一种高压柜隔离触头温度在线监测预警装置的制作方法

本实用新型涉及一种高压柜隔离触头温度在线监测预警装置，适用于电力系统高压开关柜中，测量高压柜隔离触头的温度和电流，实现对隔离触头温度在线监测及载流故障的预警。

背景技术：

高压开关柜是电力供电系统的重要设备之一，担负着供配电和继电保护的双重任务，其工作状态直接影响供电的安全性和可靠性。由于高压开关柜在运行中隔离开关触头会受到机械振动、触头烧蚀、电流过载等原因的影响，使得接触条件恶化，触头接触点温度升高，导致触头局部熔焊或产生电气火花，最终造成设备损坏，甚至引起停电事故。近些年隔离触头温升故障在全国电力系统中频频发生。因此，为了提高供电可靠性，保证供电安全，避免因触头温升引起的重大事故的发生，急需一种有效的高压柜隔离触头温度在线监测预警装置。

近年来，高压开关柜隔离触头载流故障已引起本领域学者们的高度关注，提出了许多监测系统，但目前还存在着一些问题。开关柜隔离触头处于高电压、强磁场的密闭环境中，不适合采用传统的接触式测温方式，国内外非接触式测温主要以红外测温为主。小测量视角的红外温度传感器配有光学透镜价格较高，易受环境影响，相对性价比低，无法得到广泛的应用；普通的红外温度传感器测量视角较大，无法准确地监测触头温度。周围环境中有强大的工频电磁干扰，严重影响温度测量。在温度数据处理中，没有温度补偿运算，仅仅使用粗略的测量结果来反应隔离触头的温度状态，用单一的温度值体现故障预警情况，这些都不能准确地实现高压柜隔离触头温度监测及故障预警功能。

技术实现要素：

基于红外传感器对隔离触头温度测量误差大、易受强电磁干扰和系统预警不准确的问题，本实用新型提供了一种高压柜隔离触头温度在线监测预警装置，能有效地、准确地实现高压开关柜隔离触头温度监测及故障预警功能。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案是：

一种高压柜隔离触头温度在线监测预警装置，包括数据采集模块、数据处理模块、数据服务器和人机界面，每台高压柜隔离触头对应一个数据采集模块，每个数据采集模块包括6个红外温度传感器、3个电流互感器、温度信号调理单元、电流信号调理单元、数据采集MCU单元和数据采集无线收发单元，6个红外温度传感器采集所对应高压配电装置隔离触头温度信息后与对应的温度信号调理单元相连接，3个电流互感器采集所对应高压配电装置隔离触头的电流信息后与对应的电流信号调理单元相连接，温度信号调理单元和电流信号调理单元与数据采集MCU单元相连接，数据采集MCU单元通过数据采集无线收发单元与数据处理模块通讯，数据处理模块对接收的信息进行数字滤波、通信、分析及判断，再通过以太网将数据传输给监控中心的数据服务器，人机界面与数据服务器相连，通过显示屏查看每台高压柜隔离触头温度状态。

本实用新型所述的数据处理模块包括数据处理无线收发单元、数据处理MCU 单元、通讯接口单元和上位机，数据处理无线收发单元接收数据采集无线收发单元的信息后将信息传输给数据处理MCU单元，数据处理MCU单元与通讯接口单元通过双工通信传输数据与指令，通讯接口单元与上位机通过双工通信传输数据指令。

本实用新型所述的红外温度传感器由TPS334红外探测器和菲涅尔镜片组成，将菲涅尔镜片作为TPS334红外探测器的聚焦透镜，测量距离比为12:1，距TPS334红外探测器内窗口14mm，TPS334红外探测器在菲涅尔镜片的中垂线上，红外线通过菲涅尔镜片聚焦到TPS334红外探测器的内窗口，将原来60°测量视角改变为5°，实现点测量视角。

本实用新型所述的温度信号调理单元的电路为：红外温度传感器U5输出两路信号：V1、V2和V3、V4，V2和V4接地，V1为目标温度信号，首先通过电阻 R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10和电容C1、C2、C3、C4、C5、C6 组成的两个无源双T滤波电路后进入放大电路，经上拉电阻R14、R15和R16的作用，使信号电压在0～3V之间，再通过电阻R25、R26、R27、R28、R29和电容C18、C19、C20组成的一个无源双T滤波电路和电阻R30、R31、电容C21、 C22、C23和放大器U4组成一个二阶有源滤波电路，清除工频和高频信号，使信号电压在0～3V之间，目标温度调理电路的输出电压VO1；V3为环境温度信号，首先信号由上拉电阻R17上拉电压，再通过电阻R18、R19、R20、R21、R22和电容C12、C13、C24组成的一个无源双T滤波电路和电阻R23、R24、电容C15、 C16、C17和放大器U3组成一个二阶有源滤波电路，清除工频和高频信号，使信号电压在0～3V之间，环境温度调理电路的输出电压VO2。输出电压VO1、输出电压VO2和供电电源±5V及接地线接入端子排P1中。

本实用新型所述的电流信号调理单元的电路为：电流信号经过电流互感器 U6取其电压，通过电阻R32、R33、R35、电位器R36、电容C24、C25、C26、C27 和放大器U7组成的有源二阶滤波放大电路，经上拉电阻R37、R38和R39的作用，使信号电压在0～3V之间，再通过放大器U8、U10和线性光电耦合器U9组成的光耦电路，实现信号滤波和电压隔离，然后通过电压跟随器U11输出电流调理电路的输出电压VO3。

本实用新型所述的数据采集MCU单元、数据采集无线收发单元的电路为：数据采集MCU单元包括SOC型C8051F020单片机U12、复位电路，JTAG仿真器 U14和反相器U15，C8051F020单片机U12采用无源晶振Y1，其I/O口P4.0、P4.1、 P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P5.0、P5.1和P5.2与数据采集无线收发模块U13端口CSN、CSK、MOSI、MISO、AM、CD、TRX_CE、PWR_UP和TX_EN连接，其I/O口 P2.5与反相器U15连接，反相器U15与无线收发模块U13端口DR连接，实现与无线收发模块的通信；C8051F020单片机U12的JTAG端口TMS、TCK、TDI和TDO 与JTAG仿真器U14的TMS、TCK、TDI和TDO连接，实现程序烧录功能；C8051F020 单片机U12的复位接口RST与按键SW1、二极管D3、电容C48、电解电容C49和电阻R55组成的复位电路接口RST连接，实现上电与按键复位功能；C8051F020 单片机U12自带的AD转换AIN0与AIN1共16路通道，分别与目标温度调理电路的输出电压信号、环境温度调理电路的输出电压信号和电流调理电路的输出电压信号连接，一个数据采集MCU单元采集6个隔离触头温度信号、6个红外温度传感器自身温度信号和3相触头电流信号，使用15路AD转换通道。

本实用新型所述的数据处理无线收发单元、数据处理MCU单元和通讯接口单元的电路为：数据处理MCU单元包括SOC型C8051F020单片机U20、复位电路， JTAG仿真器U23和反相器U22，C8051F020单片机U20采用无源晶振Y2，其I/O 口P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P5.0、P5.1和P5.2与数据处理无线收发模块U21端口CSN、CSK、MOSI、MISO、AM、CD、TRX_CE、PWR_UP和TX_EN 连接，其I/O口P2.5与反相器U22连接，反相器U22与数据处理无线收发模块 U21端口DR连接，实现与数据处理无线收发模块的通信；C8051F020单片机U20 的JTAG端口TMS、TCK、TDI和TDO与JTAG仿真器U23的TMS、TCK、TDI和TDO 连接，实现程序烧录功能；C8051F020单片机U20的复位接口RST与按键SW2、二极管D4、电容C59、电解电容C60和电阻R58组成的复位电路接口RST连接，实现上电与按键复位功能，通讯接口单元电路的接口端RX、TX和DE与数据处理MCU单元C8051F020单片机的P0.6、P0.7和P2.0连接，分别通过光电耦合器U16、U17和U18，起光耦隔离作用，在通过MAX485芯片U19，经上拉电阻R50、 R51和R52分压后，并入双相稳压管D1、D2和防雷管GS1、GS2、GS3，防止过电压破坏电路板，输出通讯接口单元数据传输端A和B与上位机COM连接。

本实用新型采用上述技术方案，利用价格低廉的TPS334红外探测器和菲涅尔镜片组成的红外温度传感器对隔离触头温度测量，保证了装置的电气安全；双T工频滤波电路减小了空间的强电磁场干扰；利用无线通讯技术减少了信号走线；通过测量红外温度传感器自身温度，利用实验得到了标准补偿公式，对触头温度进行温度补偿运算，保证了测量温度的准确性；建立电流、温度和时间实时三维状态图，分析触头温度的热特性，做出准确的故障预警。本系统成本低廉、结构简单、抗干扰能力强、安全可靠、测量精度高、诊断效率高、预警准确，不仅适用于电力系统高压开关柜隔离触头，而且对其他高压电力设备温度监测也有使用价值，具有广泛的应用性。

附图说明

图1高压柜隔离触头温度在线监测预警装置结构框图；

图2数据采集模块结构框图；

图3数据处理模块结构框图；

图4红外传感器示意图；

图5温度信号调理单元电路图；

图6电流信号调理电源电路图；

图7数据采集MCU单元与数据采集无线收发单元电路图；

图8数据处理无线收发单元、数据处理MCU单元和通讯接口单位电路图；

图9温度补偿标准曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1，一种高压柜隔离触头温度在线监测预警装置，包括数据采集模块2、数据处理模块3、数据服务器4和人机界面5，每台高压柜隔离触头1对应一个数据采集模块2，每个数据采集模块2包括6个红外温度传感器6、3个电流互感器7、温度信号调理单元8、电流信号调理单元9、数据采集MCU单元10和数据采集无线收发单元11，6个红外温度传感器6采集所对应高压配电装置隔离触头1温度信息后与对应的温度信号调理单元8相连接，3个电流互感器7采集所对应高压配电装置隔离触头1的电流信息后与对应的电流信号调理单元9相连接，温度信号调理单元8和电流信号调理单元9与数据采集MCU单元10相连接，数据采集MCU单元10通过数据采集无线收发单元11与数据处理模块3通讯，数据处理模块3对接收的信息进行数字滤波、通信、分析及判断，再通过以太网将数据传输给监控中心的数据服务器4，人机界面5与数据服务器4相连，通过显示屏查看每台高压柜隔离触头温度状态。

如图2，数据采集模块包括红外温度传感器、电流互感器、温度信号调理单元、电流信号调理单元、数据采集MCU单元和数据采集无线收发单元，针对高压柜6个隔离触头采用6个红外温度传感器来测量其温度，采用3个电路互感器对三相电流进行测量。

如图3，数据处理模块包括数据处理无线收发单元、数据处理MCU单元、通讯接口单元和上位机，数据处理无线收发单元将数据信息传输给数据处理MCU 单元，数据处理MCU单元与通讯接口单元通过双工通信传输数据与指令，通讯接口单元与上位机通过双工通信传输数据指令。

如图4，红外温度传感器由TPS334红外探测器和菲涅尔镜片组成，将菲涅尔镜片作为TPS334红外探测器的聚焦透镜，测量距离比为12:1，距TPS334红外探测器内窗口14mm，TPS334红外探测器在菲涅尔镜片的中垂线上，红外线通过菲涅尔镜片聚焦到TPS334红外探测器的内窗口，将原来60°测量视角改变为 5°，实现点测量视角。

如图5所示，红外温度传感器U5输出两路信号：V1、V2和V3、V4，V2和 V4接地，V1为目标温度信号，首先通过电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、 R9、R10和电容C1、C2、C3、C4、C5、C6组成的两个无源双T滤波电路后进入放大电路，经上拉电阻R14、R15和R16的作用，使信号电压在0～3V之间，再通过电阻R25、R26、R27、R28、R29和电容C18、C19、C20组成的一个无源双T 滤波电路和电阻R30、R31、电容C21、C22、C23和放大器U4组成一个二阶有源滤波电路，清除工频和高频信号，使信号电压在0～3V之间，目标温度调理电路的输出电压VO1；V3为环境温度信号，首先信号由上拉电阻R17上拉电压，再通过电阻R18、R19、R20、R21、R22和电容C12、C13、C24组成的一个无源双T 滤波电路和电阻R23、R24、电容C15、C16、C17和放大器U3组成一个二阶有源滤波电路，清除工频和高频信号，使信号电压在0～3V之间，环境温度调理电路的输出电压VO2。输出电压VO1、输出电压VO2和供电电源±5V及接地线接入端子排P1中。

如图6所示，电流信号经过电流互感器U6取其电压，通过电阻R32、R33、 R35、电位器R36、电容C24、C25、C26、C27和放大器U7组成的有源二阶滤波放大电路，经上拉电阻R37、R38和R39的作用，使信号电压在0～3V之间，再通过放大器U8、U10和线性光电耦合器U9组成的光耦电路，实现信号滤波和电压隔离，然后通过电压跟随器U11输出电流调理电路的输出电压VO3。

如图7所示，数据采集MCU单元包括SOC型C8051F020单片机U12、复位电路，JTAG仿真器U14和反相器U15。C8051F020单片机U12采用无源晶振Y1，其I/O口P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P5.0、P5.1和P5.2与数据采集无线收发模块U13端口CSN、CSK、MOSI、MISO、AM、CD、TRX_CE、PWR_UP 和TX_EN连接，其I/O口P2.5与反相器U15连接，反相器U15与无线收发模块 U13端口DR连接，实现与无线收发模块的通信；C8051F020单片机U12的JTAG 端口TMS、TCK、TDI和TDO与JTAG仿真器U14的TMS、TCK、TDI和TDO连接，实现程序烧录功能；C8051F020单片机U12的复位接口RST与按键SW1、二极管 D3、电容C48、电解电容C49和电阻R55组成的复位电路接口RST连接，实现上电与按键复位功能；C8051F020单片机U12自带的AD转换AIN0与AIN1共16路通道，分别与目标温度调理电路的输出电压信号、环境温度调理电路的输出电压信号和电流调理电路的输出电压信号连接，一个数据采集MCU单元采集6个隔离触头温度信号、6个红外温度传感器自身温度信号和3相触头电流信号，使用15路AD转换通道。

如图8所示，数据处理无线收发单元12、数据处理MCU单元13和通讯接口单元14的电路为：数据处理MCU单元13包括SOC型C8051F020单片机U20、复位电路，JTAG仿真器U23和反相器U22。C8051F020单片机U20采用无源晶振 Y2，其I/O口P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P5.0、P5.1和P5.2与数据处理无线收发模块U21端口CSN、CSK、MOSI、MISO、AM、CD、TRX_CE、PWR_UP 和TX_EN连接，其I/O口P2.5与反相器U22连接，反相器U22与数据处理无线收发模块U21端口DR连接，实现与数据处理无线收发模块的通信；C8051F020 单片机U20的JTAG端口TMS、TCK、TDI和TDO与JTAG仿真器U23的TMS、TCK、 TDI和TDO连接，实现程序烧录功能；C8051F020单片机U20的复位接口RST与按键SW2、二极管D4、电容C59、电解电容C60和电阻R58组成的复位电路接口 RST连接，实现上电与按键复位功能。通讯接口单元14电路的接口端RX、TX和 DE与数据处理MCU单元C8051F020单片机的P0.6、P0.7和P2.0连接，分别通过光电耦合器U16、U17和U18，起光耦隔离作用，在通过MAX485芯片U19，经上拉电阻R50、R51和R52分压后，并入双相稳压管D1、D2和防雷管GS1、GS2、 GS3，防止过电压破坏电路板，输出通讯接口单元数据传输端A和B与上位机COM 连接。

如图9所示，信号进入上位机后首先对温度信号进行补偿运算，由于目标温度主要是受环境温度的影响，用其相互关系可表示为：

U＝kσεf(T)-kσεf(T₀)

式中：T为目标温度，T0为环境温度，k为常数，σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数5.67×10-8W/(m²·K⁴)，ε为物体表面的辐射率。系统选用了25℃作为温度补偿的基准环境温度，采集大量实验数据，在基准环境温度时，拟合出了一条目标温度和输出电压的标准曲线。当在其他环境温度下时，首先确定与基准环境温度差△T₀，然后计算得出△fT₀，代入确定了标准参考式中，通过已知的输出电压，便可计算出目标温度，实现温度补偿。上位机对温度、电流和时间信号进行分析，做出相应的预警处理。

在人机界面中，分为三个部分故障预警栏、各触头温度、电流和时间的实时三维状态图、数据查询栏。故障预警栏从正常到故障分为绿、蓝、橙、红四个预警阶段。数据查询栏根据其选项卡中的历史数据查询、三维数据分析表报、触头健康状态报表、故障及维修记录，可以在线或打印查看。触头的温度、电流和时间三维状态图能够直观的看出触头状态，提高了诊断预警准确性。