电势的大小反映了热接点吸收红外辐射的强弱。 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长，动态特性较差， 被测辐射变化率一般在1 0 h z 以下在实际应用中，通常将几个热电偶串联起来 组成热电堆来检测红外辐射的强弱。 本方案采用目前广泛应用的热敏电阻红外温度传感器对触头温度进行监测。 综合考虑传感器的性能和成本问题，并且本文中采用的红外温度传感器主要 是辅助作用。利用红外温度传感器用来检测开关触头温度，判断开关接触状态； 监测开关柜动作时，触头是否发生故障。并对数字温度传感器的监测值进行校 核，即通过对电触头温度进行测量，与数字式传感器检测结果进行比教，从而 进一步准确判断开关柜是否发生异常，以确保数字式温度传感器测量的准确性、 可靠性。 3 1 2 集成温度传感器 集成温度传感器的输出信号有模拟和数字两种，以数字信号作为输出的称 为数字式温度传感器，本文就是采用数字式温度传感对高压开关柜的p t 温度、 c t 温度、柜内温度进行测量，通过对其温度值进行分析和比较，判断高压开关 柜内部是否存在异常，从而实现高压开关柜内部运行情况的在线监测。 数字式温度传感器是集成温度感温器的一种，它采用半导体集成电路与微 控制器技术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片， 计算机接口芯片，存储芯片等多个功能模块。一些数字温度传感器除了完成温 度检测功能外，还可以同时完成可预置温度范围报警，多路a d 转换，温度补 偿等功能。本文在设计中采用了d s l 8 8 2 0 数字式温度传感器。 d s l 8 8 2 0 的体积非常小、结构也非常简单( 见图3 3 ) ，故非常适合在空间 拥挤的高压开关柜内灵活布置。 1 0 gg 声 粤 图3 - 3d s l 8 8 2 0 的结构 d s l 8 8 2 0 是m a x i m 公司的产品，其测温范围为5 5 。c + 1 2 5 。c ，测温精度为 0 5 0 c ( - 1 0 。c + 8 5 0 c 测温范围内) ，工作电压范围为3 v 5 5 v 。d s l 8 8 2 0 的 内部结构如图3 4 ： 胁享一 嶙第8 h i 肾l d s l 8 8 2 0 支 工 l h i i m p e r a t u r es e i o r i g n d 孑 丰i 一 叫4 噤：嚣嚣翟器怒pl 了头 h 1 4 憾撼黼pl v k 甲i ! 唑唑l 叫。”6 噬凇带”8i 幽 - - - 叫m c m o ri 图3 - 4d s l 8 8 2 0 的内部结构 数字温度传感器d s l 8 8 2 0 测温原理如图3 - 5 所示： 清除 图3 - 5d s l 8 8 2 0 测温原理 传感器中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率 的脉冲信号送给计数器1 。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所 产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。计数器1 和温度寄存器被预置在一5 5 所对应的一个基数值。计数器1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法 计数，当计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器的值将加1 ，计数器1 的预 置将重新被装入，计数器1 重新开始对低温度系数晶振所产生的脉冲信号进行 计数，如此循环直到计数器2 计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时 温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的 非线性，其输出用于修正计数器1 的预置值。在正常测温情况下，d s l 8 8 2 0 的 测温分辩率为0 5 ，以1 2 位数据格式表示，其中最低有效位l s b 由比较器 进行0 2 5 比较，当计数器1 中的余值转化成温度后低于0 2 5 时，清除 温度寄存器的最低位l s b ，当计数器1 中的余值转化成温度后高于0 2 5 ，置 位温度寄存器的最低位l s b 。 数字温度传感器d s l 8 8 2 0 采用了一种1 - w i r e ( 单线) 接口的通信方式，应 用中所有的d s l 8 8 2 0 传感器全部挂接在一对双绞线上，由于d s l 8 8 2 0 内光刻 了惟一的6 4 位序列号，保证了同一对1 - w i r e 总线上所有的d s l 8 8 2 0 互不影响。 将所有的数字温度传感器通过一根总线就可以连接到数据采集器，这对于空间 狭小的高压开关柜来说具有重大的意义。 表3 - 1 给出了d s l 8 8 2 0 的所有命令 表3 - 1 c o m m a n d d c s c 。t i n n ip l t 。c 。lia f k l - 1 w ( 0 i r e m b m u a s n a d c i t s i v i i t y u e dn o r e s c o u v c n t i n m a t e s t e m p e r a t u r e 4 4 hd sj 8 8 2 0t r a n s m i t sc o f l v o r $ l o dl c v e m o i l s t a t u s t om a s t e r ( n o ta p p l i c a b l e f o r p a r a s i t e - p o w e r e d d s l 8 8 2 0 s ) r e a d5 c r a l c h p a dr e a d st h ee n t i r e s c r a t c h p a d b e hd s l 8 8 2 0h t n l bu pt 0 9d a t a 2 i n c l u d i n gt h ec r cb y t e b v t e st om a n e r w r i t es c m t c h p a dw r i t e s d d c ai n t os c r a t c h p a d 4 e h m e a t e rt m n s m i b3d a t ab y t e st o3 b y t e s2 3 ，a n d 4 f r h ，t h d s l 8 8 2 仉 a n dc o n f i g u r a t i o nr e r i s t e z s ) c o p ys c r a t 蛳lc o p i e s t h 亿a n d 4 8 h n o r i el c o n f i g u r a t i o nf e a s t e r d a t a f r o mt h ew r a t c h p a dt o e e p r o m r e h e r e c a l l st h 1 _ l a n db s h d s l 8 8 2 0 t r a n s m i t sf e c a l ls l a t u s c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r d a t a t om a s t e l f r o me e p r o mt o t h e s c r a t c h p a d r e a dp o w e r s i s a l sd s l 8 1 7 2 0p o w e r b 4 hd s i s b 2 0t r a n s m i t ss u p p l ys t a t u s s u p p l y s u p p l ym o d et ot h em a s t e r t om a s e r , d s l 8 8 2 0 通过1 - w i r e 总线与m c u 的典型连接如图3 6 图3 - 6i - w i l e 总线与m c u 的连接 本系统中d s l 8 8 2 0 在高压开关柜温度在线监测系统中的布置分三层，每层 五个，安装在矩形的四个角和中心点，完成柜内空间温度场的测量。 3 2 开关柜数据采集器 开关柜数据采集器处理来自柜内所有传感器的信号，将数据传送到监控中 心计算机，并接收监控中心计算机发来的指令。数据采集器有两个作用；第一， 采集红外传感器和柜内环境温度传感器的信号，再转换为温度值；第二，通过 r s 4 8 5 总线与上位机通信，接收上位机的指令，并向上位机发送各开关柜温度 数据。 图3 7 开关柜数据采集器系统结构 3 2 1 开关柜数据采集器硬件设计 开关柜数据采集器的核心是单片机芯片( m c u ) ，在本设计中采用了美国 s i l i c o n l a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片开发，该芯片为工业级芯片。 满足开关柜工作环境下的要求。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片中集成了a d 转换、串 行口、电源管理等模块，并提供了丰富的通用i o 口，便于用户硬件设计并提高 了可靠性。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片的开关柜数据采集器硬件框图如图3 8 图3 - 8 数据采集器系统框图 1 4 3 2 2 开关柜数据采集器固件设计 开关柜数据采集器固件系统流程如图3 - 9 ： 图3 - 9 开关柜数据采集器固件系统流程 由图3 - 9 可见开关柜数据采集器固件主要由以下几个模块组成： 系统初始化模块 1 ) 系统初始化模块的作用是在数据采集器上电时完成对系统各硬件模块的 设置，主要分为以下三个方面 2 ) 片内资源初始化，包括c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片内通用1 0 口的置位、定 时器的初始化、串行口的初始化、w a t c h d o g 的初始化等。 3 ) 1 - w n 接口初始化，这是最重要的一步，需要完成对1 - w i r e 接口上的 所有1 8 8 2 0 传感器的识别和设置。1 w h 接口初始化的固件流程如图3 1 0 。 4 ) 上位机通信初始化，完成与监控总机的通信设置，取得与监控总机的通 信联系。 监 c m p _ i d t 一妃一b t 倪的朴码， 浚伸越搜啭址鹩! 巾所年f 心符器件的 i d _ b i t _ n u n d ) e r 竹的补蝌的逻辑a n d i d _ b i t 押何擅譬耄中第次谴墩的值l 该神足搜索i 上榭中所f r 脚符器件的 i d _ b i t _ n u m b e r 伸的逻辑a n d 。 i d _ b l l n u m b e r 一记驶荫搜南足1 捌6 4 付r o m 钙中哪。付的峨 1 a s t d e v i c e f l a g 指l 射i 撑欢搜索捌纳l 三 址嫩后 个器什的“，厶位 l | l 啪i s c r e p a n c y 似指针指碉“f 欹艘 嫩从哪个饿屈错位，| 鳓 l a s t f a m l l y d i s c r e p a n c y 一付撤针 朋束 辑嗡l a s t o i s c r e p a n c y 址嚣越在r o m 鹤 巾的8 伸- 永拔码内和儿似霄 i a 啦抽r o 1 砍铍1 ；入0 们值船肄他的艘 篱 r o m n o 一址求漪i ：祚 找的r o m 注 册斟的8 ，缓冲器 s e a r c h _ d i r e c t l o n 叫罩蹙馓乳俄i 来卅 嘲搜索，j 们。h 彳r 此数据能确定甜的所 订黔什继绒响 咄阻索球竹：j 它嚣件转 入肄特状卷托到l ? 。次1 - w i r e 蓖化 1 6 图3 - 1 0i - w i r e 接口初始化 数据采集模块 数据采集模块完成对所有数字温度传感器和红外温度传感器信号的采集。 对于红外温度传感器信号的采集比较简单，通过简单的a d 转换再经过非线性 校正即可，以下对挂接在l - w i r e 接口上的1 8 8 2 0 数字温度传感器信号采集进行 较详细的说明。 l - w i r e 接口上的1 8 8 2 0 数字温度传感器信号采集固件流程如图3 1 l 1 7 图3 - 1 11 8 8 2 0 数字温度传感器信号采集固件流程 通信模块 通信模块完成与监控总机的通信。监控总机按照一定的时间间隙对数据采集 器进行巡检，被巡检到的数据采集器必须按照指令发送所采集到的数据。通信 模块的固件流程如图3 1 2 。 1 8 图3 1 2 通信模块的固件流程 3 3 数据采集器电磁兼容设计 3 3 1 高压开关柜内的电磁干扰 高压开关柜内电磁干扰分为外部干扰和内部干扰【9 】。外部干扰主要包括高 压开关操作、短路故障、雷电、电晕放电、高电压大电流的电缆和设备向周围 辐射电磁波、高频载波和对讲机等辐射干扰源，以及附近电台、通信等产生的 电磁干扰、静电放电等。内部干扰是由自动化系统的结构、元件布置和生产工 艺等决定的，主要有杂散电感、电容引起的不同信号感应，长线传输造成的波 反射、寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。但是，不论是内部干扰还是外部干 扰，都具有相同的物理特性，所以消除和抑制它们的措施基本是相同的。高压 开关柜是一个封闭系统，其金属柜体对外部电磁干扰有较好的屏蔽作用，以下 重点讨论高压开关柜内的电磁干扰。 高压开关柜内电磁干扰源主要包括： 触头动作引起的高频电磁干扰 由于回路中分布电容和电感的存在，触头关合动作往往引起高频振荡，振 荡的频谱在0 5 1 0 0 m h z 范围内、在频率为2 0 m h z 附近的辐射电磁场强度最 大。触头动作引起的高频电磁干扰持续时间很短，但辐射强度非常大，在辐射 电场强度的幅值为1 5k v m ，磁场强度的幅值为a m 。 绝缘表面污秽放电和结缘内部局部放电引起的高频电磁干扰 高压开关柜内有大量的绝缘件，这些绝缘件在长期高温、积污工作环境下 1 9 其材料性能会有所降低，因此引起的一些放电现象会产生相应的高频电磁干扰。 绝缘表面污秽放电主要来自支柱绝缘子，虽然高压开关柜内没有大的污秽源， 但内部空气不流通，久而久之会有相当数量的粉尘积累在绝缘子表面，当空气 湿度较大的时候将发生绝缘表面的污秽放电。局部放电主要来自c t ，目前的 c t 大多为干式c t ，采取环氧树脂灌注的工艺，此种制造技术对工艺的要求很 高，如果略有欠缺将可能导致固化后的环氧树脂内存在微气泡，而这些微气泡 就是局部放电的根源。 此外，开关柜内其他二次设备也可能产生一定的电磁干扰。 消除或抑制电磁干扰，可针对电磁干扰的三要素干扰源、传播途径和 电磁敏感设备来进行。可在系统的硬件和软件方面采取一些必要的措施，以期 消除或抑制电磁干扰。 根据抗干扰能力的原理，目前广泛采用的电磁兼容技术的设计方法有； 切断干扰源 减小耦合 提高受干扰系统( 或设备) 的敏感度阀值 在实际情况中，往往是3 个因素综合考虑，并按一一的顺序来采取措 旋，以获得最佳的效果。并且，电磁兼容技术的设计要从电磁兼容的3 个基本要 素着手，从原理的可行性、元器件的选择、加工生产工艺、安装运行环境等几 个方面来考虑。把握不同类型电磁干扰的本质，对不同的