CN103900636B - 一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统。包括智能控制器、泄漏电流检测装置、红外温度检测装置、环境温湿度检测装置；所述泄漏电流检测装置：包括引流环、信号处理器，所述引流环设置在开关柜绝缘拉杆和信号处理器之间，信号处理器后端连接智能控制器；所述红外温度检测装置：包括红外温度传感器和调理电路，安装在母排的前端，所述红外温度检测装置和母排之间设有凸透镜；所述环境湿度检测装置：包括SHTxx数字温湿度传感器。采用本发明的技术方案后，可以对开关柜的各项性能进行实时检测，无需停电即可进行各项参数的检测，保证了开关柜的安全性能，降低了事故发生的概率。

Description

一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统

技术领域

本发明涉及一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，属于电力设备控制监测系统技术领域。

背景技术

绝缘性能和母排温度是电力设备在运行过程中的两项重要参数，开关柜在长时间运行中，受到环境等因素的影响，设备自身的绝缘性能和导电性能会随之下降，如果不及时检修，会对设备和电网系统造成很大损害。

12kV固体绝缘环网柜因为是12kV高压环境，绝缘性能检测方法是停电检修时候对设备进行工频耐压试验，无法在设备运行的过程中对设备的绝缘性能进行实时监测，不能做到早发现早治理，往往等事故出现了才能发现，母排温度的检测也因为12kV高压等原因不能实时监测。

发明内容

本发明的目的是解决12kV固体绝缘环网柜不能在线实时监测电力设备绝缘性能和母排温度的问题，降低设备及系统损坏的几率，提高供电可靠性。

本发明采用的技术方案是：本发明包括智能控制器、泄漏电流检测装置、红外温度检测装置、环境温湿度检测装置；

所述泄漏电流检测装置包括引流环、信号处理器，所述引流环设置在开关柜绝缘拉杆和信号处理器之间，信号处理器后端连接智能控制器；

所述红外温度检测装置包括红外温度传感器MLX90614和调理电路，安装在母排的前端，所述红外温度检测装置和母排之间设有凸透镜；

所述环境湿度检测装置包括SHTxx数字温湿度传感器，将得到的温度湿度数据通过I2C总线传输到调理单片机进行数据处理，再经串口通信将处理后的数据传送到上位机实现温度湿度数据的保存，分析处理；

所述泄漏电流检测装置、红外温度检测装置、环境温湿度检测装置检测的数据均传输至智能控制器处理；

所述开关柜绝缘拉杆的泄漏电流引出线选用单芯同轴屏蔽电线，屏蔽电缆中心线直连引流环并固定。

设置电流互感器隔离开关柜高低电位。

所述信号处理器包括电流/电压转换器、信号放大器、信号滤波器和多路开关。

所述红外温度检测装置由MLX90614传感器、高压瓷片电容及瞬态抑制二极管构成，传感器的3口输入+5V电压为其供电；在使用SMbus输出模式的情况下分别使用传感器的2口和1口输出传感器的数字信号及串行时钟信号；2、1口连接上拉电阻，传感器的4口用于接地。

本发明的优点是：采用本发明的技术方案后，可以对开关柜的各项性能进行实时检测，无需停电即可进行各项参数的检测，保证了开关柜的安全性能，降低了事故发生的概率。

附图说明

图1为本发明泄漏电流信号调理板电路结构图。

图2为本发明温度传感器结构示意图。

图3为本发明温度传感器电路示意图。

图4为本发明ADuM1250外围电路设计图。

图5为本发明开入量监测电路原理图。

图6为本发明系统框图。

图中1为透镜、2为热电堆、3为壳体、4为母排、5为调理电路。

具体实现方式

绝缘传感器检测电力设备绝缘件绝缘泄露电流，通过绝缘功能板传送给控制器，控制器将接受到泄露电流信息转换成可识别信息输出显示到控制器的液晶显示屏或者通过485总线输出到上位机。

红外温度传感器监测到母排监测点温度，通过温度功能板将采集到温度信号传送到控制器，控制器将接受到泄露电流信息转换成可识别信息输出显示到控制器的液晶显示屏或者通过485总线输出到上位机。

温湿度传感器将监测到环境温湿度，通过温度功能板将采集到温度信号传送到控制器，控制器将接受到泄露电流信息转换成可识别信息输出显示到控制器的液晶显示屏或者通过485总线输出到上位机。

开关量信息通过IO功能板，将监测到电力设备的开关量信息传送给控制器，控制器将接受到泄露电流信息转换成可识别信息输出显示到控制器的液晶显示屏或者通过485总线输出到上位机。

控制器除了可以将监测到的以上温湿度信息和开入量信息显示到下位机液晶屏或将数据通过485总线传送到上位机，还可以对数据进行处理和分析，可以通过IO功能板发出告警信号。

下面对本发明做进一步的说明：

一、绝缘泄漏电流的在线提取

12kV固体绝缘开关柜绝缘性能主要是开关柜A、B、C三相绝缘拉杆对地的绝缘状况。绝缘特性的表征可以通过很多参量来实现，如局部放电、介质损耗角正切、泄漏电流等。和前两种方法比较，在考虑成本和性能的基础上，本发明确定的绝缘特性监测对象为开关设备三相绝缘拉杆的泄露电流，方法简单容易实行，比较适用。为此，需开发3组传感器进行绝缘状态监测。

1.绝缘泄漏电流的提取方法

泄漏电流的提取采用接触式引流环结构，采用高性能进口导电胶涂制成引流环3来收集泄漏电流，导电胶的主要成分是环氧树脂和银粉，引流环3宽10mm，厚1.5mm，泄漏电流的引出线选用单芯同轴屏蔽电缆引出，屏蔽电缆中心线直接连接引流环3，并通过导电胶与套管之间钻孔固定。这种独特的出线方式避免产生局部放电，也阻碍了空间电荷的进入。

由于引流环3是安装在开关柜的高电位端，为了保证整个监测系统的可靠性和安全性，采用电流互感器以实现开关柜高低电位的有效隔离，电流互感器采用穿芯式设计，变比为1:10。互感器的电磁耦合原理既保证了高压设备的正常运行，不受电流互感器二次绕组外部回路的影响，也可以避免监测装置一次侧高电压对二次回路造成的损坏，起到了保护二次回路的作用。

一般情况下，开关柜的绝缘泄漏电流只有几个微安大小，是一种非常微弱的信号，如此小的电流信号，必须经过信号预处理电路进行必要的放大、滤波等处理，因此准确监测的关键问题是小电流信号的放大和电磁抗干扰。泄漏电流信号调理板电路的功能包括电流电压转换、仪表放大器放大、低通滤波和多路选通。

二、母排温升状态的在线提取

对12kV固体绝缘环网柜母排温度信号的现场提取都是比较困难的，因为测温点往往处于高电位，沿用普通的接触式测温方法很难解决传感器的供电问题，并且容易导致高压部分沿传感器信号传输路径对地击穿，造成严重的故障，因此在本项目中，采用基于热辐射原理的非接触式温度传感器即红外温度传感器来通过捕获母排电连接处辐射的红外信号来测量该处的温度。

根据上述种种原因，项目选用Melexis公司生产的新型数字红外温度传感器MLX90614，由于是数字信号输出避免了传感器周围过多的模拟电路，从而增强了抗干扰性降低了开发成本。

1.母排温升信号的提取方法

红外温度传感器包括透镜1、热电堆2、壳体3和调理电路5，安装在距离母排4D的位置（D必须大于绝缘安全距离），处于低电位侧，可方便供电和信号传输。红外温度传感器一般具有较大的感测角度，使得测量范围过大影响准确度。因此，本项目采用透镜1聚焦，使发散角度为α=10度，若安装距离D选取18cm，则测量半径约为3cm，小于母排4半宽度R。通过特殊的调制，安装距离D变化对测量结果影响较小，只要测量范围不超出母排4半径，可以保证测量准确度不高于3度。测量数据通过I2C总线形式传输给智能电子装置，便于处理且抗干扰能力强。

传感器电路主要用来检测并输出数字温度信号，主要由MLX90614传感器、高压瓷片电容及瞬态抑制二极管（TVS管）构成。传感器的3口输入+5V电压为其供电；在使用SMbus输出模式的情况下分别使用传感器的2口和1口输出传感器的数字信号及串行时钟信号，因传感器驱动能力有限，为增加电路的稳定性，提高其驱动能力，我们有必要为2、1口连接上拉电阻，其大小由传输距离来具体确定；传感器的4口用于接地。

2.母排温升信号的调理电路

信号调理板上包括了信号调理电路和中央处理单元，主要作用是接受数据采集板传来的数据并对其进行调理、隔离、滤波后送入中央处理单元，由STC12C5A60S2单片机对数据进行处理和补偿等操作，并实现与主控板单片机的通信。

在后端电路中，数字温度信号通过双层屏蔽电缆传输，应用中将电缆屏蔽层两端接地，使其能具有较强的抗干扰能力。在通过TVS管的瞬态干扰保护和高压瓷片电容的高频干扰滤波信号进入到双向总线隔离器ADuM1250隔离器件进行隔离，隔离的作用是隔断与外接线路（信号线、电源线）地电位的连接，以抑制共模干扰。

ADuM1250是一款能实现双向信号隔离的无锁存的磁隔离器，支持热插拔，专门应用于隔离成本敏感的I2C，SMBUS及PMBUS等双向通信总线。消除了光耦隔离需把双向信号分为单独的接收或发送信号所带来的不必要的麻烦，使电路板减少了大量空间。同时，由于隔离在设计上取消了光电耦合器中影响效率的光电传输环节，因此它的功耗仅为光电耦合器的1/16—1/10。采用ADuM1250的双向通信总线隔离电路非常简单，相比于光耦的双向隔离电路，ADuM1250具有体积小，功耗低，外围电路极其简单并且拥有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力等优势。

三、环境温湿度状态的在线提取

1.温湿度传感器的选取

本项目采用瑞士Sensirion推出的SHTxx系列数字温湿度传感器，基于领先世界的CMOS数字传感技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器电源为5V供电，全量程标定，两线数字接口，可与单片机直接相连，大大缩短研发时间、简化外围电路并降低费用。此外，体积微小、响应迅速（<4s）、低能耗（<1μW）、可浸没、抗干扰能力强、温湿一体，兼有露点测量，性价比高，使该产品能够适于多种场合的应用。

2.温湿度传感器的测量原理

本系统通过温升信号调理板直接控制SHT11，将得到的温度湿度数据通过I2C总线传输到调理单片机进行数据处理，再经串口通信将处理后的数据传送到上位机实现温度湿度数据的保存，分析处理。单片机和SHT11数据采集部分，两者采用I2C接口。

四、开关量的在线提取

监测的开关量输入状态主要有接地开关分合位置、断路器分合位置、手推车位置和隔离开关位置。开关量的在线监测可以快速准确的反应开关柜中开关的分/合状态，为技术人员提供开关状态的信号指示，使技术人员不致因开关的误动作而产生不应有的事故，

开关量的提取通过引出机械接点来实现，即由开关量输入模块的供电电源给不同接点供电，并通过单片机开关量输入口采集机械接点的电信号来判断各开关的关合/开断状态，开入量监测电路原理如图所示，DI IN04端与引出的待测机械接点相连，开入量均采用+24V电源供电，当接地开关闭合时，即待测机械接点闭合，DI IN04引脚为24V的电平信号，经过光电耦合器耦合输出的DI04引脚信号为高电平，而后送入微处理器处理判断机械接点的开合状态，并显示在液晶管理界面上。

开出量的引出根据需要执行的分合闸操作输出相应的高低电位，经过光耦隔离后触发控制继电器动作，实现对外围电路的控制操作。根据继电器驱动能力的不同可以分为信号继电器的控制（提供节点信息）以及分合闸继电器（控制操作回路动作）。继电器选用日本松下的DSP2a-DC24V。此继电器有两个常开触点，体积小，容量高，灵敏度高，线圈电压直流24V，2a型时的最大通断容量750VA(5A 250V AC)。

Claims (5)

1.一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，其特征在于，包括智能控制器、泄漏电流检测装置、红外温度检测装置、环境温湿度检测装置；

所述泄漏电流检测装置包括引流环、信号处理器，所述引流环设置在开关柜绝缘拉杆和信号处理器之间，信号处理器后端连接智能控制器；

所述环境温湿度检测装置包括SHTxx数字温湿度传感器，将得到的温度湿度数据通过I2C总线传输到调理单片机进行数据处理，再经串口通信将处理后的数据传送到智能控制器实现温度湿度数据的保存和分析处理；

所述红外温度检测装置安装在距离母排4D的位置，包括红外温度传感器MLX90614、热电堆、壳体和调理电路，所述红外温度检测装置和母排之间设有凸透镜；D必须大于绝缘安全距离，处于低电位侧，可方便供电和信号传输；红外温度传感器具有感测角度，使得测量范围过大影响准确度，采用凸透镜聚焦，使发散角度为α=10度，使得测量半径小于母排半宽度R；

所述泄漏电流检测装置、红外温度检测装置、环境温湿度检测装置检测的数据均传输至智能控制器处理；

还包括开关量的在线提取：

监测的开关量输入状态主要有接地开关分合位置、断路器分合位置、手推车位置和隔离开关位置；

开关量的提取通过引出机械接点来实现，即由开关量输入模块的供电电源给不同接点供电，并通过单片机开关量输入口采集机械接点的电信号来判断各开关的关合/开断状态，开入量监测电路原理为：机械接点电信号输入到光耦TLP620第1引脚，通过光电隔离由TLP620第3脚输出到智能控制器处理，程序通过高低电平判断机械接点的开合状态，并将开关位置显示在液晶管理界面上；

开出量的引出根据需要执行的分合闸操作输出相应的高低电位，经过光耦隔离后触发控制继电器动作，实现对外围电路的控制操作；根据继电器驱动能力的不同分为信号继电器的控制以及分合闸继电器；继电器选用日本松下的DSP2a-DC24V。

2.根据权利要求1所述的一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，其特征在于，所述开关柜绝缘拉杆的泄漏电流引出线选用单芯同轴屏蔽电线，屏蔽电缆中心线直连引流环并固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，其特征在于，设置电流互感器隔离开关柜高低电位。

4.根据权利要求1所述的一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，其特征在于，所述信号处理器包括电流/电压转换器、信号放大器、信号滤波器和多路开关。

5.根据权利要求1所述的一种用于12kV固体绝缘开关柜的在线绝缘和温度监测系统，其特征在于，所述红外温度检测装置由MLX90614传感器、高压瓷片电容及瞬态抑制二极管构成，传感器的3口输入+5V电压为其供电；在使用SMbus输出模式的情况下分别使用传感器的1口和2口输出传感器的数字信号及串行时钟信号；1、2口连接上拉电阻，传感器的4口用于接地。