CN102788645A - 电力设备电连接点温升红外监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

电力设备电连接点温升红外监测系统及监测方法，包括相互通信连接的温度传感和数据采集模块、中央处理模块以及上位机通信处理模块；温度传感和数据采集模块自动连续地检测电力设备电连接点温度数据；中央处理模块包括单片机，单片机中包含了利用基于有限元分析软件对电力设备电连接点进行热特性分析之后建立的温升特性参数表，中央处理模块能完成温度数据处理和比较判断；上位机通信处理模块能够完成数据的传输与储存以及远程的监控；本发明系统及方法能够准确检测电力设备电连接点的温升，并及时判断出电力设备是否有短路电流通过，如有需要发出预警信号，进而提高电力设备的工作电寿命和工作可靠性，为电力系统的稳定运行提供安全可靠的保障。

Description

电力设备电连接点温升红外监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及电力设备安全运行监测技术领域，具体涉及一种电力设备电连接点温升红外监测系统及监测方法。

背景技术

开关设备是电力系统运行中的关键设备，在电力系统中起控制与保护作用。它的安全可靠性关系到整个电力系统正常运行状态。

根据多年来国际大电网会议(CIGRE)第13研究委员会和我国电力部门分别对世界范围内及在中国挂网运行的开关柜运行可靠性的全面调查与统计资料表明，整个90年代中国电力系统配电电压等级的开关事故类型分布如图1-2：机械故障（拒分、拒合、误动）33.3％，绝缘故障37.3％，温升故障（载流）8.9％，其它20.5％。从资料中可以看到因温升故障引起的事故在运行故障中占到了不小的比重，因温升超标导致开关设备烧毁的现象时有发生，因而对开关设备的温升问题及温度在线检测进行研究有着十分现实及重要的意义。电连接点是关键发热点，也是温升故障最容易出现的点。但是电连接点往往封闭起来了，不容易直接测量。

在该研究领域，由于开关设备是电力系统运行的关键设备，前人做过各种有益的探索。开关电气设备的温升状态在线监测采用的方法按照温度传感装置是否与被测温物体直接接触，分为接触式和非接触式两种。

中国专利ZL200420041719.1，名称为“一种成套开关在线监测接触式温度传感装置”，提出了一种接触式的温度状态在线监测方法。为了解决接触式温度传感装置供电问题，该方法在母线取流、整流并滤波，并需要保证母线流过小电流或流过短路电流时均能正常供电，造成取电时使用的铁芯制作成本昂贵，不利于大面积推广实施。

中国专利号ZL02258947.3，专利名为“基于软件补偿的红外测温传感装置”，采用红外辐射原理，提出了一种高压开关电器设备温升状态在线监测用的传感装置。该专利对测温点的温度值作线性插值得到精确的被测点实际温度。但是该专利采用的红外测温传感器具有较大的感测角度，由于传感器与被测对象之间需要满足绝缘安全距离的要求，感测角度大会使得测量区域过大，超出被测对象（如：母排）尺寸，使得测温结果受到干扰，精度大大降低。另一方面，电力设备中发热部位（电连接点）往往处于密封状态，通过红外测温方式难以直接对电连接点进行温度监测，而只能监测电连接点附近位置温度。该专利未对测温点与电连接点温度差异进行标定，从而难以获得电连接点的温度。

总的来说，开关设备的温度在线状态检测，国内外都在研究开发。而生产运行安全可靠的智能化电器设备适应了电力工业发展的需求，已成为电器行业发展的趋势。一个优秀的温度在线检测系统也应符合以下要求：

1)系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行；

2)系统应能自动地连续地进行检测、数据处理和存储；

3)系统应具有自检和报警功能；

4)系统应具有较好的抗干扰能力和合理的检测灵敏度；

5)检测结果应具有较好的可靠性、重复性和合理的准确度；

6)系统应具有较好的时间响应特性。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目在于提供一种电力设备电连接点温升红外监测系统及监测方法，采用本发明监测系统和监测方法，通过测量电连接点附近母线温度（测温位置后面简称为测温点），并通过发热分析得出电连接点温度，并对故障进行报警。上述的测温点是指电力设备上温度传感器所检测到的部位，选取电力设备光洁面，原则是尽量靠近电连接点，同时又能够方便温度传感器安装及红外信号采集；本发明能够准确检测电力设备电连接点的温升，并及时判断出电力设备是否有短路电流通过，如有需要发出预警信号，进而提高电力设备的工作电寿命和工作可靠性，为电力系统的稳定运行提供安全可靠的保障。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电力设备电连接点温升红外监测系统，包括相互通信连接的温度传感和数据采集模块、中央处理模块以及上位机通信处理模块；

所述温度传感和数据采集模块采用数字式红外温度传感器实现温度采集，能够自动连续地检测电力设备电连接点温度数据；

所述中央处理模块包括单片机，单片机中包含了利用基于有限元分析软件对电力设备电连接点进行热特性分析之后建立的温升特性参数表，中央处理模块能够完成温度数据处理和比较判断；

所述上位机通信处理模块包括上位机人机交互软件以及中央处理模块的单片机与上位机之间的通信连接线，能够完成数据的传输与储存以及远程的监控；

所述温度传感和数据采集模块受控于所述中央处理模块，所述上位机通信处理模块用于与所述中央处理模块进行交互并进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

在所述温度传感和数据采集模块和电力设备间放置有透镜，所述温度传感和数据采集模块以及透镜放置和电力设备间的位置关系满足有效发射角为10度以下。

所述温度传感和数据采集模块包括环境温度测试模块和设备测温模块，环境温度测试模块和设备测温模块包括调理电路和置于一外壳内的传感器。

所述传感器为MLX90614型传感器，MLX90614传感器的SDA、VDD端口设置上拉电阻，SDA、SCL端口与接地端间并联TVS管，且SDA、SCL端口并联了高压瓷片电容作为旁路电容。

所述中央处理模块的单片机为STC12C5A60S2系列单片机。

一项所述的监测系统的监测方法，包括如下步骤：

步骤1：所述上位机通信处理模块发送数字式红外温度传感器测温点距电力设备连接处的距离、电力设备的交直流模式、电力设备尺寸、电力设备额定电流及材料属性设定值到所述中央处理模块，中央处理模块根据所发送的参数查找相应的电力设备温升特性参数表。

步骤2：所述温度传感和数据采集模块连续地采集电力设备电连接点温度数据，并将采集的数据发送给所述中央处理模块；

步骤3：所述中央处理模块的单片机中将温度传感和数据采集模块发送来的温度数据与对应的电力设备温升特性参数表进行分析比较，根据仿真结果所得的热传播特性可以由测温点的温度数据得到电力设备连接处的温度数据，然后根据分析比较结果发出相应的报警信号并将报警信号发送至上位机通信处理模块；

步骤4：所述上位机通信处理模块根据接收到的报警信号和所述中央处理模块进行交互，进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

步骤3所述的电力设备温升特性参数表是通过有限元分析软件获得的参数表，且所述参数表中的参数包括温升和温度增长率，所述温度增长率以上升到相应电力设备材料达到软化点或者熔点温度的温度上升率作为阈值，判断当时的接触状态下是否会发生接触材料的软化，并发出相应报警信号。

所述报警信号包括：1）当电力设备三相温差过大时，中央处理模块发出相应报警信号；2）当电力设备单相温升过快或者温度过高时，中央处理模块发出相应报警信号；3）当电力设备某相或者三相温度增长率过大，即超过阈值时，中央处理模块发出相应报警信号；4)当电力设备温度增长率近似按照有限元分析所得短路情况下温度增长率的规律变化，中央处理模块发出短路报警信号。

所述有限元分析软件为ANSYS软件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1）整套系统完整的完成了电力设备温升的在线监测处理及分析判断，特别适合用于开关设备电连接点温升的在线监测。

2）建立了中央处理单元的ANSYS仿真数据库，为故障的判断分析建立了数据依据。故障判断按照温升和温度上升率两方面的数据进行考量，根据设备材料的软化温度和融化温度以及相应的短路时间可以计算得到温度上升率的阈值，同时可以判断分析电接触的接触状况。

3）温度传感和数据采集模块中传感器本身的有效发射角为10度，由于加装了透视镜减小了发射角，大大的提高了测量准确度。根据国标规定12kV和35kV高压设备相间及对地的最小空气间距分别为125mm和300mm，而此时125×sin10⁰和300×sin10⁰的值分别为21.7mm和52mm，远小于相应的母排宽度80mm，排除了母排发射信号之外的干扰，保证了测量的准确度。同时该模块采取数字输出方式，体积很小，特别适合于开关设备电连接温升在线监测。

4）上位机通信处理模块不但可以根据实际检测对象进行参数设置，而且还可以实现远程监控，这就大大拓展了监测系统的应用面。上位机同时还可以保存大量的历史数据，进行趋势分析等。

6）抗干扰能力强。包括外壳电磁兼容设计，数字温度信号通过双层屏蔽电缆传输，采取TVS管进行瞬态干扰保护，高压瓷片电容进行高频干扰滤波等措施，使其能具有较强的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明监测系统示意图。

图2是温度传感和数据采集模块、电力设备以及透镜的位置关系示意图。

图3是温度传感和数据采集模块的传感器抗干扰电路图。

图4是ANSYS分析所得中压开关柜母排额定电流工作状态温升随接触电阻变化曲线例图。

图5是ANSYS分析所得中压开关柜母排电连接点通过额定短时耐受电流时的温度增长率随时间变化曲线例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种电力设备电连接点温升红外监测系统，包括相互通信连接的温度传感和数据采集模块、中央处理模块以及上位机通信处理模块；温度传感和数据采集模块采用数字式红外温度传感器实现温度采集，能够自动连续地检测电力设备电连接点温度数据；所述中央处理模块包括单片机，单片机中包含了利用基于有限元分析软件对电力设备电连接点进行热特性分析之后建立的温升特性参数表，中央处理模块能够完成温度数据处理和比较判断；所述上位机通信处理模块包括上位机人机交互软件以及中央处理模块的单片机与上位机之间的通信连接线，能够完成数据的传输与储存以及远程的监控；

所述温度传感和数据采集模块受控于所述中央处理模块，所述上位机通信处理模块用于与所述中央处理模块进行交互并进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

本发明一种电力设备电连接点温升红外监测系统的监测方法，包括如下步骤：

步骤1：所述上位机通信处理模块发送数字式红外温度传感器测温点距电力设备连接处的距离、电力设备的交直流模式、电力设备尺寸、电力设备额定电流及材料属性设定值到所述中央处理模块，中央处理模块根据所发送的参数查找相应的电力设备温升特性参数表。

步骤2：所述温度传感和数据采集模块连续地采集电力设备电连接点温度数据，并将采集的数据发送给所述中央处理模块；

步骤3：所述中央处理模块的单片机中将温度传感和数据采集模块发送来的温度数据与对应的电力设备温升特性参数表进行分析比较，根据仿真结果所得的热传播特性可以由测温点的温度数据得到电力设备连接处的温度数据，然后根据分析比较结果发出相应的报警信号并将报警信号发送至上位机通信处理模块；

步骤4：所述上位机通信处理模块根据接收到的报警信号和所述中央处理模块进行交互，进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

优选的，所述的电力设备温升特性参数表是通过有限元分析软件获得的参数表，本实施利有限元分析软件为ANSYS软件，所述参数表中的参数包括温升和温度增长率，所述温度增长率以上升到相应电力设备材料达到软化点或者熔点温度的温度上升率作为阈值，判断当时的接触状态下是否会发生接触材料的软化，并发出相应报警信号。所述报警信号包括：1）当电力设备三相温差过大时，中央处理模块发出相应报警信号；2）当电力设备单相温升过快或者温度过高时，中央处理模块发出相应报警信号；3）当电力设备某相或者三相温度增长率过大（超过阈值）时，中央处理模块发出相应报警信号；4)当电力设备温度增长率近似按照有限元分析所得短路情况下温度增长率的规律变化，中央处理模块发出短路报警信号。

电力设备温升特性参数表的实现包括如下步骤：

步骤1：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力设备电连接点的三维热场模型，利用电连接点接触电阻值和接触面积的大小，通过计算建立接触电阻等效模型，分别进行额定电流工作状态和通过短时耐受电流状态的热-电耦合仿真分析，输出电连接点及测温点的温度场分布图和在通过短时耐受电流状态情况下温度的瞬时值和随时间变化的曲线。

步骤2：对仿真分析后得到的电连接点和测温点的仿真温升结果进行数据处理，得到电连接点和测温点表面温度的瞬时平均值；通过与试验中测得温度数据对比，验证模型的正确性。

步骤3：通过数据处理拟合曲线，求出电力设备各个位置处的温度上升率，并拟合出温度上升率曲线图。

如图2所示，在所述温度传感和数据采集模块和电力设备间放置有透镜，所述温度传感和数据采集模块以及透镜放置和电力设备间的位置关系满足有效发射角为10°以下，本实施例有效发射角为10°。

如图3所示，传感器为MLX90614型传感器，MLX90614传感器的SDA、VDD端口设置上拉电阻R,本实施例上拉电阻R为10kΩ，SDA、SCL端口与接地端间分别并联了TVS1管和TVS2管，且SDA、SCL端口分别并联了第一高压瓷片电容C1和第二高压瓷片电容C2作为旁路电容。

如图4所示，针对的是12kV的中压开关柜，母排尺寸为80*10mm²，额定电流为1250A，瞬态额定短时耐受电流为31.5kA，额定耐受时间为4s，通过ANSYS分析软件所得的中压开关柜母排额定电流工作状态温升随接触电阻变化曲线例图，本发明监测系统和监测方法能够建立母排各个位置的温升特性参数表，图5只列出了距离电连接点0cm、5cm、10cm以及20cm处的温升随接触电阻的变化。

如图5所示，针对的是12kV的中压开关柜，母排尺寸为80*10mm²，额定电流为1250A，瞬态额定短时耐受电流为31.5kA，额定耐受时间为4s，通过ANSYS分析软件所得的中压开关柜母排通过额定短时耐受电流时的温度增长率随时间变化曲线例图，本发明监测系统和监测方法能够建立母排电连接点在不同接触电阻下的温升特性参数表，图6只列出了接触电阻为1微欧、2微欧、5微欧以及10微欧的通过额定短时耐受电流时的温度增长率随时间变化曲线例图。

Claims (9)

1.一种电力设备电连接点温升红外监测系统，其特征在于：包括相互通信连接的温度传感和数据采集模块、中央处理模块以及上位机通信处理模块，可以同时对电力设备3相进线和3相出线母线电连接点温度及1路环境温度实施在线监测；

所述温度传感和数据采集模块采用数字式红外温度传感器实现温度采集，能够自动连续地检测电力设备电连接点温度数据；

所述中央处理模块包括单片机，单片机中包含了利用基于有限元分析软件对电力设备电连接点进行热特性分析之后建立的温升特性参数表，中央处理模块能够完成温度数据处理和比较判断；

所述上位机通信处理模块包括上位机人机交互软件以及中央处理模块的单片机与上位机之间的通信连接线，能够完成数据的传输与储存以及远程的监控；

所述温度传感和数据采集模块受控于所述中央处理模块，所述上位机通信处理模块用于与所述中央处理模块进行交互并进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：在所述温度传感和数据采集模块和电力设备间放置有透镜，所述温度传感和数据采集模块以及透镜放置和电力设备间的位置关系满足有效发射角为10度以下。

3.根据权利要求1或2所述的监测系统，其特征在于：所述温度传感和数据采集模块包括1路环境温度测试模块和6路设备测温模块，环境温度测试模块和设备测温模块包括调理电路和置于金属外壳内的传感器。

4.根据权利要求1或2所述的监测系统，其特征在于：所述传感器为MLX90614型传感器，MLX90614传感器的SDA、VDD端口设置上拉电阻，SDA、SCL端口与接地端间并联TVS管，且SDA、SCL端口并联了高压瓷片电容作为旁路电容。

5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述中央处理模块由单片机和通信电路组成，单片机具有不少于14个数字输入/输出接口可以同时与7路温度监测模块进行信息交互，同时提供1路485总线和1路can总线用于与上位机进行信息交互。

6.权利要求1至5任一项所述的监测系统的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：所述上位机通信处理模块发送数字式红外温度传感器测温点距电力设备连接处的距离、电力设备的交直流模式、电力设备尺寸、电力设备额定电流及材料属性设定值到所述中央处理模块，中央处理模块根据所发送的参数查找相应的电力设备温升特性参数表。

步骤2：所述温度传感和数据采集模块连续地采集电力设备电连接点温度数据，并将采集的数据发送给所述中央处理模块；

步骤3：所述中央处理模块的单片机中将温度传感和数据采集模块发送来的温度数据与对应的电力设备温升特性参数表进行分析比较，根据仿真结果所得的热传播特性可以由测温点的温度数据得到电力设备连接处的温度数据，然后根据分析比较结果发出相应的报警信号并将报警信号发送至上位机通信处理模块；

步骤4：所述上位机通信处理模块根据接收到的报警信号和所述中央处理模块进行交互，进而实现对所述温度传感和数据采集模块的监控。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：步骤3所述的电力设备温升特性参数表是通过有限元分析软件获得的参数表，且所述参数表中的参数包括温升和温度增长率，所述温度增长率以上升到相应电力设备材料达到软化点或者熔点温度的温度上升率作为阈值，判断当时的接触状态下是否会发生接触材料的软化，并发出相应报警信号。

8.根据权利要求6或7所述的监测方法，其特征在于：所述报警信号包括：1）当电力设备三相温差过大时，中央处理模块发出相应报警信号；2）当电力设备单相温升过快或者温度过高时，中央处理模块发出相应报警信号；3）当电力设备某相或者三相温度增长率过大，即超过阈值时，中央处理模块发出相应报警信号；4)当电力设备温度增长率近似按照有限元分析所得短路情况下温度增长率的规律变化，中央处理模块发出短路报警信号。

9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述有限元分析软件为ANSYS软件。

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