专利名称：采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及隔离开关触头温度在线测量设备，尤其是一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置。
背景技术：
目前电力系统对变电站高压隔离开关触头温度进行监测的常规方法是依靠人力以及红外测温仪进行定时巡检，这种方法不仅耗费大量人力，也不能实现对触头温度变化的实时监测。也有一些在线测量方案被提出，但是在这些方案中由于在线测量装置安装在隔离开关高压导电臂上，因此如何解决装置的供电的问题是技术的瓶颈。现有的方案包括(1)悬浮温度测量装置，采用太阳能电池供电。在这种方案中，太阳能电池板被用于为悬浮测量装置供电，装置内配置蓄电池，用于在光照条件下对能量进行存储，在无光照条件下为装置持续工作提供电源。这种技术方案的主要问题一是容易受到环境的影响，例如太阳能电池板的发电能力决定于光照条件，夜晚或阴雨天气以及灰尘覆盖下发电能力受到极大限制；其次，蓄电池的工作寿命有限，而且在低温下储能释放能力受到极大的限制。(2)悬浮温度测量装置，采用磁场线圈感应供电。这种方案中测量装置的供电通过线圈来感应线路中的负荷电流来实现。这种方案的最大问题是负荷电流总是处于不断的波动之中，供电的稳定性面临挑战。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，有效克服了悬浮装置供电的技术瓶颈，供电可靠性高且免维护。一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特别之处在于包括至少一个悬挂测量装置、ZigBee基站和后台PC，其中所有悬挂测量装置均与ZigBee基站之间通过ZigBee网络无线连接,而ZigBee基站和后台PC之间通过光纤或电缆连接。其中悬挂测量装置包括套装在隔离开关导电臂上的铝制圆筒，该铝制圆筒通过绝缘支架与安装在隔离开关导电臂上的安装铜箍刚性连接，从而在铝制圆筒与隔离开关导电臂之间形成空腔，在该空腔内的绝缘支架上安装有两个铝制密封壳，在该两个铝制密封壳内分别安装有测控电路和变压器储能电容电路，并且该两个电路之间通过电缆连接；还包括一热电偶，该热电偶的测温端与隔离开关触头接触，而其信号输出端通过电缆与铝制圆筒内的测控电路电连接；该测控电路还与一天线电连接，该天线伸出铝制圆筒外。其中热电偶的测温端焊接在一 Al2O3覆铜陶瓷板上，并且焊接一侧的Al2O3覆铜陶瓷板表面采用硅橡胶密封，而Al2O3覆铜陶瓷板的另一侧固定在隔离开关触头旁安装的铜扣件上。其中变压器储能电容电路包括桥式整流器，该桥式整流器的交流输入端分别与隔离开关导电臂和铝制圆筒连接，其直流侧则连接一个取能电容，从而让位移电流给取能电容充电，该取能电容两端分别与相串联的脉冲降压变压器初级绕组和半导体放电开关两端连接，从而在取能电容上的充电电压达到设定阈值时通过脉冲降压变压器次级绕组向与该次级绕组串联的储能电容放电，该储能电容与测控电路电连接从而供电。其中测控电路包括单片机，该单片机分别与热电偶和带有天线的ZigBee射频收发器电连接。其中在两个铝制密封壳的内壁四周均贴有硅钢片。目前电力系统对变电站高压隔离开关触头温度进行监测的常规方法是依靠人力以及红外测温仪进行定时巡检，这种方法不仅耗费大量人力，也不能实现对触头温度变化的实时监测。虽然目前也有一些在线测量方案被提出，但是在这些方案中由于在线测量装置安装在隔离开关高压导电臂上，因此如何解决装置的供电是瓶颈问题。本实用新型通过电场感应供电的方式可以使装置依靠电力系统高压侧自身来取电，无需外加电源，可靠性高且免维护，有效克服了悬浮装置供电的技术瓶颈，对于实现变电站无人值守具有重要意义。
附图1为本实用新型的使用状态示意图；附图2为本实用新型的原理图；附图3为本实用新型中悬挂测量装置(I)的结构示意图。
具体实施方式
图1给出了本实用新型的安装示意图，如图所示，整个测量装置被安装在隔离开关的导电臂2上，测温的热电偶4从装置内伸出，在导电臂2触头5附近通过Al2O3覆铜陶瓷片和铜扣件实现了导热接触，同时保证了测控电路7与导电臂2之间的电气隔离。测量数据通过ZigBee网络实现了无线传输。图2给出了整个测量装置(包括无线传输网络)的原理示意图。整个测量装置分为隔离开关上的悬挂测量装置1、ZigBee基站以及后台PC三个部分。悬挂测量装置I与ZigBee基站之间通过无线射频构成一个网络，基站通过通讯光纤或电缆与后台PC相连。悬挂测量装置I主要用于测量隔离开关触头5温度，并把温度测量数据通过无线发送；ZigBee基站主要作用是建立ZigBee网络，并接收各个悬挂测量装置I发送的温度测量数据，并通过光纤或电缆发送到后台PC ;后台PC的主要作用是对隔离开关触头5的当前温度进行显示，并运行IEC61850协议，把整个测量装置接入到变电站的综合自动化系统(DCS)。由于高压隔离开关触头(简称触头)5温升是隔离开关最重要的运行参数，过高的温度会影响设备的安全运行，造成故障或事故，因此必须对其定时进行监测。现在电力系统对于触头5温度的检测多数采用人工巡检和红外测量的方法，即定时派人到各个变电站，采用红外测温仪或红外热像仪等非接触式测量设备对触头5温度进行检测。由于电力系统变电站比较多，而且每个变电站内的隔离开关也数量众多，因此这个工作要耗费大量人力和物力，特别是对于距离城区比较远的变电站，这个问题是比较突出的。另外，人工巡检不能及时发现隔离开关触头5温度的变化，对于及时发现问题和防止故障是不利的。因此，本实用新型提出一种测量装置的技术方案，该测量装置安装在隔离开关导电臂2上，它通过热电偶4直接对触头5温度进行接触式测量，然后把测量结果通过无线网络传送到变电站主控制室的后台PC上，并最终融入变电站DCS系统中。如图2所示，整个隔离开关温度测量以及数据传送系统包括隔离开关导电臂2上的悬挂测量装置1、ZigBee基站以及后台PC三个部分。其中悬挂测量装置I安装在隔离开关的导电臂2上，是一个悬浮于高压侧的系统，它通过热电偶4对触头5附近的温度进行测量，测量结果通过内置的ZigBee射频收发器发送到地面上50 IOOm远的ZigBee基站。悬浮测量的核心问题是如何解决高压侧设备的供电，由于无法实现短期定时更换，所以一切蓄电池方案均不可行，必须采用自供电方式，即依靠装置自身来解决电源的问题。本实用新型提出一种采用电场感应方式供电的悬浮测量方案。如图2所示，在隔离开关导电臂2上安装一块感应极板(即铝制圆筒3)，该感应极板与大地之间的寄生电容C(图2中虚线连接的电容)在高电压作用下会产生工频位移电流。位移电流决定于寄生电容C的大小和闻压等级。当感应极板大小和安装位置确定后，在特定的闻压等级下，该位移电流为交流恒流源。如果能够把该恒流源携带的能量进行利用，则对于解决悬浮测量的供电问题将具有重要意义，因为该能量的提供是稳定和持续的，不受环境的影响，也没有电池寿命的问题，而且取电的成本很低。基于这样的思想，本实用新型提出了图2所示的通过高压交流电场感应取电的电路。四个二极管Dl D4构成一个桥式整流器，它的交流输入端分别连接到隔离开关导电臂2和感应极板上，其直流侧则连接一个小容量取能电容Cl。该电路的主要作用是让位移电流给取能电容Cl充电。当取能电容Cl上的充电电压达到某个设定阈值时，它将通过一个脉冲降压变压器T和半导体放电开关S向另外一个大容量储能电容C2放电。脉冲降压变压器T的应用主要目的是为了把取能电容Cl两侧的高电压变换为可被测量电路直接利用的低电压。电路中的二极管D5是为变压器漏抗提供续流路径，二极管D6则为变压器副边整流二极管。该电路采用间歇工作方式，即储能一释放一再储能一再释放的循环工作方式，在储能期间测量电路不供电，ZigBee网络节点也处于脱网断开方式；当储能电容C2的能量积蓄到一定值，测量电路将被启动，ZigBee网络节点也将启动工作，连入变电站ZigBee基站创建的无线网络，并把温度测量结果发送给基站。ZigBee无线传输网络是一个近些年来被广泛应用于传感器领域的工业无线局域网，它具有低功耗、低成本、安全性高以及网络容量大等优点，非常适合在省电环境下应用。ZigBee网络的节点包括一个主协调器(Coordinator),路由器(Routers)和终端设备(EndDevices)三种,它可以构成星形、树形和网形三种网络形式。Coordinator用于创建网络；Router用于将网络节点之间相互交换的数据包按照特定的路径进行转发，并管理和维护路由的路径；End Device由用户创建，用于执行用户指定的任务，例如利用传感器实现测量，同时作为网络节点，它可以选择加入或退出某个ZigBee网络，当加入网络后，能够利用ZigBee网络向其它网络节点传送数据。本实用新型中，ZigBee网络采用星形组网方式，ZigBee基站为网络的Coordinator节点，而悬挂在隔离开关导电臂2上的触头5温度在线测量装置则为ZigBee网络的End Devices。各End Device把温度测量数据直接向基站Coordinator发送,基站将这些数据将转换为光信号，通过光纤传送到位于控制室的后台PC上。如图2所示，一个微功耗的单片机被用于实现温度测量和ZigBee网络End Device节点功能。单片机通过一个2. 4GHz的射频收发模块构成了 ZigBee网络的节点，当储能电容C2上存储的电能达到足够量后，该节点启动工作并连入基站Coordinator建立的网络中，并实现温度数据向Coordinator 的传输。后台PC的主要作用是接收并显示来自各隔离开关触头5温度的测量信息，并运行IEC61850协议，作为IED设备融入变电站DCS系统，使得各隔离开关的温度测量数据能够被电力系统远方控制中心实时查看。在图2给出的隔离开关触头5温度悬浮测量系统方案中，在导电臂2上悬挂的在线测量装置是本实用新型的核心，它的具体实施方式
如图3所示一个铝制圆筒3被用于实现电场感应供电的感应极板，该铝制圆筒3还作为整个测量装置的外壳。铝制圆筒3形状不仅能够感应相与地之间的电场，也能为相间电场提供足够的感应面积；另外，铝制圆筒3形具有较大的表面曲率半径，可以有效防止其它结构形式由于高压电场的集中而造成的局放问题；最后，铝制圆筒3还作为整个测量电路的外壳，屏蔽外电场的影响。测控电路7被安装在一个铝制密封壳中，脉冲降压变压器T和储能电容C2则被安装在另外一个铝制密封壳中。每个壳体的内壁四周采用0. 3mm硅钢片叠层形成一个磁场屏蔽(厚度约1. 5_)。屏蔽的目的是为了防止隔离开关最大负荷电流(高达数千安培)造成变压器铁芯以及其它磁件的饱和，进而引起放电电路短路损坏的问题。装测控电路7的铝制密封壳以及装变压器储能电容电路10的铝制密封壳之间用电缆连接，同时它们分别被安装在两块电工绝缘木制造的底板上，这两个底板之间采用支撑柱将其与电工绝缘木制作的安装基板相互连接和固定。两个安装铜箍8相互扣合后用螺栓固定，从而把隔离开关导电臂2与整个测量装置紧密连接在一起。铝合金的结构件用于把安装基板与薄的铝制圆筒3外壳以及端盖等组合在一起。天线6通过铝制圆筒3两端的端盖伸出筒外。温度测量采用热电偶4来实现，为了在热电偶4与隔离开关导电臂2之间形成电气绝缘并具有良好的导热能力，测量装置中使用了功率半导体模块封装用材料Al2O3覆铜陶瓷板(DBC)。热电偶4的热端被采用焊料焊接到DBC的焊盘上，然后整个表面采用硅橡胶密封，构成一个测温元件。DBC上开有螺丝孔，整个测温元件被采用螺栓固定到隔离开关触头5附近安装的铜扣件上，从而实现对导电臂2触头5温度的检测。ZigBee射频收发模块把相互距离为50 IOOm的悬挂测量装置I与ZigBee基站连接形成通讯链路。ZigBee基站采用定向天线6和射频功放创建网络，并覆盖所有悬挂测量装置I终端范围。当基站处理器收到测量装置发出的温度测量数据后，通过光纤把数据传送到后台PC上，通讯方式为异步通讯方式(UART)，波特率选择为9600。
权利要求1.一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于包括至少一个悬挂测量装置(I)、ZigBee基站和后台PC，其中所有悬挂测量装置(I)均与ZigBee基站之间通过ZigBee网络无线连接，而ZigBee基站和后台PC之间通过光纤或电缆连接。
2.如权利要求1所述的一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于其中悬挂测量装置(I)包括套装在隔离开关导电臂(2)上的铝制圆筒(3)，该铝制圆筒(3)通过绝缘支架(9)与安装在隔离开关导电臂(2)上的安装铜箍(8)刚性连接，从而在铝制圆筒(3)与隔离开关导电臂(2)之间形成空腔，在该空腔内的绝缘支架(9)上安装有两个铝制密封壳，在该两个铝制密封壳内分别安装有测控电路(7)和变压器储能电容电路(10)，并且该两个电路之间通过电缆连接；还包括一热电偶(4)，该热电偶⑷的测温端与隔离开关触头(5)接触，而其信号输出端通过电缆与铝制圆筒(3)内的测控电路(7)电连接；该测控电路(7)还与一天线(6)电连接，该天线(6)伸出铝制圆筒(3)外。
3.如权利要求2所述的一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于其中热电偶⑷的测温端焊接在一Al2O3覆铜陶瓷板上，并且焊接一侧的Al2O3覆铜陶瓷板表面采用硅橡胶密封，而Al2O3覆铜陶瓷板的另一侧固定在隔离开关触头(5)旁安装的铜扣件上。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于其中变压器储能电容电路(10)包括桥式整流器，该桥式整流器的交流输入端分别与隔离开关导电臂(2)和铝制圆筒(3)连接，其直流侧则连接一个取能电容(Cl)，从而让位移电流给取能电容(Cl)充电，该取能电容(Cl)两端分别与相串联的脉冲降压变压器(T)初级绕组和半导体放电开关两端连接，从而在取能电容(Cl)上的充电电压达到设定阈值时通过脉冲降压变压器(T)次级绕组向与该次级绕组串联的储能电容(C2)放电，该储能电容(C2)与测控电路(7)电连接从而供电。
5.如权利要求4所述的一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于其中测控电路(7)包括单片机，该单片机分别与热电偶(4)和带有天线(6)的ZigBee射频收发器电连接。
6.如权利要求2所述的一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置，其特征在于其中在两个铝制密封壳的内壁四周均贴有硅钢片。
专利摘要本实用新型涉及隔离开关触头温度在线测量设备，尤其是一种采用圆筒型电场感应板的自供电高压隔离开关触头温度在线测量装置。其特点是包括至少一个悬挂测量装置(1)、ZigBee基站和后台PC，其中所有悬挂测量装置(1)均与ZigBee基站之间通过ZigBee网络无线连接，而ZigBee基站和后台PC之间通过光纤或电缆连接。本实用新型通过电场感应供电的方式可以使装置依靠电力系统高压侧自身来取电，无需外加电源，可靠性高且免维护，有效克服了悬浮装置供电的技术瓶颈，对于实现变电站无人值守具有重要意义。
文档编号G01K7/02GK202869683SQ20122054874
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者艾绍贵, 曾翔君, 吕洪波, 詹国红, 潘庆庆, 梅华, 骆一萍 申请人:宁夏电力公司银川供电局, 国家电网公司