CN100461569C - 高压及超高压带电体运行超温监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压及超高压带电体运行超温监测报警装置，包括测量报警单元，它由传感电源、节点温度计、整形滤波稳压电路、蜂鸣器及信号指示电路四个功能部分组成，其特征是：还设有与测量报警单元相对独立、并与被监测点保持有效音频信号接收距离的接收与上传单元。该装置结构简单、应用范围广、性能安全可靠、精度高，测量报警单元独立运行可实现就地音频报警和发光指示功能，与接收与上传单元合并运行，可实现超温上传报警、远方管理功能。

Description

高压及超高压带电体运行超温监测报警装置

技术领域  本发明属于电力行业以及其他应用交流电气设备的领域。特别涉及高压及超高压输变电系统和电气设备运行中带电体以及导电体节点温度监测报警技术。

背景技术  高压及超高压带电体以及导电体节点的温度监测和报警，目前普遍采用的仍然是在可能的发热部位粘贴不同温度等级的试温腊片法、非接触式的红外线监测技术、红外成像技术。正在普及中的有：直接接触式测量的光纤温度测量技术以及接触式测量、红外线信号交换传递技术。

试温腊片是一种传统的人工监测法，就是在预先要监测的部位粘贴上变形温度不同的腊片，腊片在监测部位温度达到其变形温度时会及时产生形变，工作人员可以依照腊片变形程度判断局部温度高低，是否需要进行停电维护。此方法的主要缺点是：需要运行人员进行日常定期巡视并仔细观察才可判断，隐蔽部位不能够监测，没有即时超温报警功能。对无人值守以及少人值班变电站的变电设备，也无法实现远传报警功能。

红外监测技术中普遍应用的为手持式红外监测仪，工作人员在有效的距离范围内进行点对点的直接对准测量，同样受到天气(如低气温)以及人为因素的影响；对封闭式电气设备内部以及无法直接观察到的部位无法实现监测。有人正在开发的红外监测数据上传和报警系统，由于受到安全空间上限制不能得到推广；在保证安全空间的情况下，存在测量精度的不足；测量由于是点对点的直线传输，应用范围受到一定的限制。

红外热成像技术普遍应用于空旷的区域进行发热点的扫描监测，由人工操作对带电设备区域进行观察扫描，能够有效发现过热点和过热部位的故障。它的局限性在于特殊天气(如雷、雨天)不能工作；同时，在室内配电室的狭小空间以及对封闭电气设备内部的过热监测中作用得不到有效发挥；过热故障点信息不能及时上传。对操作者素质要求高，劳动量大的问题尚无法克服。

目前已有一些公布的利用电子技术设备对高压带电设备进行温度监测报警的专利技术，与本发明比较接近的主要有以下几项内容：

中国专利“中高电压系统温度在线监测装置”，公开号CN2225039，公开日期1996.04.17。它是根据将温度传感器的电压信号转换为频率信号再进行空间发射传送的原理进行测温，按多被测点的要求预编成单片机适用的控制主程序来实现各点温度的自动巡回实时监测，显示被测点与其温度值，还可随时显示各点前16次温度值，超温报警并强制脱扣，使用范围广，受环境影响小，精度高，安装调试简单，成本低。该设计由于它的相对复杂性、无线电频率对电气设备继电保护元件潜在的干扰等限制了它的发展。

中国专利“电力高压带电接点的温度报警装置”，公开号CN2228655，公开日期1996.06.05。本实用新型稳压集成电路后依次连有编码器、信号发射集成电路，温控开关与编码器的输出控制端相连，控制编码器向发射集成电路传输编码信号，编码器的输出控制端还依次串接有模拟开关、单稳集成电路、解码器、信号接收电路。当带电接点温度过高时，则信号发射集成电路可发射报警信号，本实用新型同时具有报警功能。该设计由于结构复杂、成本高，尚未得到有效的推广。

中国专利“高压及超高压开关触头温度检测装置”，公开号CN2396386，公开日期2000.09.13。它是由自供电装置、数字测温和红外通讯单元组成。采用集成数字化测温元件。本装置与主控上位机之间为双向红外通讯，并采用特定的通讯协议。本装置具有自供电、传递信号互不干扰和测量精度高等特点，能够可靠地检测高压开关三相触头的实时温度，及时、准确发出报警信号。双向红外无线传输技术具有非接触式的安全优点和实时报警功能，他的局限性在于红外线要求直线传输，传输距离受功率限制，隐蔽部位监测困难使应用受到限制。

中国专利“光纤温度传感器”，公开号CN2135776，公开日期1993.06.09，是一种用于测量各种温度的测量装置。该装置采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在两根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。该装置特点是：结构简单，体积小重量轻，使用方便、灵敏度高、重复性好，抗干扰能力强、防爆。类似的光纤测温类专利还有公开号CN1400453“分布式光纤温度传感器系统”，公开号CN2065756“双波长光纤温度传感器”等，它们都有共同的优点。但光纤测温技术存在结构性的缺陷如下：①有线传输使得开关柜内部因为增加的连接光缆造成开关柜内部的复杂化，在开关柜的使用中可能会因为光缆固定不当诱发新的事故发生；②虽然光缆具有较好的绝缘性能，在表面没有受到污染的情况下可以隔离高压电，但在工程实践中由于布置于开关柜内部的光缆会受到灰尘等的污染，在区域性潮湿、腐蚀环境中可能会发生沿光缆表面的放电诱发新的电气事故；③由于光缆采用塑料材料，会随时间发生老化，绝缘性能不断的下降，在光缆材料的绝缘不能满足要求时会引起沿光缆的电气绝缘事故，上述电气事故亦有可能诱发人身事故；④不适合于户外电气设备的温度监测，应用范围受到明显的限制；⑤光纤易受外力断裂，恢复成本大。

发明内容   本发明的目的在于提供一种结构简单、应用范围广、性能安全可靠、精度高，既能实现就地音频即时报警，又能同时实现报警信号上传功能的高压及超高压带电体运行超温监测报警装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：该高压及超高压带电体运行超温监测报警装置，包括测量报警单元，所述测量报警单元由传感电源、节点温度计、整形滤波稳压电路、蜂鸣器及信号指示电路四个功能部分组成，传感电源供给测量报警单元连续可靠的交流电；节点温度计通过导热绝缘材料隔离后，紧贴在监测点的表面，由绝缘导线串接在传感电源和整形滤波稳压电路之间的电气回路中，实现超温报警的开关控制功能；整形滤波稳压电路的输出端连接有蜂鸣器及信号指示电路，当节点温度计因为监测点温度达到设定报警温度而闭合时，感应电流经过整形滤波稳压后，作用于蜂鸣器使其发出特定频率的、人耳能够听到的音频信号，实现就地音频报警，发光二极管发光实现就地发光指示报警，为实现超温上传报警、实现远方管理要求，本发明在上述测量报警单元的基础上，还设有与其分别布置、并与被监测点保持有效的音频信号接收距离的接收与上传单元，接收与上传单元安装在电气设备的不带电部位，由音频接收电路、前置放大电路、带通滤波器、后置放大电路、声波检测器、延时滤波器、信号指示及其驱动电路、继电器及其驱动电路共八个功能部分依次连接而构成，该单元由外部提供稳定的直流电源，构成一个整体的电路集成。该接收与上传单元的音频接收电路，接收到测量报警单元发出的音频信号后，把音频信号转换为电信号，经过前置放大电路放大、与带通滤波器特征频率相同的电信号通过带通滤波器后，再由后置放大电路进行信号放大，经由声波检测器和延时滤波器识别判断，有效信号驱动信号指示及其驱动电路作出发光指示，并激发继电器及其驱动电路驱动继电器动作，并将开关量信号通过屏蔽电缆传递到用户SCADA系统实现上传报警。

为防止带电体对测量报警单元的电晕放电，在带电体和传感电源的绕组输出线之间设一连接线，实现测量报警单元与带电体的等电位。

所述节点温度计采用微型化的水银开关或者双金属温度开关。

所述传感电源是应用感应原理制成的、具有在导电体运行时产生感应电动势的互感器。

本发明提供的高压及超高压带电体运行超温监测报警装置，具有以下有益效果：

①测量报警单元中，采用节点温度计作为高压及超高压带电体运行超温监测元件，单独布置在监测点处，可提高监测点部位安全水平，实现对无电流通过的带电体表面温度的监测，实现对任意位置、形状和结构的监测点的测量报警。

②测量报警单元采用音频报警的优势：对运行电气设备没有机械、电气或其他干扰；测量报警单元和接收与上传单元相对独立布置，可单独运行，也可合并运行，配制灵活；音频信号传播，适应于室内、室外布置，开放式、封闭式电气设备，适应现有的各种电压等级、任何结构形式(几何形状)的带电体和空间位置，监测点布置不受结构因素、环境因素的影响；报警用蜂鸣器特定的稳定音频信号人耳听到，实现就地即时报警，同时实现信号传递功能，实现远方管理；适应于330千伏及以下电气设备的温度监测报警。

③节点温度计串接在传感电源和整形滤波稳压电路之间的电气回路中，只有在监测点温度达到报警温度时，整形滤波稳压电路和蜂鸣器及信号指示电路工作。正常情况下几乎没有能量消耗，没有连续数据上传，节约信息系统资源。

④节点温度计采用微型化的水银开关或者双金属温度开关，传感电源导磁体和线圈的微型化处理，仅高于带电体表面小于10mm，表面绝缘处理后，保持电气设备原有的绝缘水平不会受到削弱；监测点的报警温度根据保护设备要求可在35—200摄氏度范围内任意选择；温度报警精度偏差正负1摄氏度；温度监测反应灵敏，就地报警滞后时间小于10秒，远传报警滞后时间小于70秒。

⑤接收与上传单元中：采用了带通滤波器，使音频信号的频率识别满足测量的要求，防止误报和乱报；采用了声波检测器，有效检测音频信号是否存在，并实现模拟(交流)信号转变为数字信号；延时滤波器是在蜂鸣器发出音频信号一定时间后发出工作信号，防止了外部嘈杂音频信号对装置的影响可能造成的误报警。

⑥整形滤波稳压电路中，采用了三端稳压电路，使产品适应电气设备运行负荷范围广泛，在电气负荷10％--150％内安全可靠工作。

⑦测量报警单元采用了与带电体的等电位处理。在被测设备出现瞬时接地故障时，测量报警单元不会因此故障；当被测电气设备因为其他原因发生电气事故时，不会因为测量报警单元的存在而造成事故扩大；该单元获得良好的工作稳定性；不会发生带电体与测量报警单元之间的电气放电，在任何电压下工作安全可靠。

⑧利用已有的变电站信息系统或者局域网络系统进行信号传输，没有信息系统重复投资。

⑨电路构成简单，设计合理，性能安全可靠，安装调试简单，成本低，便于推广。

附图说明  图1为高压及超高压带电体运行超温监测报警装置原理框图

图2为实施例中测量报警单元原理接线图

图3为实施例中接收与上传单元原理接线图

具体实施方式  如图1所示，本发明提供的高压及超高压带电体运行超温监测报警装置的实施例，是由相互独立的测量报警单元和接收与上传单元两个部分组成，SCADA系统是用户的数据采集与监视控制系统。即：

测量报警单元中的传感电源1是一个按照电磁感应原理设计的感应电源，它依靠运行的单相导电体中的交流电产生感应电动势，节点温度计2是紧贴在监测点的温度开关，在监测点温度达到设定值时，节点温度计2导通，感应电动势在闭合回路中产生的交流电流，经过整形滤波稳压电路3转变为具有动力的直流电，驱动蜂鸣器及信号指示电路4中的发光二极管发光、特定频率的蜂鸣器鸣响，实现就地音频报警、发光指示和声波传递功能。

蜂鸣器产生的音频信号(声波)在监测点周围的空间传播，接收与上传单元中：音频接收电路5的MIC(麦克风)在有效距离接收到音频信号，并将其转换成电信号，经过前置放大电路6放大后，再由特征频率与音频信号频率相同的带通滤波器7进行滤波，经由后置放大电路8进一步放大，送到声波检测器9，当有音频信号输入声波检测器9时，输出为低电位，否则为高电位，实现模拟量转化为数字信号；延时滤波器10的延时时间由现场情况进行设定，在声波检测器9输出的低电位持续时间达到设定时间时，延时滤波器10输出高电位，信号指示及其驱动电路11中发光二极管发光、同时向继电器及其驱动电路12提供输入信号；继电器及其驱动电路12的继电器线圈励磁，继电器常开节点闭合，将报警信号通过屏蔽电缆送入SCADA系统实现上传报警。

反之，当蜂鸣器不工作，没有音频信号输入时，继电器线圈失磁，继电器常开节点断开，没有报警信号上传，SCADA系统处于空载等待状态。

结合图1、图2，测量报警单元中，在单相带电导体XX-kV有交流电流通过时，由围绕导电体的闭合导磁体以及缠绕在导磁体上的N匝线圈构成的传感电源1(或A)，相当于一个微型互感器，在线圈绕组中产生交流感应电动势向测量报警单元供电，供电电压大小按照带电导体运行电流大小范围、闭合导磁体的面积、线圈匝数以及蜂鸣器BL要求的工作电压范围设计。由导热绝缘材料隔离、粘贴在监测点处的节点温度计2(或θ)由绝缘导线串接到由桥式全波整流器ZL、滤波电容C1、C2和调整电阻R1、三端稳压管CW7812组成的整形滤波稳压电路3中。整形滤波稳压电路3提供稳定的直流电给由分流电阻R2、发光二极管LED和蜂鸣器BL组成的蜂鸣器及信号指示电路4。正常情况下，节点温度计2(或θ)处于常开位，传感电源1(或A)产生的感应电动势作用在节点温度计2(或θ)的常开节点上。当监测点的实际温度达到节点温度计2(或θ)设定的动作值(例如70、75、80摄氏度)时，节点温度计2(或θ)导通，感应电动势在闭合电路中产生的交流电流经过整形滤波稳压电路后，作用于蜂鸣器BL发出稳定的、人耳可以明显听到的声波频率(例如2kHz、3kHz、4kHz等)，呼叫就地(附近)工作人员进行检查确认，同时发光二极管LED发亮，帮助工作人员对超温点做出进一步精确判断。在带电导体XX-kV和传感电源A的绕组输出线之间有一个连接线，实现测量报警单元与带电导体的等电位，防止带电导体对测量报警单元的电晕放电。

结合图1、图3，接收与上传单元由单一供电电源供电，安装在电气设备壳体表面并接地，与监测点保持有效音频信号接收距离，用屏蔽电缆与用户SCADA系统相连接。在接收与上传单元中，麦克风BM、电阻R3、耦合电容C3组成音频接收电路5；电阻R4、R5、R6、R7、R8和运算放大器(以下简称“运放”)N1及耦合电容C4组成前置放大电路6；电阻R9、R10和电容C5、C6、C7组成带通滤波器7，其中电阻R9与电容C5组成低通滤波电路，电阻R10与电容C6组成高通滤波电路；电阻R11、R12、R13、R14、R15和运放N2及耦合电容C8组成后置放大电路8；反向二极管D1、正向二极管D2、电容C9、电阻R16、R17、R18、三极管T1组成声波检测器9；电阻R19、R20、R21、三极管T2、电容C10、二极管D3组成延时滤波器10；电阻R22、R23、R24、三极管T3、发光二极管LED2组成信号指示及其驱动电路11；非门&1、&2及继电器K组成继电器及其驱动电路12。

当监测点表面达到温度报警的设定值，测量报警单元的蜂鸣器BL就会发出特定频率的音频信号并在空间传播。与监测点保持有效音频接收距离，布置在电气设备安全位置的接收与上传单元，由麦克风BM、电阻R3、耦合电容C3组成音频接收电路5中的麦克风BM就会接收到音频信号，在其两端产生交变的电位差，其频率与蜂鸣器音频信号的频率相同，由此在电阻R3两端产生频率与蜂鸣器谐振频率相同的音频交流信号，经过耦合电容C3送入前置放大电路6。前置放大电路6对音频交流信号做常规的信号放大后，作为带通滤波器7的输入信号，其中耦合电容C4用来阻止直流信号的进入，只允许音频交流信号进入带通滤波器7。

带通滤波器7中，由电阻R9与电容C5组成的低通滤波电路和由电阻R10与电容C6组成高通滤波电路的通带有部分重合，其重合部分就组成了带通滤波器7的通带。经过适当的选择电阻R9、R10和电容C5、C6，通带宽度的中心点，即：特征频率正好与蜂鸣器的谐振频率相同，因此，只有对应的测量报警单元中的蜂鸣器发出的特定的音频信号才能通过带通滤波器7，进入后置放大电路8进行音频放大后送到声波检测器9中进行识别，其中耦合电容C8用来阻止直流信号的进入，只允许音频交流信号进入声波检测器9。

声波检测器9中，三极管T1基极输入端由正向二极管D2、反向二极管D1、电容C9、分压电阻R16、R17构成；集电极输出端连接分压电阻R18，通过分接电阻R19输出信号到延时滤波器10；发射极直接接地。声波检测器9的前端信号为带通滤波器7输出的音频交流信号，当带通滤波器7没有音频交流信号输出时，声波检测器9中的正向二极管D2不导通，电容C9处于低电位，经过电阻R16、R17的分压，使三极管T1的基极处于更低的电位(与电容C9的电位相比)，三极管T1处于截止状态，其集电极输出为高电位，几乎与电源电压VCC相等。当接收到音频交流信号时，可分为两种情况；当为正半周期时，正向二极管D2导通，向电容C9充电，同时通过电阻R16、R17组成的分压回路进行放电，使三极管T1的基极处于较高电位；当为负半周期时，二极管D2不导通，阻止从原充电回路上放电，使电容C9的电荷只能通过电阻R16、R17组成的分压回路放电，使三极管T1的基极仍保持较高电位。适当的选择电阻R16、R17、R18及电容C9，保证当有音频交流信号输入声波检测器9时，三极管T1处于饱和状态，其集电极输出为低电位，几乎接近为零。如果蜂鸣器BL发出的音频信号过强，则三极管D1反向接通，保护后续电路正常工作。当没有音频交流信号时，三极管D1截止，其集电极输出与电源电压VCC几乎相等的高电位；当有音频交流信号时，三极管D1饱和，其集电极输出几乎为零的低电位。因此，可以这样认为：声波检测器9的功能就是检测音频交流信号是否存在，存在则输出为低电位，不存在则输出为高电位，也就是说将模拟(交流)信号变成了数字信号。

延时滤波器10中，三极管T2的基极输入为声波检测器9分接电阻R19输出的电位信号，集电极由电阻R20、分接电阻R21、反向二极管D3和电容C10构成，经过适当的选择电阻R19和R20，当声波检测器9的三极管T1的集电极为低电位(有音频交流信号，T1饱和)时，延时滤波器10的三极管T2截止，其集电极为几乎接近于电源VCC的高电位，经过延时时间为t秒，由电阻R21和电容C10组成的延时电路，对电容C10进行充电，大约t秒时间后，三极管T2的电位与电容C10的电位相等，而该电位正是延时滤波器10的输出；当三极管T1的集电极为高电位(无音频交流信号，T1截止)时，三极管T2饱和，其集电极为几乎接近于零的低电位，电容C10的电荷通过二极管D3快速放电，使延时滤波器10的输出(电容C10的电位)为低电位。因此，只有当蜂鸣器所发出的音频信号超过t秒时间后，延时滤波器10的输出为高电位，有效去除外界瞬间音频信号的干扰。

信号指示及其驱动电路11中，三极管T3的基极由电阻R22和分流电阻R23构成，集电极是由电阻R24和发光二极管LED2组成的指示电路，并分接输出到继电器及其驱动电路12，发射极直接接地。在延时滤波器10输出高电位至三极管T3的基极时，T3导通，集电极回路的发光二极管LED2发光，同时输出低电位给由两个非门&1、&2及继电器线圈K串联而成的继电器及其驱动电路12。非门&1的输入(T3的集电极)为低电平，它的输出就为高电平，则非门&2的输出为低电平，几乎接近于零电位，此时接在非门&2输出与电源VCC之间的继电器线圈K励磁，继电器常开节点闭合，将报警信号通过屏蔽电缆送入用户SCADA系统。正常情况下，非门&1输出为低电平，非门&2输出为高电平，其电位接近电源VCC，继电器线圈K失磁，继电器常开节点断开，不产生报警信号，SCADA系统处于待机状态。二极管D4并联于继电器线圈K。

当运行电气设备某一监测点发生超温故障时，测量报警单元的节点温度计1闭合，就地测量报警单元的蜂鸣器发出特定音频信号，发光二极管发光，实现监测点就地声光报警。音频信号在空间传播，布置在电气设备的安全位置处的接收与上传单元的音频接收电路接收到该音频信号后转化为与蜂鸣器音频信号频率相同的电信号，经过带通滤波器7对频率的选择，声波检测器9对音频信号的识别，在蜂鸣器发出音频报警信号达到设定时间t秒后，延时滤波器10判断有效信号存在，发出控制指令，信号指示及其驱动电路11的发光二极管发光、继电器及其驱动电路12的继电器线圈励磁、继电器常开节点闭合，将报警信号通过屏蔽电缆送入用户SCADA系统，实现远传要求。

在相邻的监测区设置具有明显频率差别的蜂鸣器，相邻监测区的识别由不同频率设定的蜂鸣器决定，经过接收与上传单元识别后进行上传报警，有效防止邻近音频信号的干扰。

Claims (4)

1.一种高压及超高压带电体运行超温监测报警装置，包括测量报警单元，它由传感电源(1)、节点温度计(2)、整形滤波稳压电路(3)、蜂鸣器及信号指示电路(4)四个功能部分组成，传感电源(1)供给测量报警单元连续可靠的交流电；节点温度计(2)通过导热绝缘材料隔离后，紧贴在监测点的表面，由绝缘导线串接在传感电源(1)和整形滤波稳压电路(3)之间的电气回路中，实现超温报警的开关控制功能；整形滤波稳压电路(3)的输出端连接有蜂鸣器及信号指示电路(4)，其特征在于：在所述测量报警单元的基础上，增设与其分别布置、并与被监测点保持有效的音频信号接收距离的接收与上传单元，接收与上传单元安装在电气设备的不带电部位，由音频接收电路(5)、前置放大电路(6)、带通滤波器(7)、后置放大电路(8)、声波检测器(9)、延时滤波器(10)、信号指示及其驱动电路(11)、继电器及其驱动电路(12)共八个功能部分依次连接而构成，该接收与上传单元由外部提供稳定的直流电源，构成一个整体的电路集成，其中：音频接收电路(5)接收到测量报警单元发出的音频信号后，把音频信号转换为电信号，经过前置放大电路(6)放大、与带通滤波器(7)特征频率相同的电信号通过带通滤波器(7)后，再由后置放大电路(8)进行信号放大，经由声波检测器(9)和延时滤波器(10)识别判断，有效信号驱动信号指示及其驱动电路(11)作出发光指示，并激发继电器及其驱动电路(12)驱动继电器动作，并将开关量信号通过屏蔽电缆传递到用户SCADA系统实现上传报警。

2.根据权利要求1所述的超温监测报警装置，其特征在于：在带电体和所述传感电源(1)的绕组输出线之间设有一条实现测量报警单元与带电体的等电位连接线。

3.根据权利要求1所述的超温监测报警装置，其特征在于：所述节点温度计(2)采用的是微型水银开关或者双金属温度开关。

4.根据权利要求1所述的超温监测报警装置，其特征在于：所述传感电源(1)是应用感应原理制成的、具有在导电体运行时产生感应电动势的互感器。

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