温度在线监控系统在户内智能真空断路器中的应用

【摘要】 阐述电气设备在线监测涉及的主要技术及应用。通过介绍我公司在在线监测方面所作的研发与创新工作，阐明在线监测对于电气设备状态监测的显著作用，并结合实际提出促进在线监测发展的几点建议。随着状态检修逐步取代定期检修，在线监测技术必将越来越受到重视。

【关键词】 在线监测 状态检修 定期检修 户内断路器 物联网应用

随着电力电压等级的逐步提高，保证电力设备的安全运行越来越重要，而在对待电气设备检修维护策略上，从原来的定期检修发展到状态检修也成了大家共同关注的话题。电气设备的定期检修是以预防性试验为基础，通过定期计划检修来判定设备的健康状况，经验表明这种检修方式不能及时发现和事前预防，而户内高压真空断路器作为电力系统中最重要的设备之一，其可靠性直接影响电网运行的安全与稳定。以往大多采用离线例行检查对断路器进行定期计划检修，这种计划性预防检修盲目性大、费用高，且影响电力生产。随着电力系统的设备智能化应用技术的不断提高，根据断路器的实际工作状态而确定检修与否的状态检修方法逐步得到肯定和推广。实践证明，状态检修方法能给电力部门带来巨大的效益，近几年取得了较快的发展。然而，由于使用环境恶劣及复杂的工作特点，断路器机械、电气及温度特性在线监测有较大的难度，是行业发展进步的瓶颈之一。作为高压断路器安全工作指标性参数的电流触头温度在线检测，是高压断路器智能化的一个研究重点，需要解决的问题在于如何在高压环境复杂的条件下测得温度信号并传送到低压端，同时防止将高压引到低压端，需要研究的关键问题有二，其一是如何实现高压端测量电路供电，其二是如何将检测结果用非电接触的方式传递到低压端。其三，单一监测信息的远程传输、集成、管理和应用。

本文给出了一种技术解决方案。

一、系统总体设计

图1为系统总体框图，系统采用互感器高压端取电技术解决测量电路供电问题，采用红外数传通讯解决了测量数据下传到低压端的问题。考虑到高压断路器有六组梅花触头，系统提供了六路相互独立的测温模组以及相应的红外数据传递通道。

高压端工作时，CT线圈将工频电流产生的磁场能量转换成电源功率，为温度检测模组和红外载波调制模组提供电源。每一个温度检测模组可支持两个温度传感器，温度检测模组将温度传感器检测到的温度信号进行调理、数字化后，组装成数据帧。红外载波调制模组将组装好的数据帧调制到相应的红外载波频率后通过红外发射管发送出去，为了防止通道间发生信号干涉，每个载波通道的载波频率都不同。

低压端工作时，每一个载波通道的红外接收管将相应通道的载波信号接收下来（不同通道的载波由于频率不同不会产生干涉），经过解调，得到携带高压端触头温度信息的数据帧，各通道的数据帧信号送人数据处理控制单元进行处理，分包解帧，得到各个触头的温度数据。温度数据可送显示模块显示，亦可送远传协议模块转换成TCP/IP协议经由互联网上传或经由GPRS无线通讯网络上传。

二、系统硬件平台实现

2.1 CT互感器电源

CT电源的能量来自于高压侧母线电流，由于母线电流情况复杂，电流在几十安至几千安之间波动，CI电源设计的主要任务在于如何将一个变化幅度大的电流能源转换成一个输出恒定的电压源，下面通过图2进行分析。

如图2（a），CT电源结构并不复杂，互感器后就是一个普通的整流电源拓扑，设计难点在于互感器的设计。互感器是由一次线圈、二次线圈及铁芯构成，一次线圈流过的母线电流I1产生的磁通经铁芯耦合到次级产生电压U0。图2（b）表明磁芯磁化特性曲线，当一次线圈电流产生的磁场强度小于HC时，磁通密度线性增加，表现为U0随I1线性增加。当I1产生的磁场强度大于HC以后，磁通密度不在随I1的增加而增加，表现为U0保持恒定，不随的增加而增加，这就是磁饱和。利用磁饱和特性可解决在电流大幅度变化的情况下，保持输出电压恒定的问题。因此，CT电源铁芯应选择高磁导率、饱和磁感应强度低的铁磁性材料以保证小电流下能顺利启动、大电流下限制功率输出的要求。根据以上原则，可优选磁导率高、饱和磁感应强度低的坡莫合金1J85作为CT铁芯。

2.2温度检测模块

温度传感器采用K型热电偶，配套AD595芯片，AD595是AD公司生产的一款热电偶放大器， 具备冷端补偿，10mV/°C电压输出、单端+5V电压供电，图3是测温电路框图。

图中只画出一路测温电路，实际电路中有两路并行的AD595测温电路。微处理器内置A/D转换器将检测到的温度信号按测温通道次序打包成数据帧后输出。

2.3红外载波调制

图4是红外载波调制电路框图，R1、R2、R3、C、与非门A、与非门B共同组成载波波振荡器，待调制的数据帧通过与非门A的一个输入端输入。R3、R4、红外发光管D、晶体管T共同组成红外发射器。

载波振荡器振荡频率f=1/2.2R2C，不同的数据信道可选择不同的载波频率。

2.4红外载波解调电路

乘积型相位鉴频器MC1496是根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的乘法器芯片，本文用它构成红外载波解调电路，具有电路简单，调试方便的优点，所构成的红外鉴频电路框图如图5所示：

其中C1与并联谐振回路C L共同组成线性移相网络，将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬时相位的变化。MC1496 的作用是将调频波与调频调相波相乘，相乘后得到鉴频信号，解调后的信号为双端信号，经差分放大器处理后变成单端输出，得到解调后的数据帧信号。改变并联谐振回路C L参数，即可得到不同载波的鉴频频率。

三、系统软件设计

硬件平台将接收到的数据帧信号送数据处理控制单元处理，数据处理控制单元负责系统控制，其系统软件涵盖温度数据解帧、数据调理、数据显示以及远传协议实现几大模块。图6为主程序流程图：

程序先按信道依次将数据接收后解帧，得到各个通道的温度数据，这些数据通过显示程序可在本地显示屏上显示出各通道的实时数据，同时通过调用远传程序将数据按照远传格式再次打包成数据帧远传。

四、实验结果

4.1系统工作参数实验

实验采用2500A电流发生器为CT提供测试工作电流，采用GSM手机无线电话网的短信功能进行远传通信信道进行了运行实验测试，测试如表1：

4.2 温度测试实验

将系统配置的热电偶放在一个盛水的不锈钢容器内，同时放置一个参比温度计，加热容器内的水进行温度测量对比，实验结果如表2：

五、结论

实验结果表明，采用互感器（CT）高压侧工作电流取电是可行的，本系统能够在50A-2500A宽范围能正常工作。实验同时表明，本系统具有工作稳定、测量精度高、抗干扰能力强、实用性好等优点，适用于各种高压断路器上。