CN102928105B

CN102928105B - 一种测量断路器触头温度的装置及方法

Info

Publication number: CN102928105B
Application number: CN201210397188.9A
Authority: CN
Inventors: 荣命哲; 吴洁月; 刘定新; 王小华; 杨飞; 吴翊
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: CN102928105A

Abstract

本发明涉及一种测量断路器触头温度的装置，该装置包括温差转换模块、能量管理模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其中：（1）温差转换模块通过热电发生器将温差转换为电压；（2）能量管理模块通过收集和管理所述电压来为整个测量装置提供电源；（3）信号采集模块通过温度传感器来实现对所述触头温度的采集，并输出至信号调理模块；（4）信号调理模块包括放大电路和保护电路，以便对所述信号采集模块输出的信号进行放大，限幅保护后将信号输出至无线传输模块；（5）无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后，以无线的方式发送给测量数据接收模块。本装置能够精确测量触头的温度。

Description

一种测量断路器触头温度的装置及方法

技术领域

本发明涉及电器设备温度监控领域，特别涉及一种测量断路器触头温度的装置及方法。

背景技术

发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电器设备，但是近年来，在发电厂和变电站已发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电事故。究其原因，发生事故的一个重要原因在于：设备在长期运行过程中，断路器的触头因老化或接触电阻过大而发热，而现实问题是无法有效监测这些发热部位的温度。如果不能实时监测这些发热部位的温度并采取措施，最终将会导致火灾事故的发生。也就是说，高压开关柜中触头温度的实时监测是预防此类事故发生的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种测量断路器触头温度的装置，所述装置包括温差转换模块、能量管理模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述温差转换模块通过热电发生器将温差转换为电压；

（2）所述能量管理模块通过收集和管理所述电压来为整个测量装置提供电源；

（3）所述信号采集模块通过温度传感器来实现对所述触头温度的采集，并输出至所述信号调理模块；

（4）所述信号调理模块包括放大电路和保护电路，以便对所述信号采集模块输出的信号进行放大，限幅保护后将信号输出至无线传输模块；

（5）所述无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后，以无线的方式发送给所述测量数据接收模块。

同时，本发明还公开了一种测量触头温度的方法，其特征在于：

（1）通过热电发生器将温差转换为电压；

（2）通过收集和管理所述电压来为整个测量方法提供电源支持；

（3）通过温度传感器来实现对所述触头温度的采集；

（4）对上一步骤采集的信号进行放大；

（5）对上一步骤放大的信号进行模数转换后以无线的方式发送给测量数据接收方。

附图说明

图1为本发明中的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为解决有效监测断路器触头温度这一技术问题，本发明的一个实施例中公开了一种测量断路器触头温度的装置，所述装置包括温差转换模块、能量管理模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述温差转换模块通过热电发生器将温差转换为电压；

结合图1来看，其中，与无线传输模块对应的测量数据接收模块未示出。就该实施例而言，其采用的是“温差发电+信号采集+信号调理+无线传输”的方式。就该实施例而言，本发明：首先解决了测量装置供电的问题，不局限于交流系统或直流系统；其次由于采用了无线传输模块，所以还解决了高低压侧隔离测量的问题，再次，本发明通过信号调理模块中的放大电路从而实现对小信号的测量，提高了测量精度。这样一来，高压侧部分将温度信号通过无线传输模块发出后，在低压侧通过相应的测量数据接收模块将信号接收并提取出信息，从而实现了触头温度的精确测量，也实现了高低压侧的隔离。

实际应用中，如果需要对模数转换后的数据进行数据处理，则可以由测量数据接收模块来完成，简单的数据处理也可以由无线传输模块完成，但是出于降低功耗的目的，倾向于由测量数据接收模块完成。比如，可以考虑的数据处理有：应用数字编码和解码技术，剔除干扰信号；使用软件滤波技术；为消除随机干扰，利用触头温度变化相对缓慢的特点，对检测点信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠。

进一步地，如果有需要的话，所述测量装置也可以加装包含电容的储放电模块，作为特殊情况下的备用电源。

更优的，在另一个实施例中：所述热电发生器采用电串联连接并夹在两块导热陶瓷板之间的N型掺杂和P型掺杂半导体芯片对所构成。就该实施例而言，容易理解，此处所应用的N型和P型的结构与这种结构在其他半导体中的应用类似。就热电发生器而言，热电发生器(TEG)即热电模块，它利用塞贝克(Seebeck)效应将设备上的温度差，以及由于温度差所导致的流过设备的热量，转换为电压。

更优的，在另一个实施例中：所述半导体芯片的材料可以是是碲化铋，或者其他已知的用于热电发生器的铋、锑、碲、硒的化合物。

更优的，在另一个实施例中，所述能量管理模块还包括：（a）升压变压器；（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器。就该实施例而言，属于能量管理模块的优选实施例。温差转换为电压后，有时也需要通过（a）升压变压器进行升压，以供（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器来进行转换和电源管理。

更优的，在另一个实施例中：所述超低电压、升压型转换器和电源管理器，采用Linear Technology公司的LTC3108芯片。该器件本身也具有升压型拓扑结构，所采用的升压型拓扑结构可在输入电压低至20mV的情况下正常运作，输出电压值可选择2.35V，3.3V，4.1V，5V中的任意一个值。也就是说，该实施例主要通过LTC3108来实现收集和管理温差转换的电压。当然，也可以不采用LTC3108系列芯片，而采用其他超低电压、升压型转换器和电源管理器。

更优的，在另一个实施例中：所述温度传感器为利用导线传输信号的接触式测温传感器来测量触头温度。就该实施例而言，与利用光纤传输信号的接触式测温传感器相比，该实施例采用了导线式、接触式测温传感器。

更优的，在另一个实施例中：所述无线传输模块采用ZigBee、WiFi、GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA中的任一方式或任一组合方式进行无线传输。

相对而言，ZigBee虽然低功耗，但是传输距离也相对短一些，至于具体在实际中采用何种无线传输方式，取决于其技术需求，比如GSM、CDMA、WCDMA模块均具备接入移动通信网络能力，理论上传输距离没有限制，现有技术中也存在多种采用移动通信网络，特别是利用短信收发来完成测量的技术手段。

如果希望无线传输模块尽可能的低功耗和满足测量最基本需求，那么可以选择ZigBee协议。

更优的，在另一个实施例中，为消除工作环境中的电磁干扰对装置的影响，所述装置主体包裹在金属外壳中，所述温度传感器选用带屏蔽层的传感器。

更优的，在另一个实施例中，为了测量温度尽可能准确，所述温度传感器安装在灭弧室内；为了防止过热损坏能量管理模块，所述能量管理模块安装在灭弧室之外。

更优的，在另一个实施例中：所述接触式测温传感器为热电偶，所述导线外部套有屏蔽层。对于该实施例而言，其利用了热电偶体积小这一特点，至于导线外部套有屏蔽层则是为了避免信号干扰。进一步地，如果希望测量温度尽可能准确，由于热电偶的体积一般很小，那么热电偶只需焊接在触头附近即可，这样也会使得热电偶位于灭弧室内，而热电发生器则安装在温差变化大的部位，如动触头杆上，而整个装置的主体则可以安装在灭弧室外的闲置空间中，以不影响断路器正常工作为准。

更优的，在另一个实施例中，所述无线传输模块选择具有内置温度传感器的无线片上系统，通过所述内置温度传感器测量环境温度。就该实施例而言，实际应用中，利用所述环境温度与前文所述温度传感器（如热电偶）的测量值即可得到触头温度的真实值，便于后期其他数据应用。

就该实施例而言，无线传输模块的设计原则可以参考下例：

当超低电压、升压型转换器和电源管理器，采用Linear Technology公司的LTC3108芯片时，以德州仪器的ZigBee无线片上系统CC2530为例，其中最小系统和无线传输部分均采用官方设计。CC2530除实现ZigBee无线传输的功能外，还能够完成电源供电控制和数据处理等功能。温差转换模块通过LTC3108的第7脚PGD（PGOOD端的简称），以及V2EN（VOUT2使能端VOUT2_EN的简称）和无线传输模块相连，其中PGD是接受的温差转换模块的信号，这个信号代表电源供电是否正常，为低电平时可间接说明分流器两端电压低于20mV，电路中可能会产生小电流，以此作为小电流测量的起点。V2EN可控制LTC3108的VOUT2是否有输出，即是否对信号采集和调理模块供电。信号调理模块的输出信号以单端输入的方式送入CC2530的ADC进行模数转换和数据处理。此外，CC2530内置有温度传感器，便于通过所述内置温度传感器测量环境温度。

此外，在另一个实施例中，本发明公开了一种测量断路器触头温度的方法，所述方法包括如下步骤：

（1）通过热电发生器将温差转换为电压；

（3）通过温度传感器来实现对所述触头温度的采集；

（4）对上一步骤采集的信号进行放大；

就上述实施例而言，其属于与本发明前述第一个实施例呼应的方法实施例。

进一步地，如果希望配合供电电路、减少功率消耗和提高测量精度，可以按照如下要求选择放大电路中的运算放大器：（1）可单电源供电，如3.3V；（2）低功耗；（3）低输入偏置电压和低温度漂移电压；（4）具备轨对轨输出功能，即允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。如果希望提高响应速度，也可以选择具备高速响应速度的运算放大器。

综上所述，本发明所述的测量触头温度的装置及其方法具有以下优点：（1）本发明提出一种全新的在线取能方式，这种取能方式与系统本身的性质无关，不论系统是交流还是直流，只要产生温度差，就可实现温差取能，而温度的变化必然会伴随温差的产生，因此有温度变化就可取能，可取能就可实现温度测量的电源供给；那么，本发明也很容易用于测量母排的温度，只需将测量对象换成母排，其他技术手段作适应性变换即可；（2）采用导线传输的接触式测温，测量结果准确，测量范围广，电路简单，便于实现；（3）高低压侧隔离性好，本发明中由于采用了基于温差发电的在线取能和无线传输的方法，高低压侧没有直接的电气连接，两侧相互独立，因此隔离性好，不需担心高低压侧绝缘的问题；（4）抗电磁干扰能力强，采用软硬件相结合的方式消除电磁干扰；（5）成本低廉，大规模生产成本更低。总而言之，本发明所述的测量装置和方法适用性广，测量精确度高，测量范围广，高低压侧隔离性好，抗电磁干扰能力强，成本低廉，容易实现，适合于工程实际应用。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种测量断路器触头温度的装置，所述装置包括温差转换模块、能量管理模块、信号采集模块、信号调理模块、无线传输模块，以及测量数据接收模块，其特征在于：

（1）所述温差转换模块通过热电发生器将温差转换为电压；

（2）所述能量管理模块通过收集和管理所述电压来为整个测量装置提供电源；所述能量管理模块还包括：（a）升压变压器；（b）超低电压、升压型转换器和电源管理器；

（5）所述无线传输模块对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换后，以无线的方式发送给所述测量数据接收模块；

其中：

所述热电发生器采用电串联连接并夹在两块导热陶瓷板之间的N型掺杂和P型掺杂半导体芯片对所构成，且热电发生器安装在动触头杆上；

所述温度传感器为利用导线传输信号的接触式测温传感器来测量触头温度，所述接触式测温传感器为热电偶，所述导线外部套有屏蔽层；

所述无线传输模块采用ZigBee、WiFi、GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA中的任一方式或任一组合方式进行无线传输；

所述装置主体包裹在金属外壳中，所述温度传感器选用带屏蔽层的传感器；

所述温度传感器安装在灭弧室内，所述能量管理模块安装在灭弧室之外；

所述无线传输模块选择具有内置温度传感器的无线片上系统，通过所述内置温度传感器测量环境温度；

如果需要对模数转换后的数据进行数据处理，则由测量数据接收模块来完成，其中，所述数据处理有：应用数字编码和解码技术，剔除干扰信号；使用软件滤波技术；为消除随机干扰，利用触头温度变化相对缓慢的特点，对检测点信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠。