CN102426336B

CN102426336B - 矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置

Info

Publication number: CN102426336B
Application number: CN 201110303874
Authority: CN
Inventors: 李海英; 冯冬; 李玄; 宋建成
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2011-10-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-10-10
Also published as: CN102426336A

Abstract

一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，包括一个电流互感器、三个振动传感器、三个红外温度传感器，及电流信号调理、振动信号调理、数据采集、频率跟踪、微处理器、数据存储、整定、显示等模块；电流互感器与电流信号调理模块相连，振动传感器与振动信号调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块与微处理器模块相连，振动信号调理、数据采集、数据存储、整定、显示等模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连。它解决了隔离开关触头温度、流过电流和振动变化的状态在线监测问题。

Description

矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，特别是一种用于带载情况下隔离开关运行状态的在线监测装置。

背景技术

高产高效综合机械化和自动化采煤工作面对矿井供电的连续性、可靠性和安全性提出了更高的要求，特别是向矿井主通风机供电的高压供电线路，其供电连续性直接影响煤矿的安全生产。矿用高压配电装置内的隔离开关作为高压供电系统的重要组成部分，起到隔开或接通高压线路的作用，其运行状态关系到终端负荷供电的稳定性。矿用高压配电隔离开关常因机构锈蚀、触头磨损或氧化、操作拉弧、过负荷等因素导致触头接触电阻增加、温度升高，最终超过触头极限温度造成电气设备的损坏或引发火灾等重大事故。因此，研究和开发矿用高压配电装置运行状态实时在线监测装置对保障煤矿供电安全具有重要的现实意义和实用价值。

矿用高压配电隔离开关的可靠性与其触头接触电阻、通过电流密切相关。长期以来，高压隔离开关状态的判断都是通过定期停电检修实现的。由于隔离开关触指压力与接触电阻相关，四川电力试验研究院的研究人员提出公开号为CN101231199A的“户外高压隔离开关触指压力测试仪”，该发明专利利用柔性薄膜压力传感器和动触头模拟调节器，通过模拟高压隔离开关的静触指宽度和动触头插入位置间接测量触指压力，但是该测试仪需要工作人员现场手工操作，且只能在断电时进行测量，不能反映运行中不确定因素对触指压力的影响。目前有关电气设备接触电阻测量也均是离线进行，专利公开号为CN101793933A的“电连接器接触电阻在线测量系统”，其所谓在线测量只是通过模拟电连接器工作环境中各种应力对其接触电阻的影响，并没实现带载情况下接触电阻的测量。上述两种离线测量系统在突发事故时均无法及时预警。太原理工大学的李中祥硕士和宋建成教授在《高电压技术》2009年第2期题为“高压隔离开关触头温度在线监测系统的研制”及专利公开号为CN101614591A的“一种用于高压隔离开关触头的温度监测装置”中提出了一种在线监测装置，该装置仅仅监测隔离开关触头温度，没有监测通过电流，不能反映温度随电流的变化趋势，小电流时缺陷处的发热易被忽略，即单纯的温度监测系统无法识别小电流动情况下接触电阻增大的趋势，但实际上接触电阻是导致隔离开关故障的首要因素，也未监测隔离开关触头的振动信号，不能判别动静触头接触紧密与否，从而无法全面掌握故障发生的状态信息。

由于单一参量监测系统无法全面掌握故障发生时的状态信息，也无法为检修提供有力支持。因此，要想解决矿井高压线路供电安全问题，迫切需要研究一种带载情况下隔离开关状态的在线监测装置，并实时监测运行中隔离开关的温度、电流和振动变化，根据物理量变化趋势，及时发现存在的安全隐患，提前预警，防止重大事故的发生。

发明内容

本发明提供一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，以解决隔离开关触头温度、流过电流和振动变化的状态在线监测问题，克服目前隔离开关断电检测及单一监测参量无法提供全面故障信息的问题。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下。

一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：它包括一个电流互感器、三个振动传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、振动信号调理模块、数据采集模块、频率跟踪模块、微处理器模块、数据存储模块、整定模块、显示模块；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，振动传感器通过单路信号线与振动信号调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块输出端口与微处理器模块的输入端口相连，振动信号调理模块、数据采集模块、数据存储模块、整定模块、显示模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连。

所述的电流调理模块一侧与电流互感器相连，经电流/电压转换（U4A、R2、R3、C0）、滤波（R4、R5、C21、C22、U5A）后送至数据采集模块U3的输入端。

所述的频率跟踪模块的输入端与电流信号调理模块任一输出端相连，经锁相环U6和分频器U7实现采样信号的频率跟踪和同步采样。

所述的振动信号调理模块将振动信号经过由运算放大器组成的电平转换电路（U8A、R11、R12、R13、R14）、电平提升电路（U9A、R15、R16、R17、R18 、R19）和低通滤波电路（U10A、R20、R21、C25、C26）送至微处理器模块的AD转换口。

所述的数据采集模块是A/D转换器U3，其三个输入端口与红外温度传感器直接相连，另外三个输入端口分别与电流信号调理模块的输出端口相连接，数据采集模块的输出端口、地址端口和控制端口分别通过数据线、地址线和控制线与微处理器模块U1相连接。

所述的微处理器模块是微处理器U1，外接晶振Y1、复位电路、电源，且固化了隔离开关运行状态在线监测程序。

所述的数据存储模块是存储芯片U2，其地址端口、数据端口和控制端口分别通过地址线、数据线和控制线与微处理器U1的地址端口、数据端口和控制端口相连接。

所述的整定模块是4个按键，按键一端与3.3V电源连接，一端与微处理器模块U1的GPIOB0-GPIOB3口相连接。

所述的显示模块是液晶显示屏，通过RS-485电平转换芯片U12与微处理器U1的异步串行接口相连接。

本发明实施上述一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其积极效果在于：实现了运行中隔离开关状态的在线评估，解决了之前隔离开关状态只能断电检测、无法及时获取故障信息、预警具有滞后性等问题。尤其是本发明通过在线监测隔离开关触头温升、流过电流及其振动信号，对过载和接触电阻增大这两种故障状态进行区分，便于安排检修和安全供电方案。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的微处理器模块电路图。

图3是本发明的电流信号调理模块电路图。

图4是本发明的频率跟踪模块电路图。

图5是本发明的振动信号调理模块电路图。

图6是本发明的数据采集模块电路图。

图7是本发明的数据存储模块电路图。

图8是本发明的RS485扩展口电路图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例进一步详细描述本发明所述的一种矿井高压配电开关运行状态在线装置，本领域的普通技术人员在阅读了本实施例后，能够理解和实施本发明，同时也能够实现本发明所述目标。

如图1，一种用于矿井高压配电装置内隔离开关运行状态在线监测装置由一个三相电流互感器、三个振动传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、振动信号调理模块、频率跟踪模块、数据采集模块、微处理器模块、数据存储模块、整定模块和显示模块构成。红外温度传感器获取隔离开关触头的温升信号，电流互感器获取流过隔离开关的电流信号，振动互感器获取隔离开关触头的振动信号；振动传感器通过单路信号线与振动信号调理模块的输入端口相连，振动信号调理模块的输出端口与微处理模块的AD转换口相连；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连接，数据采集模块通过地址接口和数据接口与微处理器相连；频率跟踪电路输入端与调理电路的一输出端相连，输出端和微处理器相连；微处理器通过地址总线和数据总线与存储模块相连；整定模块通过GPIOB口与微处理器相连；显示模块通过RX485与微处理器的异步串行接口相连。

所述的红外温度传感器基于物体辐射红外线的原理，通过光学装置收集物体辐射的红外能量，然后通过热敏材料将红外能量转换为热能，并根据热敏材料本身的热电效应，将热能转换为相应的电信号，属于非接触式测温技术。本发明选用IRTP-300L红外温度传感器，输出为0-5V直流电压，根据测量范围和温度传感器的距离系数，将其固定在对准隔离开关触头的位置即可，输出端直接与数据采集模块的CH0、CH1、CH2三个输入口相连接。

所述的电流互感器一次侧串联在高压配电装置的主回路中，输出端通过六路信号线与电流信号调理模块的3对输入端IA+、IA-、IB+、IB-、IC+、IC-相连。

所述的振动传感器，是将振动信号按照一定规律转换为与之对应的-4V到-20V的电压信号并与振动信号调理模块的输入端INA、INB、INC相连。考虑本发明的高电压大电流的应用环境，选用WD202型电涡流振动传感器，实现非接触振动测量，安装时需对准隔离开关触头。

所述的电流信号调理模块，如图3所示，用于对输入的电流信号进行处理，适应数据采集模块的要求，由于三相电流信号的调理电路相同，所以只给出其中一相的具体电路图。以A相为例，电流互感器输出的电流信号通过IA+、IA-与运算放大器U4A相连，反接的二极管D1、D2起到保护理想运放的作用，电阻R2为反馈电阻，通过调节R2可以改变U4A输出电压的大小，R3和电容C20用来补偿相移；运算放大器U5A、电阻R4、R5、R6和电容C21、C22构成了低通抗混叠滤波器，有效滤除高次谐波；调理后的信号送至数据采集模块U3的输入端口IA；

所述的频率跟踪模块，如图4所示，由锁相环芯片U6和分频芯片U7组成，锁相环芯片U6选用CD4046，分频芯片U7选用CD4040。模块的输入端与C相信号调理模块输出端IC相连，输入信号进入锁相环芯片U6的相位比较器，通过R8、R9、C24、及Q8的控制，锁相环芯片U6的3脚的信号频率与原输入信号频率相同。锁相环芯片U6的4管脚产生一个256倍频信号送至分频芯片U7的10管脚CLK，U7的9管脚Q1与微处理器U1的CAP1端口相连，驱动交流信号完成每周期128点的采样功能。

所述的振动信号调理模块，如图5所示，用于将振动传感器输出信号调理为微处理器可以处理的范围。由于三个振动传感器的调理模块原理一致，这里选择A相振动信号为例叙述。首先将振动传感器A输出的-4V~-20V信号经过运放器U8A和电阻R11、R12、R13、R14组成的电平转换电路将其转换到-12V~+12V之间；接着经过运放器U9A、电阻R15、R16、R17、R18、R19组成的电平提升电路将电压信号调整至0~3V；最后经过运算放大器U10A、电阻R20和R21、电容C25和C26组成的低通滤波电路滤除高次谐波，经电阻R22限流后送至微处理器模块的ADCA0转换口。

所述的数据采集模块，如图6所示，用来将模拟信号转换成数字信号。数据采集模块U3为MAXIM公司的8通道A/D转换芯片MAX1308，A/D转换芯片输出端通过12位数据总线与微处理器U1相连，片选端口CS与微处理器的GPIOA1口相连接，控制端口CLK、CS、WR、ROD、EOC分别通过控制线与微处理器U1的MCLKA、CS、XWE、XRD、XINT1相连接。

所述的微处理器模块，如图2所示，微处理器U1采用TI公司生产的32位定点高性能TDSF2812 DSP，其电压等级为3.3V，与单片机相比，具有更高的运算速度，通用IO口多等特点，可以更高效、准确地完成工作。U1的端口X1、X2和晶振源Y1相连，按键S1与XRS相连起到对整个系统复位的功能，ADCREFM和ADCREFP经电容C1、C2接地。微处理器U1固化了隔离开关运行状态监测程序，包括系统初始化程序、温升、电流和振动信号采集及其A/D转换子程序、数据处理子程序、整定子程序和显示子程序。

所述的数据存储模块用来存储采集到的温升信号、电流信号及振动信号，如图7所示，采用ISSI公司的IS61LV51216存储芯片U2，U2通过19位的地址线、16位的数据线分别与微处理器模块的地址线和数据线相连，U2的3条片选及读写控制端口CE、WE、OE分别与微处理器的XCS6、XR/W、XRD的三个端口相连。

所述的整定模块用于输入隔离开关的额定参数和保护极限参数，由数字键、下移键、整定键和确认键4个按键组成，按键一端与+3.3V电源相连，另一端通过单总线分别与微处理器的GPIOBO、GPIOB1、GPIOB2、GPIOB3 四个通用IO口相连。

所述的显示模块是西门子液晶显示屏，通过如图8所示的RS-485电平转换芯片U12的6、7端口相连，而电平转换芯片1、4端口通过信号线与微处理器U1的异步串行接口SCITXDA、SCIRXDA相连接，2、3端口通过反相器U11A与U12微处理器GPIOA0口线连接。

本发明实施上述一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其积极效果在于能够通过采集到的温度信号、电流信号和振动信号对隔离开关的运行状态做出全面分析，便于安排检修方案并确保供电安全。监测装置运行前，首先输入隔离开关的额定电流、温升预警门限值以及接触不良引起的振动信号门限值，运行后实时监测三个参量的变化。当微处理器检测到振动信号大于2mm且温度信号超过80℃，显示屏会提示“隔离开关接触电阻增大”，这时即便隔离开关处于小电流轻载运行状态，都应立即断电检修，避免负载增加引发火灾事故。当微处理检测的温度信号超过80℃并且电流信号接近额定值，而振动信号低于0.6mm，显示屏会提示“隔离开关过载运行”，长期过载应通过分散低压侧负荷或选取更大容量的隔离开关来确保供电安全，杜绝重大事故的发生。

Claims

1.一种矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：它包括一个电流互感器、三个振动传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、振动信号调理模块、数据采集模块、频率跟踪模块、微处理器模块、数据存储模块、整定模块、显示模块；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，振动传感器通过单路信号线与振动信号调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块输出端口与微处理器模块的输入端口相连，振动信号调理模块、数据采集模块、数据存储模块、整定模块、显示模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连；所述的电流调理模块一侧与电流互感器相连，经电流/电压转换、滤波后送至数据采集模块的输入端；所述的频率跟踪模块的输入端与电流信号调理模块任一输出端相连，经锁相环和分频器实现采样信号的频率跟踪和同步采样。

2.根据权利要求1所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的振动信号调理模块将振动信号经过由运算放大器组成的电平转换电路、电平提升电路和低通滤波电路送至微处理器模块的AD转换口。

3.根据权利要求1所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的数据采集模块是A/D转换器，其三个输入端口与红外温度传感器直接相连，另外三个输入端口分别与电流信号调理模块的输出端口相连接，数据采集模块的输出端口、地址端口和控制端口分别通过数据线、地址线和控制线与微处理器模块相连接。

4.根据权利要求1所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的微处理器模块是微处理器，外接晶振、复位电路、电源，且固化了隔离开关运行状态在线监测程序。

5.根据权利要求4所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的数据存储模块是存储芯片，其地址端口、数据端口和控制端口分别通过地址线、数据线和控制线与微处理器的地址端口、数据端口和控制端口相连接。

6.根据权利要求1所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的整定模块是4个按键，按键一端与3.3V电源连接，一端与微处理器模块的GPIOB0-GPIOB3口相连接。

7.根据权利要求4所述的矿用高压配电隔离开关运行状态在线监测装置，其特征在于：所述的显示模块是液晶显示屏，通过RS-485电平转换芯片与微处理器的异步串行接口相连接。