CN104655321B - 一种电容器内熔丝温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容器内熔丝温度测量装置，包括交流恒流源、光纤光栅传感器单元、光纤光栅信号解调仪和监控主机；光纤光栅传感器单元嵌入在电容器内部的电容元件之间，并与电容器内熔丝可靠接触；光纤光栅信号解调仪连接于光纤光栅传感器单元和监控主机之间；监控主机接收光纤光栅信号解调仪输出的电容器内熔丝的测温点的温度数据，对电容器内熔丝测温点进行温度报警。与现有技术相比，本发明提供的一种电容器内熔丝温度测量装置，能够准确测量电容器内熔丝在实际运行条件下的温度，为电容器内熔丝的设计选型提供依据，并有效提高内熔丝保护动作可靠性，确保内熔丝温度不会对电容器内部绝缘造成损伤。

Description

一种电容器内熔丝温度测量装置

技术领域

本发明涉及一种电容器温度测量装置，具体涉及一种电容器内熔丝温度测量装置。

背景技术

电力电容器主要用于电力系统的无功功率补偿，提高功率因数。为了使其能够更加可靠地运行，目前行业内主要考虑在电容器内部元件串联内熔丝。电容器由于介质弱点引起元件完全失效时，与元件串联的内熔丝动作，这样只有一部分损坏元件被隔离，电容器将继续运行，只有轻微的功率减少。此时电容器组中的扰动是可以忽略的，电容器组的总容量不会由于一根熔丝的动作而受到明显影响，内熔丝的引入使电容器元件受到了保护，但无形中增加了故障点。

在电力电容器内部，内熔丝是主要的发热点，但是内熔丝体积和直径很小(长度135mm左右，直径0.45mm左右)，且一般隐藏于电容器元件之间，受限于目前的测量技术，很难真实客观地测出内熔丝在实际运行条件下表面温度。

目前针对电力电容器内部保护用熔丝温度测量方法包括温升试验，但该试验仅通过测量内熔丝电流及电阻以估算内熔丝温升，其准确性较差，且在实际给内熔丝通流过程中，内熔丝的电阻会随其温度的变化而变化，一方面难以保证其通流恒定，另一方面，内熔丝电阻与温度的对应关系只适用于一定温度范围之内，超过该范围将难以得出准确结果，故这种间接测量电容器内熔丝温升的方法具有局限性，且准确度不高。另外，通过热电阻对内熔丝温升进行测量，但由于热电阻无论是在体积还是在直径上均远远大于内熔丝，其在接触测量内熔丝温度过程中将对内熔丝实际温度造成影响，测量准确性更差。鉴于此，有必要设计出简单可行的测量装置，以便准确掌握电容器内熔丝在实际运行条件下的温度，为电容器内熔丝的设计选型提供依据，并有效提高内熔丝保护动作可靠性，确保内熔丝温度不会对电容器内部绝缘造成损伤。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种电容器内熔丝温度测量装置，所述装置包括交流恒流源、光纤光栅传感器单元、光纤光栅信号解调仪和监控主机；

所述光纤光栅传感器单元嵌入在电容器中；所述光纤光栅信号解调仪连接于光纤光栅传感器单元和监控主机之间；

所述监控主机接收光纤光栅信号解调仪输出的电容器内测温点的温度数据，对电容器测温点进行温度报警。

优选的，所述光纤光栅传感器单元包括M根光纤和N×M个光栅传感器；每根光纤上等间距设置N个光栅传感器；

所述M为电容器内串联的电容元件单元的个数，N为每个电容元件单元中并联的电容元件个数；

优选的，所述光栅传感器设置在电容元件的中心处；所述光纤呈S形缠绕于所述电容元件单元中每个电容元件上；

优选的，所述交流恒流源通过电缆与电容器连接，控制电容器中内熔丝流过的电流保持恒定；所述交流恒流源包括电力输入单元、功率单元、保护控制单元、预置信号产生单元和输出单元；

所述电力输入单元，接收外部电源；

所述预置信号产生单元，依据电容器中内熔丝流过的电流期望信号，向功率单元输出电压调制信号；

所述功率单元，依据所述电压调制信号调整其电力电子开关的导通和断开，以输出满足所述电流期望信号的参数要求的电流；

所述保护控制单元，用于防止所述交流恒流源发生故障后器件损坏；

优选的，所述电力输入单元包括依次连接的输入端子、输入开关、跳脱开关和整流滤波电路；所述输入端子与所述外部电源连接；

所述输入开关，用于控制外部电源的接入和断开；

所述跳脱开关与所述保护控制单元连接，依据保护控制单元的输出信号断开，从而停止所述交流恒流源的运行；

所述整流滤波电路，将外部电源输入的交流电转换为直流电；

优选的，所述功率单元包括电力电子开关电路和驱动电路；所述电力电子开关电路连接于所述电力输入单元与输出单元之间；所述驱动电路的一个输入端与所述预置信号产生单元连接，另一个输入端与保护控制单元连接；

所述驱动电路，依据所述电压调制信号控制电力电子开关电路中的电力电子开关导通和断开；

优选的，所述预置信号产生单元包括信号输入电路、OSC频率切换电路、频率合成电路、正弦波发生器、三角波发生器和波形合成电路；

所述OSC频率切换单元的输入端接收所述信号输入电路输出的频率信号；所述OSC频率切换单元的一个输出端通过三角波发生器与波形合成电路连接，另一个输出端通过正弦波发生器与波形合成电路连接，所述另一个输出端与正弦波发生器之间连接有频率合成电路；

所述信号输入信号与保护控制单元连接，向其发送所述电流期望信号；

所述波形合成电路，将正弦波发生器输出的正弦波和三角波发生器输出的三角波进行合成，从而向功率单元发送功率放大信号；

优选的，所述信号输入电路包括触摸屏和数据转换模块；

所述触摸屏，用于设置所述电流期望信号的参数；

所述数据转换模块，将所述电流期望信号发送到所述OSC频率切换电路和保护控制单元；

优选的，所述OSC频率切换电路包括固定频率模块和可调频率模块；所述固定频率模块的输出频率为定值；所述可调频率模块按照预置的频率曲线输出频率；

当所述固定频率模块工作时，用于模拟稳态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验；

当所述可调频率模块工作时，用于模拟暂态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验；

优选的，所述保护控制单元包括控制电路、过温检测电路、过载检测电路和FUSE断电检测电路；

所述控制电路依据过温信号、过载信号或者FUSE断电信号，向所述电力输入单元中的跳脱开关发送断开指令，并进行报警；

优选的，所述输出单元包括变压滤波单元和显示单元；所述变压滤波单元的一个输出端与显示单元连接，一个输出端与所述保护控制单元的过载检测电路连接，一个输出端与所述预置信号产生单元的波形合成电路连接；

所述显示单元，实时显示交流恒流源输出信号的电压、电流和频率；

所述过载检测电路，依据所述输出信号判断是否发生过载；

所述波形合成电路，依据所述输出信号调整其输出的PWM信号波形，使得所述输出信号的各项参数满足所述电流期望信号的参数要求。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，通过交流恒流源为电力电容器提供激励电源，解决了由于内熔丝电阻随温度变化而电流随之变化，无法定量精确测量的难题；

2、本发明技术方案中，交流恒流源根据内熔丝试验需求设置两种工作模式；

当固定频率模块工作时，用于模拟稳态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验，交流恒流源按照设定的电流和频率运行，并保持输出电流和频率在允许的精度范围之内；当可调频率模块工作时，用于模拟暂态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验，可调频率模块按照预置的频率曲线输出频率；

3、本发明技术方案中，采用M根光纤，N×M个光栅传感器对电容器N×M个内熔丝热点温度进行实时测量，既解决了传统温度传感器无法对细小内熔丝进行精确温度测量的问题，又解决了强电与弱电的电位隔离以及数据通信的抗电磁干扰问题，为全面精确掌握电容器内部芯子热点温度提供了很好的解决方案；

4、本发明技术方案中，光纤光栅信号解调仪实现了单根光纤多光栅传感器波分复用，节省了传感器的布置空间，最大限度减少传感器对对准确测量的影响；

5、本发明技术方案中，监控主机中安装有测温报警软件，监控计算机通过RS-232通信口采集光纤光栅信号解调仪传输的温度信息。实时显示各个测温点的温度数据，测温报警软件提供分级监测、温度曲线绘制、温度分布显示、历史曲线查询、报表生成和打印等功能；

6、本发明提供的一种电容器内熔丝温度测量装置，一方面解决了普通传感器尺寸较大，难以直接布置于电容器元件之间，导致无法准确测量内熔丝温度的难题；另一方面光栅传感器直径约为内熔丝直径的一半，在芯子元件承受一定压紧系数的情况下，可以使内熔丝构成对光栅传感器的保护，避免传感器受损，同时内熔丝与传感器紧密接触，保证了测量精确可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种电容器内熔丝温度测量装置结构示意图；

图2：本发明实施例中交流恒流源结构示意图；

图3：本发明实施例中光纤光栅传感原理示意图A；

图4：本发明实施例中光纤光栅传感原理示意图B；

图5：本发明实施例中光栅传感器与电容器内熔丝连接示意图；

图6：本发明实施例中光纤光栅传感器单元结构示意图；

图7：本发明实施例中光纤光栅传感器单元在内容器内部布置示意图；

图8：本发明实施例中频率曲线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明针对内熔丝体积和直径很小，且隐藏于电容元件之间，实际运行温度极难监测的特点提供了一种基于光纤光栅温度传感技术的电容器内熔丝温度测量装置。如图1所示，本实施例中该测量装置包括交流恒流源、光纤光栅传感器单元、光纤光栅信号解调仪和监控主机。

光纤光栅传感器单元嵌入在电容器中；光纤光栅信号解调仪连接于光纤光栅传感器单元和监控主机之间；监控主机接收光纤光栅信号解调仪输出的电容器内测温点的温度数据，对电容器测温点进行温度报警。

一、交流恒流源

电容器的内熔丝体积和直径都很小，直流电阻值仅约20mΩ，且其电阻值随自身温度的变化而变化。当外界施加电流发生微小变化时，其温度变化很大。采用常规试验变压器和升流变压器难以精确控制输出电流，或者即使升流变压器电流输出暂时恒定，当流过电容器内熔丝的电流温度上升后，由于电阻随温度的变化导致通过内熔丝的电流亦难以恒定，这给精确测量电容器内熔丝的温度带来了不小的难度。要解决测量电容器内熔丝温升的技术难点，首先需要解决恒流电源的技术问题，因此本实施例中公开了如图2所示的恒流源结构和功能原理图，具体为：

恒流源通过电缆与电容器连接，控制电容器中内熔丝流过的电流恒定。恒流源包括电力输入单元、功率单元、保护控制单元、预置信号产生单元和输出单元。

1、电力输入单元，接收外部电源，自外部电源的电源端点接至输入端子。

包括依次连接的输入端子、输入开关、跳脱开关和整流滤波电路；输入端子与外部电源连接。其中，

输入开关，用于控制外部电源的接入和断开。

跳脱开关与保护控制单元连接，依据保护控制单元的输出信号断开，用于在发生故障时停止恒流源的运行。即防止电路和组件受突波、浪涌电压冲击，以及输出过载、过温保护。

整流滤波电路，将外部电源输入的交流电转换为直流电。

2、预置信号产生单元，依据电容器中内熔丝流过的电流期望信号，向功率单元输出电压调制信号。

包括信号输入电路、OSC频率切换电路、频率合成电路、正弦波发生器、三角波发生器和波形合成电路。OSC频率切换单元的输入端接收信号输入电路输出的频率信号，一个输出端通过三角波发生器与波形合成电路连接，另一个输出端通过正弦波发生器与波形合成电路连接，输出端与正弦波发生器之间连接有频率合成电路；

频率合成电路，采用直接数字频率合成技术，根据OSC频率切换电路实际设定的输出模式，将固定频率信号或可调频率信号进行快速处理并产生正弦波发生器的控制信号，实现高分辨率的频率、相位和幅度的数控调制。

信号输入电路与保护控制单元连接，向保护控制单元发送电流期望信号。

(1)信号输入电路

包括触摸屏和数据转换模块。其中，

触摸屏，用于设置电流期望信号的参数。所述参数包括交流恒流电源输出的电流值、频率，以及OSC频率切换电路的输出模式等。

数据转换模块，将电流期望信号发送到OSC频率切换电路和保护控制单元。

(2)OSC频率切换电路

包括固定频率模块和可调频率模块，技术人员依据实际工况控制所述固定频率模块工作或者控制可调频率模块工作，从而改变OSC频率切换电路的输出模式，即输出固定频率信号或者输出可调频率信号。其中，

固定频率模块的输出频率为定值；可调频率模块按照预置的频率曲线输出频率。

当固定频率模块工作时，用于模拟稳态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验，恒流源按照设定的电流和频率运行，并保持输出电流和频率在允许的精度范围之内。

当可调频率模块工作时，用于模拟暂态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验。如图8所示，恒流源按照设定的稳态电流I₁、稳态电流I₂、稳态时间t₁、稳态时间t₃、瞬变时间t₂、频率运行。

3、功率单元，依据上述电压调制信号调整其电力电子开关的导通和断开，以输出满足电流期望值的电压信号。

包括电力电子开关电路和驱动电路。电力电子开关电路连接于电力输入单元与输出单元之间；驱动电路的一个输入端与预置信号产生单元连接，另一个输入端与保护控制单元连接。其中，驱动电路，依据电压调制信号控制电力电子开关电路中的电力电子开关导通和断开。

4、保护控制单元，用于防止恒流源发生故障后器件损坏。

包括控制电路、过温检测电路、过载检测电路和FUSE断电检测电路。其中，

控制电路依据过温信号、过载信号或者FUSE断电信号，向电力输入单元中的跳脱开关发送断开指令，并进行报警。

本实施例中保护控制单元还包括重置启动电路，当装置的输入开关断开、跳脱开关断开时，驱动重置启动电路工作，以重新启动测量装置工作。

5、输出单元

包括变压滤波单元和显示单元。变压滤波单元的一个输出端与显示单元连接，一个输出端与保护控制单元的过载检测电路连接，一个输出端与预置信号产生单元的波形合成电路连接。其中，

显示单元，实时显示恒流源输出信号的电压、电流和频率。

过载检测电路，依据输出信号判断是否发生过载。

波形合成电路，依据输出信号调整其输出的PWM信号波形，使得输出信号的各项参数满足电流期望信号的参数要求。

6、本实施例中恒流源的技术参数如表1所示：

表1

二、光纤光栅传感器单元

1、温度传感器从工作原理上说主要有两种：电信号传感器和光信号传感器。电信号传感技术从使用方式可以分为两种：非接触式与接触式，非接触式测试主要以辐射测温为主，比如红外热成影技术；接触式传感测温方式主要有热电偶、热电阻测温。而采用光信号的温度传感器则主要有两种类型：拉曼散射型和光纤光栅型。各种测温系统的性能比较见表2。

表2

由于电容器内熔丝体积和直径很小(长度135mm左右，直径0.45mm左右)，且一般隐藏于电容器元件之间，并承受一定的压力，常规非接触式电信号测温系统难以探测到内熔丝的红外信号，而接触式热电阻传感器由于尺寸一般为内熔丝直径的4～5倍，不仅影响内熔丝的散热及温升，而且电磁干扰等因素影响导致测量精度不高，接触式热电偶传感器虽然偶丝尺寸与内熔丝相当，但其测量精度较低。综上所述，本实施例中采用基于光纤光栅测温技术。

2、光纤光栅传感器单元包括M根光纤和N×M个光栅传感器；每根光纤上等间距设置个N光栅传感器。其中，M为电容器内串联的电容元件单元的个数，N为每个电容元件单元中并联的电容元件个数。如图1所示本实施例中，M＝3，N＝20，所以每根光纤上设置20个光栅传感器。一根光纤中20个光栅传感器可以对20个电容元件中的内熔丝进行同时的实时测量，因此一台电容器只需要3根光纤即可对所有60个电容元件中的内熔丝进行温度测量，实现对内熔丝热电全覆盖。

如图6和7所示，光栅传感器设置在电容元件的中心处；光纤呈S形缠绕于所述电容元件单元中每个电容元件上。当光栅传感器位于电容元件的中心处时，光栅传感器的间距为电容元件的长度L与厚度H之和，其中，图5示出了光栅传感器与电容器内熔丝的连接方式，即光栅传感器与内熔丝采用接触方式，并通过内径1.5mm的套管将两者包裹使得二者紧密接触。本实施例中光栅传感器为裸光栅，直径仅为0.2mm，约为内熔丝直径的一般。

如图3和4所示，光栅传感器的测温原理为：

当一束中心波长为λ的宽谱光经过光纤光栅时，被光栅反射回一单色光λ_B，相当于一个窄带的反射镜。根据光栅方程λ_B＝2n_effΛ可看出反射光的中心波长λ_B与光栅的折射率变化周期Λ和有效折射率n_eff有关。将光栅方程两边取微分，可得：

Δλ_B＝2Δn_effΛ+2n_effΔΛ (1)

对式(1)进行温度T求导可得：

其中，ΔΛ是光纤本身在应力作用下的弹性形变；Δn_eff是光纤的弹光效应。

对式(2)两边除以式(1)，可以得到：

其中，ξ为光纤光栅的热光系数，表达式为α为光纤光栅的热膨胀系数，表达式为S_T为传感器的温度系数；Δλ_B为波长的变化；ΔT为温度的变化。故光纤光栅温度传感器Bragg波长的移位与温度的变化成线性关系，则电容器内熔丝的温度的变化：

其中，λ_B为光纤Bragg光栅的反射峰值波长；Δλ_B为波长的变化，S_T为传感器的温度系数。

可见任何一个使折射率变化周期Λ和有效折射率n_eff发生改变的物理过程都将引起光纤Bragg波长的漂移。当外界的温度或应变发生变化时，就会引起光纤Bragg光栅的有效折射率和光栅周期发生改变，从而使得Bragg波长发生偏移，通过高分辨率的波长检测装置检测这个偏移量，就可得知外界被测量的变化信息。

3、本实施例中光栅传感器的技术参数如表3所示：

表3

测温范围	-40℃～150℃
		测温精度	±0.5℃
响应时间	0.5s
		尺寸	Φ1.4mm

三、光纤光栅信号解调仪

本实施例中光纤光栅信号解调仪采用半导体可调谐激光器，仪表共有64通道，单通道光栅波长测量范围是1525nm～1565nm，主要技术指标及参数如表4所示。

光纤光栅信号解调仪的主要技术特点：

①：监测覆盖范围广，采用激光光源设计，最远可监测20公里长；

②：响应速度快，传感器温度刷新时间为1秒；

③：性能稳定可靠；

④：接口丰富，标准RS485、以太网接口，便于仪表级联、TCP/IP远程控制。

表4

可测量通道数	64
		单通道最大传感器数	20
波长分辨率	1pm

波长精度	10pm
		采样速率	1Hz

四、监控主机

监控计算机中安装有测温报警软件，监控计算机通过RS-232通信口采集光纤光栅信号解调仪传输的温度信息。实时显示各个测温点的温度数据，测温报警软件提供分级监测、温度曲线绘制、温度分布显示、历史曲线查询、报表生成和打印等功能。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种电容器内熔丝温度测量装置，其特征在于，所述装置包括交流恒流源、光纤光栅传感器单元、光纤光栅信号解调仪和监控主机；

所述光纤光栅传感器单元嵌入在电容器中；所述光纤光栅信号解调仪连接于光纤光栅传感器单元和监控主机之间；

所述监控主机接收光纤光栅信号解调仪输出的电容器内测温点的温度数据，对电容器测温点进行温度报警；

所述交流恒流源通过电缆与电容器连接，控制电容器中内熔丝流过的电流保持恒定；所述交流恒流源包括电力输入单元、功率单元、保护控制单元、预置信号产生单元和输出单元；

所述电力输入单元，接收外部电源；

所述预置信号产生单元，依据电容器中内熔丝流过的电流期望信号，向功率单元输出电压调制信号；

所述功率单元，依据所述电压调制信号调整其电力电子开关的导通和断开，以输出满足所述电流期望信号的参数要求的电流；

所述保护控制单元，用于防止所述交流恒流源发生故障后器件损坏；

所述预置信号产生单元包括信号输入电路、OSC频率切换电路、频率合成电路、正弦波发生器、三角波发生器和波形合成电路；

所述OSC频率切换电路的输入端接收所述信号输入电路输出的频率信号；所述OSC频率切换电路的一个输出端通过三角波发生器与波形合成电路连接，另一个输出端通过正弦波发生器与波形合成电路连接，所述另一个输出端与正弦波发生器之间连接有频率合成电路；

所述信号输入电路与保护控制单元连接，向其发送所述电流期望信号；

所述波形合成电路，将正弦波发生器输出的正弦波和三角波发生器输出的三角波进行合成，从而向功率单元发送功率放大信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器单元包括M根光纤和N×M个光栅传感器；每根光纤上等间距设置N个光栅传感器；

所述M为电容器内串联的电容元件单元的个数，N为每个电容元件单元中并联的电容元件个数。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光栅传感器设置在电容元件的中心处；所述光纤呈S形缠绕于所述电容元件单元中每个电容元件上。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电力输入单元包括依次连接的输入端子、输入开关、跳脱开关和整流滤波电路；所述输入端子与所述外部电源连接；

所述输入开关，用于控制外部电源的接入和断开；

所述跳脱开关与所述保护控制单元连接，依据保护控制单元的输出信号断开，从而停止所述交流恒流源的运行；

所述整流滤波电路，将外部电源输入的交流电转换为直流电。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率单元包括电力电子开关电路和驱动电路；所述电力电子开关电路连接于所述电力输入单元与输出单元之间；所述驱动电路的一个输入端与所述预置信号产生单元连接，另一个输入端与保护控制单元连接；

所述驱动电路，依据所述电压调制信号控制电力电子开关电路中的电力电子开关导通和断开。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号输入电路包括触摸屏和数据转换模块；

所述触摸屏，用于设置所述电流期望信号的参数；

所述数据转换模块，将所述电流期望信号发送到所述OSC频率切换电路和保护控制单元。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述OSC频率切换电路包括固定频率模块和可调频率模块；所述固定频率模块的输出频率为定值；所述可调频率模块按照预置的频率曲线输出频率；

当所述固定频率模块工作时，用于模拟稳态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验；

当所述可调频率模块工作时，用于模拟暂态工作条件下电容器的内熔丝温度测量试验。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护控制单元包括控制电路、过温检测电路、过载检测电路和FUSE断电检测电路；

所述控制电路依据过温信号、过载信号或者FUSE断电信号，向所述电力输入单元中的跳脱开关发送断开指令，并进行报警。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出单元包括变压滤波单元和显示单元；所述变压滤波单元的一个输出端与显示单元连接，一个输出端与所述保护控制单元的过载检测电路连接，一个输出端与所述预置信号产生单元的波形合成电路连接；

所述显示单元，实时显示交流恒流源输出信号的电压、电流和频率；

所述过载检测电路，依据所述输出信号判断是否发生过载；

所述波形合成电路，依据所述输出信号调整其输出的PWM信号波形，使得所述输出信号的各项参数满足所述电流期望信号的参数要求。