戶外高壓隔離開關溫度在線監測裝置的研究

劉士偉

(朝陽電業局，遼寧 朝陽 122000)

1 引言

高壓開關是電力行業生產中的重要設備之一，開關的主要部分導電觸頭，因接觸面不潔、觸頭氧化、機械變形松動等原因，造成觸頭嚴重發熱燒毀的事故時有發生。以往由于沒有可靠的手段在線監測觸頭溫度等運行狀況，往往采用“計劃維修”，因而極易導致設備燒毀或突然停電等事故，在一定程度上影響了企業的效益。近年來，電力生產中采用了各種先進的測溫設備，如紅外線測溫、光纖光柵測溫，熱電偶測溫、手持式測溫儀、觸電過熱指示器等方法，在實際中均取得一定的效果，開關觸頭的溫度得到有效監測，觸頭發熱事故也逐漸減少。其存在的主要問題一是功能單一;其次是無法與其他智能設備共享數據實現互操作。解決上述問題是隔離開關改進的趨勢。

2 采用非接觸測溫——紅外測溫技術方案

紅外測溫技術在生產過程、產品質量監測控制、設備在線故障診斷、安全保護以及節約能源等方面發揮著重要作用。與接觸式測溫方法相比，紅外測溫有著精確、便捷、安全等突出的優點。近20年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發展，性能不斷完善，功能不斷增強，品種不斷增多，適用范圍不斷擴大，市場占有率也逐年增長。

2.1 紅外測溫的工作原理

根據基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩公式這三大輻射定律，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。三大輻射定律均是以“黑體”作為研究對象分析得出的。但是，自然界中存在的實際物體都不是黑體，所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為了使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0～1之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。物體表面發射率主要決定于材料性質和表面狀態(如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態等)。紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時，首先是測量出目標在其波段范圍內的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。紅外測溫儀由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯聚其視場內的目標紅外輻射能量;紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變為相應的電信號;該信號經過放大器和信號處理電路，并按照儀器內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)，單色測溫儀與波段內的輻射量成比例;雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。

3 總體方案設計

智能化裝置采用:“一次設備+智能組件”模式。智能組件構成:狀態監測單元、測控/保護單元、智能終端。系統結構如圖1所示。

其原理是:

把隔離開關的(一對、或多對)常開、常閉輔助觸頭，經光電隔離轉換為遙信信號，用來判斷主觸頭的關合狀態;

圖1 智能組件總體方案

使用電動操作機構的情況時，其分合閘線圈電流經電流變送器/遙測轉換電路后，用來判斷傳動機構是否需要檢修;

通過紅外測溫探頭照射主觸頭，實現主觸頭接觸溫度在線監測。目前，這種非接觸測溫方法在電力設備在線發熱監測方面比較成熟，測溫范圍為0～500℃，誤差≤1℃。完全滿足隔離開關溫度監視需求;

數據采集控制單元完成數據采集控制，系統工作方式設置等，數據處理單元完成數據預處理及數據存儲等，實現當地顯示、報警;

通訊模塊可實現與變電站遠動系統的通訊，從而為遠方監視、設備互動操作提供數字量信息。智能化組件實現的功能:

(1)通過智能化改進為遠方監控或設備提供標準數字量信息，提供設備互動的數據支持。如:通過計算機網絡實現對隔離開關進行遠距離的分、合閘控制;控制隔離開關、斷路器之間的配合，實現倒閘操作;防止出現誤操作。

(2)為隔離開關的檢修提供運行狀態依據。

①對隔離開關傳動系統的在線監測。通過對隔離開關的分、合閘操作。根據電動機構分、合閘電流大小，認定隔離開關傳動系統是否應該進行檢修;

②通過對隔離開關的導電部分的溫升進行監測，來判定隔離開關的導電部分是否能滿足要求;

③通過安裝記數裝置，累計操作次數，限定隔離開關的開合次數;

④通過安裝帶電顯示裝置，提高隔離開關在檢修過程的可靠性。

4 智能測溫系統硬件設計

系統硬件結構如圖2所示。在網絡的最底層是紅外測溫探頭"每個高壓開放置3個測溫探頭"分別采集三相隔離開關觸頭的溫度，通過RS485總線將溫度數據上送至數據采集單元%數據采集單元負責將溫度就地顯示"設置報警參數"并在溫度超限時報警"，同時將溫度數據和報警信號通過RS485總線上送至數據主控單元。數據主控單元將數據采集單元的信息匯總，并留出通訊口，以便依據標準協議。如電力系統185規約協議。通過RS485總線將整個網絡與變電站綜合自動化系統相連。

4.1 紅外測溫探頭的硬件實現

采用熱電堆傳感器作為溫度敏感元件，目標物體的紅外輻射透過紅外濾光片被傳感器內部的黑體吸收。從而使熱電堆的熱端受熱產生溫差電勢。該電勢就表征了目標物體與熱電堆冷端的溫差。此外，傳感器內部自帶了一個熱敏電阻!它的輸出電壓表征冷端溫度。但考慮到盡量縮小探頭的體積!省去輸出冷端電壓的調理放大電路，用數字溫度傳感器DS18B20測量環境溫度，替代熱敏電阻輸出冷端溫度。考慮到現場的測量要求和安裝方式，需要確定傳感器的光學參數，一般的熱電堆傳感器都帶有紅外濾光片，由于現場監測目標的溫度變化范圍為0～15℃，選取的紅外濾光片對波長為7.5～14nm的紅外輻射透過率不低于70%，可以滿足要求。在對光路要求較高的情況下，需要選取帶有透鏡的傳感器以避免光路的交叉影響。在現場探頭的安裝方式見圖2，測量距離為1.2m，目標直徑為12cm選取的帶透鏡傳感器視場張角為7°，距離系數即視場直徑與測量距離的比值(約為，8:1)，能夠滿足測量要求。單片機作為探頭部分的控制芯片，利用其片內自帶的10位A/D將調理放大后的溫差電勢轉換為數字信號，同時接收DS18B20送入的環境溫度信號，單片機將這兩路信號處理后由串口輸出，經電平轉換后由RS485總線將數據上送至數據采集單元，探頭的硬件結構如圖3所示。

圖2 系統硬件結構圖

圖3 探頭硬件結構圖

4.2 數據采集單元和數據控制單元的硬件實現

數據采集單元和數據主控單元的硬件實現由于數據采集單元與數據主控單元所需的系統資源大體相同，因此在硬件上兼顧兩者的需求，設計成統一的電路，只是通過采用不同的接口)跳線及軟件來實現單元的轉換選用INTEL16位單片機80C196KC作為主控制芯片，外擴了32KBRAM及64KB的ROM，分別用于數據寄存+程序存儲和歷史數據記錄，選用時鐘芯片DS12C887記錄系統時間，選用128*64點陣液晶顯示操作界面、溫度數據及報警畫面等，利用65HVD3082實現485通信，它具有1/8單位負載接收器輸入阻抗允許多達256個收發器接于單總線上，利用80C196KC的I/O接口控制多個按鍵實現系統復位和相關的菜單操作，選用IMP705芯片實現看門狗功能，它能夠在程序出錯或電源過低時對系統復位。無論是數據采集單元還是數據主控單元，均處于整個網絡的中間層!既要響應上層的召喚，又要接收下層的數據，因此，只用80C196KC僅有的一個串口實現與上下層間的通訊，需要擴展單片機的串口。對于數據采集單元而言，兩路通訊的實時性要求都不高，可以用一片PLD芯片GAL20V8控制兩個485芯片的選通，從而實現單個串口的分時復用，但對于數據主控單元而言，由于需要隨時響應變電站綜合自動化系統的通訊，用分時復用的方式不能保證與上層系統通訊的可靠性，因此選用串口擴展芯片ST2250外擴出一個串口與上層通訊，而單片機自帶的串口負責與下層的通訊。數據采集單元和數據主控單元的硬件結構分別如圖4所示。

圖4 數據采集及數據控制單元硬件結構

5 結束語

戶外隔離開關在線溫度監測裝置的研究，為設備網絡化、分析決策在線化、設備檢修狀態化提供數據支持。提高設備運行的可靠性，可以實現少維護或免維護，同時可以降低成本，節能減排。

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