CN103344839A - 一种母线接头接触电阻无线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种母线接头接触电阻的无线检测方法与装置，母线穿过上、下铁心对合围成的槽口，测流测温模块环扣在母线接头表面上，温度传感器直接接触于母线接头并连接测流测温模块，使用有限元分析仿真出母线接头表面最高、表面最低温度，选取最高、最低温度作为BP神经网络输入变量，母线接触电阻作为输出向量，完成BP神经网络训练；母线有电流流过时在线圈中产生交流电，通过切换开关选择取能供电还是采集电流，温度传感器检测母线接头表面的最高、最低温度，电流、温度数字信号经过MCU处理单元经无线通信模块传给上位机，上位机将电流、温度数字信号值输入BP神经网络中实现对接触电阻的测量，有效解决母线运行中接触电阻难测量的问题。

Description

一种母线接头接触电阻无线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域和无线传输领域，尤其是涉及一种母线接头的接触电阻无线检测方法和装置。

背景技术

封闭式母线是电力传输设备的重要部件，封闭式母线近年来被广泛用于室内变电站、高层建筑和工厂厂房，以代替传统的电缆进行配电。封闭式母线由于自身结构的特点，温升对其工作性能和可靠性影响较大，尤其是封闭母线接头。封闭母线接头处主要采用螺栓固定连接，在螺钉压紧的固定连接处，如果螺栓未拧紧，或者即使拧紧，经过长时间运行后经热胀冷缩后引起导电体的蠕动，也会使螺栓松动引起母线接头处的接触面氧化，导致其接触电阻增大。在电流的作用下接触电阻发热量增大，通过接头内部的热量传递，会使整个接头的温升上升，出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电，殃及周围绝缘材料，最终造成电气设备损坏。因此，掌握封闭母线接头接触电阻的变化情况，对检测及保护封闭母线接头正常运行具有重要的意义。

中国专利申请号为201210289446.1的专利文献公开了一种GIS母线接头的接触电阻检测方法和系统，采用的是接触电阻产生的原理，通过接触面的压力来确定GIS母线接头的接触电阻，此种方法只能够通过人工测量，不能够实现实时在线检测，而且，接触电阻量值一般很小，通过接触面的压力来直接测量误差很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种对母线接头接触电阻实时、精确、无线检测的方法和装置，将母线接头表面温度和流过母线接头的电流作为辅助变量，实现对母线接头处接触电阻这一主导变量的测量。

 本发明所述一种母线接头接触电阻无线检测装置采用的技术方案是：包括电源模块和测温测流模块，电源模块通过信号线连接测流测温模块，测流测温模块环扣在母线接头表面上，温度传感器直接接触于母线接头并连接测流测温模块，测流测温模块连接通信天线；所述电源模块包括上铁心、下铁心和绕在铁心上的线圈，上铁心和下铁心对合在一起，之间围成一个槽口，母线穿过所述槽口；所述测流测温模块包括MCU处理单元b2、各电路和模块，MCU处理单元b2连接切换开关a，切换开关a通过信号线4与铁心上的线圈相连接，切换开关a还分别连接整流电路a1和采样电路b1；所述整流电路a1依次连接滤波电路a2、开关稳压电源a3、稳压器a4、滤波电路a5、电源模块a6；MCU处理单元b2通过电源选择电路a10依次连接电源模块a9、锂电池a8、线性充电器a7，线性充电器a7还连接于开关稳压电源a3和稳压器a4之间；MCU处理单元b2分别连接电源模块a6、无线通讯模块b4、放大电路b3，无线通讯模块b4连接外部的通信天线，放大电路b3连接外部的温度传感器。

本发明所述一种母线接头接触电阻无线检测装置的检测方法采用的技术方案是包括如下步骤：

A、在一定的负载电流和不同接触电阻值的情况下，上位机使用有限元分析仿真出母线接头表面最高温度、表面最低温度，完成训练样本；在训练样本中，选取表面最高温度、最低温度作为BP神经网络输入层输入变量，母线接触电阻作为输出层输出向量，完成BP神经网络的训练；

B、母线有电流流过时就产生磁场，在线圈中产生交流电，通过切换开关选择取能供电还是采集电流，当切换开关a与整流电路a1相连时，取能供电，当切换开关a与采集电路b1相连时，采集电流；

C、采集的电流经过MCU处理单元b2转换成电流数字信号，温度传感器检测母线接头表面的的最高温度、最低温度，经过放大电路b3输入到MCU处理单元b2，MCU处理单元b2把温度模拟信号转换成温度数字信号，

D、电流、温度数字信号经过MCU处理单元b2传输到无线通信模块b4，通过无线通讯模块b4将电流、温度数字信号无线发送给数据接收节点，接收节点接收到的数据传给上位机，上位机根据检测到的电流、温度数字信号值，输入到训练好的BP神经网络中，实现对接触电阻的测量。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的检测方法是一种软测量方法，使用BP神经网络建立起接触电阻与表面温升之间的非线性映射关系，测出母线接头表面处的温度和流过母线接头的电流，作为输入变量输入到经过训练好的神经网络，通过测量流过母线接头处的电流以及母线接头表面的温度，温度测量采用直接接触式测温，实现对母线接头处接触电阻的测量。使用该方法有效地解决在母线运行中接触电阻难测量的问题，并可为制定相关的检测诊断标准提供依据。

2、本发明提供的检测方法通过有限元分析软件来实现对BP神经网络训练样本的准备，通过有限元分析软件计算出母线接头电流、表面温度和母线接头处的接触电阻的关系，该种方法得到的样本精度高。

3、本发明提供的检测方法，选取母线接头表面最高温度、最低温度这两项作为神经网络的输入变量，接触电阻作为输出变量，进行神经网络训练，建立合理的BP神经网络模型，实现对接触电阻的软测量。

4、本发明提供的检测装置，电源部分采用铁心线圈从母线上取能供电，相当于改进型的特制电流互感器线圈从母线上取能供电，取能供电和检测母线的电流电路使用同一个线圈，通过切换开关来选择是取能供电还是检测母线电流，同一个线圈完成了两项功能，电源供电部分采用线圈取能供电和锂电池交替使用，保证了装置的电源供应，节省了装置的成本，整体测量安装方便，实用性强。

5、本发明提供的检测装置，采用WSN技术，采集到的电流、温度无线发送给数据接收节点，接收节点通过USB通信把数据传输到上位机，上位机软件实现对接触电阻值的确定，实现从远端掌握接触电阻的变化情况。

6、本发明提供的检测装置，能有效解决母线接头在运行过程中接触电阻难以测量的问题，为了避免拆卸母线，检测装置整体采用开口式设计，安装实施简便。

附图说明

图1是本发明母线接头接触电阻无线检测装置的示意图。

图2是图1中电源模块2在打开状态时的结构示意图；

图3是图1中母线接头8的内部结构以及与测流测温模块7的组装结构示意图；

图4是图1中测流测温模块7组成及外接电路图；

附图中各部件的序号和名称：1.母线；2.电源部分；3.铰链；4.信号线；5.不锈钢自锁式扎带；6.通信天线；7.测流测温模块；8.母线接头；9.温度传感器；10.上铁心；11.下铁心；12.非磁性材料；13.卡扣；14.外壳；15.绝缘螺栓；16.母线接头的连接处；17.母线槽单元；18.绝缘板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的阐述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1，为本发明所述母线接头接触电阻无线检测装置示意图，此装置主要包括电源模块2和测温测流模块7两部分。电源模块2通过信号线4连接测流测温模块7，为测流测温模块7提供电能。测流测温模块7使用不锈钢自锁式扎带5环扣在母线接头8表面上，安装牢固方便，不锈钢材质使得扎带耐腐蚀性好、耐温性能好且寿命长。温度传感器9直接接触于母线接头8，采用直接接触母线接头8表面测温，通信天线6连接测流测温模块7，用来传输电流及温度信号。

参见图2，电源模块2包括外壳14、上铁心10、下铁心11和绕在下铁心11上面的线圈构成。下铁心11固定在外壳14上，上铁心10一端通过铰链3连接外壳14，另一端通过卡扣13连接下铁心11，卡扣13为可打开式，采用开口式设计。上铁心10和下铁心11均为U型结构，两者相连接时，两个U型结构的开口对合在一起，围成一个槽口，母线1穿过上铁心10和下铁心11之间的槽口。安装使用时，无需拆卸母线1，只需打开卡扣13，套接在母线1上即可使用。在下铁心11上缠绕着铁心线圈，铁心线圈通过信号线4连接测流测温模块7，当上铁心10和下铁心11相连时，构成环扣在母线1上的环路。上铁心10和下铁心11由铁磁性材料制成，铁磁性材料在电流较大的情况下可能会出现饱和现象，通过增加铁心气隙可预防这种饱和现象，为了固定气隙，在上铁心10和下铁心11之间垫一定厚度的非磁性材料12。

参见图3，母线接头8产生插接式母线槽，母线槽单元17通过多层绝缘板18隔开，通过绝缘螺栓15压紧固定母线槽单元17和多层绝缘板18，母线接头的连接处16即为母线接头8的接触电阻。

参见图4，本发明的电路连接是以测流测温模块7为核心。测流测温模块7包括MCU处理单元b2、各个电路和模块等，MCU处理单元b2连接切换开关a，切换开关a通过信号线4与外部的铁心线圈相连接，切换开关a还可分别连接整流电路a1和采样电路b1，MCU处理单元b2通过切换开关a选择取能供电还是检测流过母线的电流。

当切换开关a与整流电路a1相连时，此时选择取能供电。整流电路a1依次连接滤波电路a2、开关稳压电源a3、稳压器a4、滤波电路a5后输出至电源模块a6，电源模块a6连接MCU处理单元b2，电源模块a6为MCU处理单元b2提供所需要的稳定的电源。整流电路a1、滤波电路a2构成第一级稳压电源电路，整流电路a1采用桥式整流电路，整流电路a1将铁心线圈输出的交流电压转换为直流电压，经过整流电路a1后的直流电压还含有交流分量，通过滤波电路a2将交流分量滤除。为了有效地解决传统互感器供电带来的死区问题，MCU处理单元b2还通过电源选择电路a10依次连接电源模块a9、锂电池a8、线性充电器a7，线性充电器a7还连接于开关稳压电源a3和稳压器a4之间。当一次侧母线电流过小时，MCU处理单元b2通过电源选择电路a10，选择使用锂电池a10供电，开关稳压电源a3输出直流电分为两路，一路向线性充电器a7提供电压，由线性充电器a7给锂电池a8充电，开关稳压电源a3、线性充电器a7和锂电池a8构成电池充电电路，另一路经过稳压器a4、滤波电路a5转换成一定的电压给MCU处理单元b2供电。稳压器a4、滤波电路a5构成第二级稳压电源电路。采样电路b1连接MCU处理单元b2，当切换开关a与采样电路b1相连时，此时选择了检测母线1上的电流，此时MCU处理单元b2通过电源选择电路a10，选择使用锂电池a8供电。采样电路b1获取线圈中产生的模拟信号，模拟信号经过MCU处理单元b2内部AD转换成数字信号，MCU处理单元b2连接无线通讯模块b4，MCU处理单元b2把电流数字信号传输到无线通讯模块b4，无线通讯模块b4连接外部的通信天线6，通过通信天线6无线远程传送。MCU处理单元b2还通过放大电路b3连接外部的温度传感器9。

本发明所述母线接头接触电阻无线检测装置在检测母线接头接触电阻时， 首先在一定的负载电流和不同接触电阻值的情况下，上位机根据母线1的外壳参数，建立有限元模型，施加电磁场边界条件计算母线1的焦耳热损耗，将该损耗作为温度场计算的热源，施加温度场边界条件计算母线1温度场分度，根据温度场分布，获得母线1外壳温升最敏感的位置和最不敏感的位置。上位机使用有限元分析软件COMSOL仿真出母线接头表面最高温度、表面最低温度，完成对训练样本的准备。在训练样本中，选取表面最高温度                                                

、最低温度

这两项作为BP神经网络输入层输入变量，母线接触电阻作为输出层输出向量，即d=2, c=1, BP神经网络隐层单元数目在使用中可根据实际情况适当调整，建立合理的BP神经网络模型。为了加快训练网络的收敛性，输入变量使用前要进行归一化处理。在不同负载电流下分别训练，在网络训练过程中使用的是MATLAB软件，MATLAB本身带有神经网络工具箱，大大方便权值训练，减少训练程序工作量，有效提高工作效率。然后，选取检验样本和测试样本，对已经完成训练的BP神经网络进行测试修正，使期望值与仿真结果误差最小，最终完成BP神经网络的训练。神经网络训练完成后，母线1有电流流过时就会产生磁场，当母线1上磁场变化时，上铁心10、下铁心11切割磁场，从而线圈中产生交流电，完成能量的收集。电源模块2中的线圈产生的信号通过信号线4连接到测流测温模块7中的切换开关a，切换开关a来选择取能供电还是采集电流，当切换开关a与整流电路a1相连时，此时选择的是取能供电，当切换开关a与采集电路b1相连时，此时选择的是采集电流，采集的电流经过MCU处理单元b2转换成数字信号。温度传感器9检测母线接头8表面的的最高温度

、最低温度

，经过放大电路b3连接到MCU处理单元b2，MCU处理单元b2把温度模拟信号转换成数字信号。电流、温度数字信号经过MCU处理单元b2传输到无线通信模块b4，通过无线通讯模块b4将电流、温度数字信号无线发送给数据接收节点，接收节点接收到的数据通过USB通信传给上位机，上位机软件根据检测到的电流、温度值，输入到训练好的神经网络中，实现对接触电阻的测量。

Claims (4)

1.一种母线接头接触电阻无线检测装置，其特征是：包括电源模块和测温测流模块，电源模块通过信号线连接测流测温模块，测流测温模块环扣在母线接头表面上，温度传感器直接接触于母线接头并连接测流测温模块，测流测温模块连接通信天线；所述电源模块包括上铁心、下铁心和绕在铁心上的线圈，上、下铁心对合在一起，之间围成一个槽口，母线穿过所述槽口；所述测流测温模块包括MCU处理单元b2、各电路和模块，MCU处理单元b2连接切换开关a，切换开关a通过信号线与铁心上的线圈相连接，切换开关a还分别连接整流电路a1和采样电路b1；所述整流电路a1依次连接滤波电路a2、开关稳压电源a3、稳压器a4、滤波电路a5、电源模块a6； MCU处理单元b2通过电源选择电路a10依次连接电源模块a9、锂电池a8、线性充电器a7，线性充电器a7还连接于开关稳压电源a3和稳压器a4之间；MCU处理单元b2分别连接电源模块a6、无线通讯模块b4、放大电路b3，无线通讯模块b4连接外部的通信天线，放大电路b3连接外部的温度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种母线接头接触电阻无线检测装置，其特征是：上铁心一端通过铰链连接外壳，另一端通过可打开式的卡扣连接下铁心，下铁心固定连接外壳。

3. 一种如权利要求1所述装置的母线接头接触电阻检测方法，其特征是包括以下步骤：

A、在一定的负载电流和不同接触电阻值的情况下，上位机使用有限元分析仿真出母线接头表面最高温度、表面最低温度，完成训练样本；在训练样本中，选取表面最高温度、最低温度作为BP神经网络输入层输入变量，母线接触电阻作为输出层输出向量，完成BP神经网络的训练；

B、母线有电流流过时就产生磁场，在线圈中产生交流电，通过切换开关选择取能供电还是采集电流，当切换开关a与整流电路a1相连时，取能供电，当切换开关a与采集电路b1相连时，采集电流；

C、采集的电流经过MCU处理单元b2转换成电流数字信号，温度传感器检测母线接头表面的的最高温度、最低温度，经过放大电路b3输入到MCU处理单元b2，MCU处理单元b2把温度模拟信号转换成温度数字信号，

D、电流、温度数字信号经过MCU处理单元b2传输到无线通信模块b4，通过无线通讯模块b4将电流、温度数字信号无线发送给数据接收节点，接收节点将接收到的数据传给上位机，上位机将检测到的电流、温度数字信号值输入到训练好的BP神经网络中，实现对接触电阻的测量。

4. 根据权利要求3所述的检测方法，其特征是：当切换开关a与整流电路a1相连时，整流电路a1将线圈输出的交流电压转换为直流电压，通过滤波电路a2将交流分量滤除，当母线电流过小时，MCU处理单元b2通过电源选择电路a10选择使用锂电池a10供电，开关稳压电源a3输出直流电分为两路，一路向线性充电器a7提供电压，由线性充电器a7给锂电池a8充电，另一路经过稳压器a4、滤波电路a5转换成一定的电压给MCU处理单元b2供电，开关稳压电源a3、线性充电器a7和锂电池a8构成电池充电电路。

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