CN104299408A - 一种高压电气设备温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电气设备温度监测装置，包括：温度检测单元、信号转换单元和编码输出单元，编码输出单元包括CPLD芯片和光纤发送电路。温度检测单元将监测点的温度值转换为电阻信号，并传输至信号转换单元，信号转换单元将对应的电阻信号转换为频率信号并传输至CPLD芯片，CPLD芯片采用编码方式通过光纤发送电路将温度编码信号以光信号的方式传输至外部的控制系统，外部控制系统通过解码方式完成温度编码信号的读取。本发明在隔离高压对温度测量影响的同时，使温度监测系统的结构进一步简化、可靠性提高、精度增加、传输距离增长、成本降低。

Description

一种高压电气设备温度监测装置

技术领域

本发明涉及一种温度监测装置，具体涉及一种基于光电隔离应用于高压电气设备温度监测的装置。

背景技术

在静态无功补偿系统及输配电系统中，晶闸管作为一种关键的电子开关器件是非常重要的组成部分。工作时晶闸管频繁地承受大电流的冲击，如果散热条件不好，可导致晶闸管上的温度过高，这样将直接降低晶闸管的载流能力，损耗晶闸管的使用寿命，甚至烧毁晶闸管；同时晶闸管的价格昂贵，因此对运行中的处于高电位晶闸管的温度实时监测是十分必要的。在现有技术当中主要有以下几种温度检测方式：

现有技术1为公开号为CN2396386U，1999年11月25日申请，2000年9月13日公开的中国实用新型专利《高压及超高压开关触头温度检测装置》。该实用新型专利描述的温度检测装置由自供电装置、数字测温和红外通讯单元组成。自供电装置是从汇流条耦合出的能量供给测量端。采用集成数字化测温元件。并采用红外通讯与主控机实现数据传输。通过红外通讯实现了高低压隔离，但红外通讯有距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断等缺点，不适合高压晶闸管阀温度的检测。

现有技术2为公开号为CN2833540U，2005年10月28日申请，2006年11月1日公开的中国实用新型专利《高压电气设备的温度检测器》。该实用新型专利描述的温度检测装置由以单片机为核心的触发唤醒及温度测试电路、红外通信电路和供电电池组成。其触发唤醒电路单元由单片机、联接在该单片机的DTI1端的反相器及阻容偶合振荡电路组成；其温度测试电路单元由单片机、联接在该单片机的ADC7端的热敏电阻、采样电阻和三个测试档位转换电阻组成；其红外通信电路由单片机、联接在该单片机的XCK端的红外接收器和联接在该单片机的ADCO端的红外发射管组成。它是一种基于红外传输的接触式的高压电气设备温度检测器。由于采用红外通讯的方式隔离高压，不足之处与文献1相同；同时采用电池的供电方式带来了后续维护的不便。

现有技术3为公开号为CN201016816U，2007年3月22日申请，2008年2月6日公开的中国实用新型专利《温度检测装置》。该实用新型专利公开了一种由控制芯片和温度检测电路组成的温度检测装置，主要由控制芯片、三态门电路和温度检测电路组成，温度检测电路所采集的温度信号经三态门电路信号放大后传输给控制芯片，经控制芯片处理后，得到当前的环境温度。该专利的检测装置虽然能够实时监测温度，但由于没有采取高低电位隔离措施，只能检测环境温度，对于带高电位的检测点却无能为力。

因此，对于无功补偿或者直流输电系统中高压电气设备电子开关器件的温度检测成为当前一个亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、测量精度高、可靠性强、传输距离长、成本低，能够有效隔离高压对温度测量影响的高压电气设备温度监测装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种高压电气设备温度监测装置的技术实现方案，高压电气设备温度监测装置，包括：温度检测单元、信号转换单元和编码输出单元，所述编码输出单元进一步包括CPLD芯片和光纤发送电路。所述温度检测单元与信号转换单元相连，所述信号转换单元与CPLD芯片相连，所述CPLD芯片与光纤发送电路相连。所述温度检测单元将监测点的温度值转换为电阻信号，并传输至所述信号转换单元，所述信号转换单元将对应的电阻信号转换为频率信号并传输至CPLD芯片，所述CPLD芯片采用编码方式通过所述光纤发送电路将温度编码信号以光信号方式传输至外部的控制系统，所述控制系统通过解码方式完成温度编码信号的读取。

优选的，所述装置包括两个或多个温度检测单元，所述温度检测单元检测两个或多个监测点的温度值，所述光纤发送电路通过一根光纤将温度信号的光编码信号传输至外部的控制系统。

优选的，所述温度检测单元包括不平衡电桥电路，所述不平衡电桥电路进一步包括铂电阻温度传感器。所述铂电阻温度传感器通过螺纹埋入所需测量的监测点，所述铂电阻温度传感器为不平衡电桥电路中的一个桥臂电阻。所述铂电阻温度传感器的一根导线连接至所述不平衡电桥电路的电源端，其余两根导线分别连接至所述铂电阻温度传感器所在的桥臂以及与其相邻的桥臂上。

优选的，所述信号转换单元还包括运算放大器和V/F转换模块，所述运算放大器连接所述不平衡电桥电路的电压输出端，所述不平衡电桥电路将铂电阻温度传感器的电阻信号转换为电压信号，并由所述运算放大器进行放大，得到所需范围的电压信号。经过放大的电压信号经过所述V/F转换模块进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号并传输至所述CPLD芯片，由所述CPLD芯片经过编码后，通过由所述三极管、光纤发送器和电阻组成的光纤发送电路，得到所需的光脉冲信号。

优选的，所述铂电阻温度传感器引出的三根导线截面积和长度均相同，以减小引线电阻带来的误差。

优选的，所述高压电气设备温度监测装置还包括高压侧取能电路，所述信号转换单元从高压侧取能电路取能，所述高压侧取能电路为所述温度检测单元、信号转换单元、CPLD芯片和光纤发送电路的电路工作提供电能。

优选的，所述高压侧取能电路包括晶闸管、动态均压电阻、动态均压电容、限幅电路、第一二极管、第二二极管和电容。由所述动态均压电阻、动态均压电容与限幅电路组成的串联电路并联在所述晶闸管的两端，所述第二二极管并联在所述限幅电路的两端，由所述第一二极管与电容组成串联电路并联在所述限幅电路的两端。当所述晶闸管承受正向电压时，向所述动态均压电容和电容充电，当所述电容的端电压超过设定值时，所述限幅电路动作，所述第二二极管截止，所述电容停止充电，所述电容的端电压保持为限幅值。

优选的，由所述光纤发送电路发送的光编码信号包括1位起始位、16位数据位、8位校验位和1位停止位。

通过实施本发明高压电气设备温度监测装置的具体实施方式，具有以下有益效果：

(1)本发明能够有效避免高压对温度监测的影响，当采用光电隔离方式时，通过光纤传输编码信号，不易受到电磁干扰，使得传输距离进一步延长；

(2)本发明通过通信单元将监测到的温度信息传输至控制系统显示，能够实时监测温度变化，配合软件可实现任意温度值的保护；

(3)本发明不需要外部单独供电，可从高压侧取能回路直接取电，节省了供电装置，降低了系统的复杂性；

(4)本发明采用铂电阻作为温度传感器测量温度，相比较热敏电阻等，具有良好的稳定性，测量精度好，整体测量误差不超过±0.5℃，同时温度传感器采用三线制接线方式，能有效地减少引线带来的误差。

附图说明

更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明高压电气设备温度监测系统的结构原理框图；

图2是本发明高压电气设备温度监测系统解码输出单元的结构原理框图；

图3是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式中铂电阻温度传感器的外形结构示意图；

图4是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式中铂电阻温度传感器的三线制接线示意图；

图5是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式中不平衡电桥电路的电路结构原理图；

图6是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式中高压侧取能电路的电路结构原理图；

图7是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式的电路原理图；

图8是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式高压侧取能电路的供电原理示意图；

图9是本发明高压电气设备温度监测装置一种具体实施方式中解码输出单元的工作程序流程图；

其中：1-温度检测单元，2-信号转换单元，3-编码输出单元，4-高压侧取能电路，5-控制系统，6-不平衡电桥电路，7-解码输出单元，21-运算放大器，22-V/F转换模块，31-CPLD芯片，32-光纤发送电路，71-光纤接收器，72-处理器，73-通信单元，Rf-铂电阻温度传感器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

CPLD：Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件的简称；

V/F：电压/频率变换的简称；

CRC：Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图9所示，给出了本发明高压电气设备温度监测装置的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，一种高压电气设备温度监测装置的具体实施例，包括：温度检测单元1、信号转换单元2和编码输出单元3，编码输出单元3进一步包括CPLD芯片31和光纤发送电路32。温度检测单元1与信号转换单元2相连，信号转换单元2与CPLD芯片31相连，CPLD芯片31与光纤发送电路32相连。温度检测单元1将监测点的温度值转换为电阻信号，并传输至信号转换单元2，信号转换单元2将对应的电阻信号转换为频率信号并传输至CPLD芯片31，CPLD芯片3采用编码方式并通过光纤发送电路32将温度编码信号以光信号方式传输至外部的控制系统5，控制系统5通过解码方式完成温度解码信号的读取。除了光电隔离通信方式，红外通信，无线通信，以及蓝牙通信方式也可以实现高电位隔离温度检测，但是在传输距离上有所限制。此外，当高压电气设备温度监测装置包括两个或多个温度检测单元1，且温度检测单元1检测两个或多个监测点的温度值时，光纤发送电路32可以仅通过一根光纤将温度信号的光编码信号传输至外部的控制系统5，从而有效减少高压电气设备温度监测装置和解码输出单元7的接口数量。

其中，各个单元的功能如下：

温度检测单元1包括不平衡电桥电路6，不平衡电桥电路6进一步包括铂电阻温度传感器Rf，如附图3所示。铂电阻温度传感器Rf为不平衡电桥电路6中的一个桥臂电阻，如附图5所示。温度检测单元1的功能是检测测量点的温度，由铂电阻温度传感器Rf完成。铂电阻温度传感器Rf输出相对应于温度的电阻阻值，提供给温度检测单元1，温度检测单元1的结构框图如图5所示。铂电阻温度传感器Rf通过螺纹埋入所需测量的监测点，并采用如图4所示的三线制接线方式，可有效的减少引线电阻带来的测量误差。三线制接线方式原理如下:前提要求是铂电阻温度传感器RF引出的三根导线截面积和长度均相同。在测量铂电阻温度传感器Rf的不平衡电桥电路6中，铂电阻温度传感器Rf作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到不平衡电桥电路6的电源端，其余两根分别接到铂电阻温度传感器R所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，如图5所示，Rt表示温度传感器R铂电阻的真实值，r表示引线电阻。当桥路平衡时，通过计算可知，Rt＝R1R3/R2+R1r/R2-r，当R1＝R2时，Rt＝R3。可见引线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。

信号转换单元2的功能主要是将温度检测单元1生成的电阻信号转换为频率信号输出。如附图7所示，信号转换单元2还包括运算放大器22和V/F转换模块23，运算放大器22连接不平衡电桥电路6的电压输出端，不平衡电桥电路6将铂电阻温度传感器Rf的电阻信号转换为电压信号，并由运算放大器22进行放大，得到所需范围的电压信号。经过放大的电压信号经过V/F转换模块23进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号并传输至CPLD芯片31，由CPLD芯片31经过编码后，通过由三极管D1、光纤发送器TX和电阻R7组成的光纤发送电路32，得到所需的光脉冲信号。如附图8所示，高压电气设备温度监测装置还进一步包括高压侧取能电路21，信号转换单元2从高压侧取能电路取能，高压侧取能电路21为温度检测单元1、信号转换单元2、CPLD芯片31和光纤发送电路32的电路工作提供电能。

如附图6所示，高压侧取能电路21进一步包括晶闸管T1、动态均压电阻R1、动态均压电容C1、限幅电路XF、第一二极管V1、第二二极管V2和电容C2。由动态均压电阻R1、动态均压电容C1与限幅电路XF组成的串联电路并联在晶闸管T1的两端。第二二极管V2并联在限幅电路XF的两端，由第一二极管V1与电容C2组成串联电路并联在限幅电路XF的两端。当晶闸管T1承受正向电压时，向动态均压电容C1和电容C2充电，当电容C2的端电压超过设定值(如DC50V)时，限幅电路XF动作，第二二极管V2截止，电容C2停止充电，电容C2的端电压保持为限幅值，存储的能量供电路工作所需。

附图7所示，温度检测单元1利用不平衡电桥的原理，将电阻信号转换为电压信号。铂电阻温度传感器Rf作为一个桥臂电阻，与R1、R2、R3构成不平衡电桥，铂电阻Rt的阻值发生变化后，电桥中间m、n两点之间的电压差也随之发生变化，即实现电阻信号转换为电压信号。信号转换单元2经过负反馈的运算放大器21放大一定倍数后，可得到所需范围的电压信号V1，V1经过V/F转换模块22进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号f1。编码输出单元3的CPLD芯片31对频率信号f1进行计数、处理和编码，采用编码方式经过由三极管Q1、光纤发送器TX、电阻R7组成的光纤发送电路32，将温度信号以光信号方式传输至外部的控制系统5。编码输出单元3的输出信号即为所需的光脉冲信号，本发明具体实施例采用光信号传输方式实现了高低压电位的隔离，不容易受到外部的电磁干扰。

如附图2所示，为高压电气设备温度监测系统的系统结构框图，图中省略了高压电气设备温度监测的温度检测单元1、信号转换单元2和CPLD芯片31。高压电气设备温度监测系统进一步包括解码输出单元7，解码输出单元7的功能主要是将光纤发送电路32输出的光信号，进行解码读取，转换为计算机可识别的二进制数字信号，并传输至控制系统5的监视器进行显示。解码输出单元7进一步包括光纤接收器71、处理器72和通信单元73。来自于光纤发送电路32的光编码信号由光纤接收器71转换为电脉冲信号，处理器72接收到电脉冲信号后，根据通讯规则进行解码，并将解码后的温度值信号通过所述通信单元73传输至控制系统5。

作为本发明一种典型的实施方式，采用485通信方式将数字信号传输至控制系统5的监视器进行显示。解码输出单元7的解码读取，信号转换以及传输均由处理器72完成，处理器72可以采用数字处理芯片CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)完成。采用CPLD进行处理，能够提高计算处理的速度，进一步提高温度检测过程的实时性。光脉冲信号经过光纤接收器71转换为电脉冲信号，传输至处理器72处理。处理器72接收到电脉冲信号后，首先进行数字滤波处理，滤除高频信号即毛刺信号的干扰，然后在单位时间内进行累加计数，计数得到的数值除以单位时间，即可得到该信号的频率，即实现了电脉冲信号转换为二进制数字信号，根据信号转换单元2的公式即可计算出该电脉冲信号所代表的温度值，并将温度信息通过485通讯传输至控制系统5的监视器进行显示，达到实时监测的目的。本发明描述的铂电阻温度传感器Rf安装在晶闸管模块附近，铂电阻温度传感器Rf作为温度检测单元1中不平衡电桥电路6的一部分，用于检测温度信号。当在晶闸管阀带电的情况下，高压电气设备温度监测装置可从高压侧取能电路取能工作，并通过光纤传输脉冲序列至解码输出单元7读取，经过解码后，可传输至控制系统5的监视器，从而达到实时监测温度的目的。

如附图9所示为解码输出单元7的工作流程，该流程包括以下步骤：

系统初始化；

接收由光纤接收器71输出的电信号；

处理器72对电信号进行数字滤波；

对经过数字滤波后的温度信号进行频率计数；

根据频率计数结果进行温度计算；

通信单元73将温度计算结果通过RS485通信方式传输至控制系统5；

控制系统5的显示器对温度信号结果进行显示。

在本发明具体实施例中，光纤发送电路32与光纤接收器71之间的光信号传输速率为3.125MHz，光纤发送电路32发送的光编码信号格式为：1位起始位、16位数据位、8位校验位和1位停止位，先传输最高位，再传输最低位。数据校验采用CRC校验，CRC校验的生成式为：g(x)＝x⁸+x⁵+x⁴+1，并且只对数据位进行校验。

通过实施本发明具体实施例描述的高压电气设备温度监测装置，能够达到以下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的高压电气设备温度监测装置能够有效避免高压对温度监测的影响，尤其是当采用光电隔离方式时，通过光纤传输编码信号，不易受到电磁干扰，使得传输距离进一步延长；

(2)本发明具体实施例描述的高压电气设备温度监测装置通过通信单元将监测到的温度信息传输至控制系统显示，能够实时监测温度变化，配合软件可实现任意温度值的保护；

(3)本发明具体实施例描述的高压电气设备温度监测装置不需要外部单独供电，可从高压侧取能回路直接取电，节省了供电装置，降低了系统的复杂性；

(4)本发明具体实施例描述的高压电气设备温度监测装置采用铂电阻作为温度传感器测量温度，相比较热敏电阻等，具有良好的长期稳定性，测量精度好，整体测量误差不超过±0.5℃，同时铂电阻温度传感器采用三线制接线方式，能有效地减少引线带来的误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高压电气设备温度监测装置，其特征在于，包括：温度检测单元(1)、信号转换单元(2)和编码输出单元(3)，所述编码输出单元(3)进一步包括CPLD芯片(31)和光纤发送电路(32)；所述温度检测单元(1)与信号转换单元(2)相连，所述信号转换单元(2)与CPLD芯片(31)相连，所述CPLD芯片(31)与光纤发送电路(32)相连；所述温度检测单元(1)将监测点的温度值转换为电阻信号，并传输至所述信号转换单元(2)，所述信号转换单元(2)将对应的电阻信号转换为频率信号并传输至CPLD芯片(31)，所述CPLD芯片(31)采用编码方式通过所述光纤发送电路(32)将温度编码信号以光信号方式传输至外部的控制系统(5)，所述控制系统(5)通过解码方式完成温度编码信号的读取。

2.根据权利要求1所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述装置包括两个或多个温度检测单元(1)，所述温度检测单元(1)检测两个或多个监测点的温度值，所述光纤发送电路(32)通过一根光纤将温度信号的光编码信号传输至外部的控制系统(5)。

3.根据权利要求1或2所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述温度检测单元(1)包括不平衡电桥电路(6)，所述不平衡电桥电路(6)进一步包括铂电阻温度传感器(Rf)；所述铂电阻温度传感器(Rf)通过螺纹埋入所需测量的监测点，所述铂电阻温度传感器(Rf)为不平衡电桥电路(6)中的一个桥臂电阻；所述铂电阻温度传感器(Rf)的一根导线连接至所述不平衡电桥电路(6)的电源端，其余两根导线分别连接至所述铂电阻温度传感器(Rf)所在的桥臂以及与其相邻的桥臂上。

4.根据权利要求1所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述信号转换单元(2)还包括运算放大器(22)和V/F转换模块(23)，所述运算放大器(22)连接所述不平衡电桥电路(6)的电压输出端，所述不平衡电桥电路(6)将铂电阻温度传感器(Rf)的电阻信号转换为电压信号，并由所述运算放大器(22)进行放大，得到所需范围的电压信号；经过放大的电压信号经过所述V/F转换模块(23)进行压频转换，得到相对应于电压信号的频率信号并传输至所述CPLD芯片(31)，由所述CPLD芯片(31)经过编码后，通过由所述三极管(D1)、光纤发送器(TX)和电阻(R7)组成的光纤发送电路(32)，得到所需的光脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述铂电阻温度传感器(Rf)引出的三根导线截面积和长度均相同，以减小引线电阻带来的误差。

6.根据权利要求1所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述高压电气设备温度监测装置还包括高压侧取能电路(21)，所述信号转换单元(2)从高压侧取能电路取能，所述高压侧取能电路(21)为所述温度检测单元(1)、信号转换单元(2)、CPLD芯片(31)和光纤发送电路(32)的电路工作提供电能。

7.根据权利要求6所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述高压侧取能电路(21)包括晶闸管(T1)、动态均压电阻(R1)、动态均压电容(C1)、限幅电路(XF)、第一二极管(V1)、第二二极管(V2)和电容(C2)；由所述动态均压电阻(R1)、动态均压电容(C1)与限幅电路(XF)组成的串联电路并联在所述晶闸管(T1)的两端，所述第二二极管(V2)并联在所述限幅电路(XF)的两端，由所述第一二极管(V1)与电容(C2)组成串联电路并联在所述限幅电路(XF)的两端；当所述晶闸管(T1)承受正向电压时，向所述动态均压电容(C1)和电容(C2)充电，当所述电容(C2)的端电压超过设定值时，所述限幅电路(XF)动作，所述第二二极管(V2)截止，所述电容(C2)停止充电，所述电容(C2)的端电压保持为限幅值。

8.根据权利要求1所述的高压电气设备温度监测装置，其特征在于：所述光纤发送电路(32)发送的光编码信号包括1位起始位、16位数据位、8位校验位和1位停止位。