一种用于电力开关柜在线监测的双探头温度传感器的制作方法

1.本发明涉及电力设备监测传感器，尤其涉及一种用于电力开关柜在线监测的双探头温度传感器。


背景技术：

2.电力开关柜是保障电力系统安全运行的一种重要设备，主要是用于开断或关合电力线路，输送、倒换电力负荷，将故障线路和设备退出运行等方面。由于开关柜的重要性，对于开关柜的是否正常工作直接影响到电力系统的安全运行，因此，对开关柜进行监测显得尤为重要。
3.传统的开关柜监测一般是在开关柜的柜体内部的对应部位安装接触式传感器或者红外探头传感器，来实现对开关柜内的温度监测。但是开关柜在运行时为全封闭式的，其内部存在大电流以及高电压；当需要对传感器安装或维护时，首先需要断开开关柜的电源并打开开关柜，才能实现传感器的安装与更换。因此，对于开关柜的非介入式的监测方式相对于传统的接触式监测的方式来说，对于传感器的安装以及维护相对来说，更为便捷。但是，现有的开关柜的非介入式监测，是通过在开关柜的柜体表面的多个关键部位安装传感器实现对柜体表面的温度进行监测，同时通过设置对应的环境温度传感器监测环境温度，通过获取多个环境温度传感器的监测数据并结合非介入算法来推算开关柜的集总热源温度。这种方式需要多个独立的传感器，分别进行相应的监测，一旦某个环境温度传感器与监测系统的连接断开，则无法实现开关柜的集总热源温度的推算；同时，在许多实际的工程中，由于环境温度传感器的数量多，安装很容易出现混乱和遗漏，进而造成监测结果出现错误等问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于电力开关柜在线监测的双探头温度传感器，其能够解决现有技术中需要通过两个独立的传感器分别对开关柜的柜体表面温度以及环境温度进行测量时传感器数量多导致安装不便、测量不稳定等问题。
5.本发明的目的采用如下技术方案实现：
6.一种用于电力开关柜在线监测的双探头温度传感器，所述双探头温度传感器包括集控模块、电源模块、热端温度探头和冷端温度探头；所述双探头温度传感器设有热端面和冷端面，并且热端面、冷端面相对分设于双探头温度传感器的上下两端；所述双探头温度传感器安装于开关柜的柜体表面，并且热端面与开关柜的柜体表面直接接触；所述热端温度探头，设于双探头温度传感器的热端面与开关柜的柜体表面之间，用于检测热端面的温度；所述冷端温度探头，设于双探头温度传感器的冷端面，用于检测冷端面的温度；所述热端温度探头、冷端温度探头分别与集控模块电性连接；所述电源模块与集控模块电性连接，用于为集控模块提供电能；所述集控模块，用于通过热端温度探头获取热端面的温度、通过冷端面探头获取冷端面的温度，并结合双探头温度传感器内预先配置的非介入算法模型计算得
出开关柜的集总热源温度。
7.进一步地，开关柜的集总热源温度θ1(t)为：
[0008][0009]
其中，θ2(t)为双探头温度传感器的热端面的温度；θ3(t)为双探头温度传感器的冷端面的温度；a
12
为开关柜的集总热源与双探头温度传感器的热端面之间的传热热阻系数，为常数；a
23
为双探头温度传感器的热端面与冷端面之间的传热热阻系数，为常数；b
12
为开关柜的双探头温度传感器的热端面等温面内部全部物质总和的热容性系数，为常数；t为传感器采样时间，则是温度对于时间的导数。
[0010]
进一步地，所述双探头温度传感器的冷端面与热端面之间设有导热材料。
[0011]
进一步地，所述集控模块，用于按照预设的时间间隔同时通过热端温度探头对双探头温度传感器的热端面的温度进行采样，以及通过冷端温度探头对双探头温度传感器的冷端面的温度进行采样，并记录采样时间。
[0012]
进一步地，所述预设的时间间隔为30秒；冷端温度探头和热端温度探头的采样时间点偏差不大于
±
5秒。
[0013]
进一步地，包括数据存储模块，所述数据存储模块与集控模块电性连接；所述数据存储模块，用于存储配置的非介入算法模型、双探头温度传感器的热端面的温度、双探头温度传感器的冷端面的温度、推算的结果数据以及对应的采样时间。
[0014]
进一步地，所述热端温度探头和冷端温度探头采用相同型号的测温元器件。
[0015]
进一步地，热端温度探头和冷端温度探头的测温精度的误差均不大于
±
1℃。
[0016]
进一步地，还包括无线通讯模块，所述集控模块通过无线通讯模块与后台系统通信连接，用于将监测数据和推算出的结果数据发送给后台系统，从而使得后台系统可以根据监测数据、推算出的结果数据对开关柜的运行状态做出诊断。
[0017]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0018]
本发明提供的双探头温度传感器安装于开关柜的柜体表面，双探头温度传感器设置热端面与柜体表面直接接触、冷端面与热端面相对设置；通过两个温度探头分别获取热端面、冷端面的温度，并结合双探头温度传感器内配置的非介入算法模型来实现开关柜的集总热源温度的计算。本发明提供的双探头温度传感器安装于开关柜外部，维护不需要断电，既解决了传统的采用安装于开关柜内的接触式传感器或红外传感器实现对开关柜进行监测时需要断开开关柜的电源才能实现传感器的安装与维护时导致经济损失等问题，又解决了现有的非介入式监测需要多个独立的传感器分别对开关柜的柜体表面温度以及环境温度的监测导致测量不稳定、传感器数量多导致安装容易出现混乱和遗漏等问题。
附图说明
[0019]
图1为本发明提供的用于开关柜在线监测的双探头温度传感器的构成示意图；
[0020]
图2为图1中的双探头温度传感器的各模块与后台系统的架构示意图；
[0021]
图3为本发明提供的双探头温度传感器与开关柜的传热结构示意图；
[0022]
图4为环网柜电缆室双探头温度传感器的实测温度趋势图。
[0023]
图中：1、开关柜；2、双探头温度传感器；21、热端面；22、冷端面；3、冷端温度探头；4、热端温度探头；5、集总热源。
具体实施方式
[0024]
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0025]
本发明提供了一种用于电力开关柜在线监测的双探头温度传感器，如图1和2所示，包括集控模块、热端温度探头、冷端温度探头、电源模块和数据存储模块。
[0026]
其中，热端温度探头、冷端温度探头、数据存储模块、电源模块分别与集控模块电性连接，电源模块为集控模块提供电源。
[0027]
具体地，如图3所示为本实施例中双探头温度传感器2与开关柜1的位置示意图。开关柜1中有集总热源5。双探头温度传感器2设有热端面21和冷端面22。双探头温度传感器2安装于开关柜1的柜体表面，并且热端面21与开关柜1的柜体表面直接接触，冷端面22设于远离开关柜1的柜体的一侧。双探头温度传感器2的热端面21与冷端面22相对设于双探头温度传感器2的上下两端。其中，热端温度探头4设于双探头温度传感器2的热端面21与开关柜1的柜体表面之间，用于检测双探头温度传感器2的热端面21的温度。冷端温度探头3设于双探头温度传感器2的冷端面22，用于检测双探头温度传感器2的冷端面22的温度。也即，当开关柜1在运行过程中，由于开关柜1会产生热量导致开关柜1的柜体的温度升高。通过将双探头温度传感器2的热端面21与开关柜1的柜体表面接触，可使得双探头温度传感器2的热端面21的温度升高，而双探头温度传感器2的冷端面22设于远离开关柜1的柜体表面的一侧并与热端面21相对设置。
[0028]
优选地，本发明是通过热端温度探头、冷端温度探头分别获取双探头温度传感器热端面、冷端面的温度，并结合双探头温度传感器内预先配置的非介入算法模型推算得出开关柜的集总热源温度。
[0029]
优选地，集控模块用于按照设定的时间间隔，同时通过热端温度探头和冷端温度探头分别获取双探头温度传感器的热端面的温度和冷端面的温度，并结合双探头温度传感器内预先配置的非介入算法模型计算得出开关柜的集总热源温度，如图4所示。
[0030]
为了避免由于采样时差所带来的测温偏差，在集控模块获取热端温度探头与冷端温度探头的数据时，需要同步进行；同时在采集双探头温度传感器的热端面的温度以及冷端面的温度时，记录采样时间。
[0031]
集控模块与数据存储模块电性连接，将采集到的双探头温度传感器的热端面的温度、冷端面的温度、采样时间、推算得出的开关柜的集总热源温度存储数据存储模块中。
[0032]
优选地，双探头温度传感器还包括无线通讯模块。集控模块通过无线通讯模块与后台系统通信连接，用于将采集的数据以及推算的结果数据上传至后台系统，以及接收后台系统发送的控制指令等。
[0033]
优选地，集控模块还可通过后台系统发送的指令，按照要求的时间周期或频次上传测量数据、采样时间以及推算结果。
[0034]
优选地，本实施例是通过双探头温度传感器的热端面的温度以及热端面的温度，并结合非介入算法模型推算得出开关柜的集总热源温度。其中，非介入算法模型是预先配置于双探头温度传感器内的。当双探头温度传感器安装于开关柜的柜体表面并与后台系统通信后，后台系统根据双探头温度传感器的原始数据、开关柜原始台账信息、开关柜内设备的负荷历史数据，对双探头温度传感器配置的非介入算法模型的模型参数进行验证并优化，然后将优化后的模型参数发送到双探头温度传感器对双探头温度传感器内的非介入算法模型的模型参数进行配置更新。
[0035]
在计算开关柜的集总热源温度时，集控模块首先同时通过热端温度探头、冷端温度探头分别获取双探头温度传感器的热端面的温度、冷端面的温度，同时记录采样时间，然后结合非介入算法模型计算得出开关柜的集总热源温度。
[0036]
其中，开关柜的集总热源温度θ1(t)为：
[0037][0038]
其中，θ2(t)为双探头温度传感器的热端面的温度；
[0039]
θ3(t)为双探头温度传感器的冷端面的温度；
[0040]
a
12
为开关柜的集总热源与双探头温度传感器的热端面之间的传热热阻系数，为常数；
[0041]
a
23
为双探头温度传感器的热端面与冷端面之间的传热热阻系数，为常数；
[0042]
b
12
为开关柜的双探头温度传感器的热端面等温面内部全部物质总和的热容性系数，为常数；
[0043]
t为传感器采样时间，则是温度对于时间的导数。
[0044]
其中，a
12
、a
23
、b
12
均为非介入算法模型的模型参数，与开关柜的规格型号相对应，可通过预先的实验，对多组实验数据，解方程组得到模型参数数值解，再对多次实验得到的模型参数数值解，求取统计平均值或做函数拟合优化而得到。
[0045]
优选地，a
23
为热端面与冷端面之间的传热热阻系数，是传感器的内部固化特征物理量，极难发生改变，一般为固定的常数。
[0046]
b
12
为开关柜的热端面等温面内部全部物质总和的热容性系数，对于确定规格的开关柜，b
12
极少发生变化，一般为固定的常数。
[0047]
a
12
为开关柜集总热源与热端面之间的传热热阻系数，当开关柜发生变更时，比较容易发生变化。因此，当开关柜不同时，该模型参数a
12
需要进行改变，因此，为了提高测量结果的精确度，需要对该模型参数进行优化。因此，对于公式(1)来说，也即对整个非介入算法模型，模型参数a
12
，是公式(1)的关键参数，在对非介入算法模型的模型参数进行优化时，只需要对该参数进行优化即可。
[0048]
优选地，静态工作环境是指物理量不随时间而发生变化，处于静止不变的状态，是较为相对理想的状态。因此，当开关柜工作在静态工作环境下时，可将公式(1)转换为公式(2)，具体为：
[0049]
静态集总热源温度为：
[0050]
设定则将公式(2)转换为公式(3)：
[0051]
θ1(t)＝θ2(t)+kδθ
23
(t)(3)。
[0052]
其中，k是指简化后的非介入式算法模型的模型参数。
[0053]
因此，当开关柜更换时，可通过后台系统对该模型参数k进行优化。具体地，根据电力设备的设计原则可知，电力设备的最大载流量受限于电力设备的实际最高温度，也即电力设备的最大载流量与实际最高温度具有对应关系。因此，根据电流致热和散热过程的数学模型，可得出系统在静态下的模型方程，具体如下表示：
[0054]
δθ(t)＝k
i
i(t)2,δθ(t)＝θ1(t)
‑
θ0(t)
[0055]
δθ
e
＝k
i
i
e2
,δθ
e
＝θ
e
‑
θ0(t)。
[0056]
其中，θ0(t)为开关柜的环境温度；θ1(t)为开关柜的集总热源温度；θ
e
为开关柜内导体温度额定值，为开关柜的原始设计信息；i
e
为开关柜的电流额定值，为开关柜的原始设计信息；k
i
为电流致热的理论集总热源温升系数；i(t)为一静态条件的电流值。从上述方程可知，θ
e
、i
e
为开关柜内设备的原始设计信息，为已知的；i(t)、θ0(t)可从其他后台系统或设备获取；k
i
为电流致热的理论集总热源温升系数，为常系数，可求得；由此，可根据上述方程计算得出电流致热的集总热源温度θ1(t)。
[0057]
当开关柜的工作状态处于静态条件下，求得电路致热的集总热源温度θ1(t)后，可根据非介入算法模型，以及结合非介入式温度传感器的热端面与冷端面的温度差计算得出模型参数k，具体为：
[0058][0059]
其中，θ2(t)、θ3(t)分别为非介入式温度传感器的热端面的温度、冷端面的温度，可通过非介入式温度传感器获取，因此，模型参数k可通过热端面的温度和冷端面的温度计算得出。
[0060]
由于从前可知，当令a
23
为常数不变时，则根据k求得优化后的a
12
，从而实现对公式(1)中的各个参数的优化，同时将优化后的参数通过后台系统发送到每个非介入式温度传感器中，对其配置的非介入算法模型的模型参数进行更新。
[0061]
优选地，当开关柜发生变更时，后台系统会按照上述优化方式对上述公式(1)中的模型参数进行相应优化，然后将优化后的模型参数发送给对应的温度传感器进行模型参数的重新配置。其中，变更可包括维修、改造、更换、长期停运后再上电运行等情况。
[0062]
更为优选地，集控模块，还将推算得出开关柜的集总热源温度上传后台系统，使得后台系统根据开关柜的集总热源温度以及系统预设的故障诊断阈值对开关柜的运行状态进行故障诊断。后台系统还根据诊断结果判断是否发出对应的报警信号。
[0063]
优选地，数据存储模块，用于存储热端温度探头采样的双探头温度传感器的热端
面的温度、冷端温度探头采样的双探头温度传感器的冷端面的温度、采样时间以及推算得出的开关柜的集总热源温度等数据。数据存储模块，还用于存储非介入算法模型。
[0064]
集控模块通过无线通讯模块与后台系统进行通信，接收后台系统发送的控制指令，并根据控制指令执行相应的操作。比如，根据控制指令将推算得出开关柜的集总热源温度上传至后台系统，以及根据控制指令得出非介入算法模型的模型参数并对数据存储模块中的非介入算法模型的模型参数进行配置更新。
[0065]
优选地，电源模块为电池。电池与集控模块电性连接，为集控模块提供电源。
[0066]
其中，双探头温度传感器的外形尺寸不能太大，双探头温度传感器的冷端面与热端面相对设于双探头温度传感器的上下两端。优选地，本实施例中的双探头温度传感器的总体尺寸不大于50mm
×
50mm
×
50mm。
[0067]
优选地，双探头温度传感器的热端面与冷端面的结构固定，并且热端面与冷端面之间设有导热材料。其中，导热材料的导热系数稳定，导热材料不会受到外界环境变化的影响，具有抗干扰、抗老化等性能，长时间使用其性能保持不变。优选地，导热材料采用尼龙+玻纤复合材料制作。
[0068]
更为优选地，本实施例中双探头温度传感器的热端温度探头和冷端温度探头采用相同型号的高精度测温元器件，进而保证两端温差的计算精度。
[0069]
其中，热端温度探头以及冷端温度探头的测温精度的误差均不大于
±
1℃。集控模块通过热端温度探头对双探头温度传感器的热端面的温度采集，与通过冷端温度探头对双探头温度传感器的冷端面的温度采集的采样时间、采样周期均相同，避免出现动态过程的差异。优选地，采样周期为30秒钟/次。同时，冷端温度探头和热端温度探头的采样时间点偏差不大于
±
5秒钟。
[0070]
也即，集控模块按照预设的时间间隔同时对热端温度探头和冷端温度探头进行采样，进而同时获取双探头温度传感器的热端面的温度和冷端面的温度，同时记录采样时间。
[0071]
通过采用本发明提供的双探头温度传感器，集成两个温度探头，并分别获取双探头温度传感器的冷端面以及热端面的温度，无需额外的环境温度传感器来实现对环境温度的检测，减少了工程中使用的传感器的数量，节省工程成本。同时本发明的双探头温度传感器安装于开关柜的柜体表面，无需停电安装传感器，解决了现有技术中当需要对传感器进行更换时需要停电并打开开关柜以实现对传感器的温度而导致经济损失等问题，本发明大大简化了施工过程，优化了开关柜的在线监测。
[0072]
同时，本发明提供的双探头测温传感器固化了两个测温探头的相对位置，改善了原有工程方式中的因选点位置不同而带来的偏差。在工程施工时，不再需要对传感器功能性位置做设置，简化了监测工程安装工作，减少配置错误的几率。
[0073]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。