CN106441618B - 一种高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，包括温度传感器、无线通讯模块、温度集中采集器、远程主站系统、用于控制无线通讯模块供电回路通断的控制单元和电流感应电源，所述电流感应电源为温度传感器、控制单元和无线通讯模块供电；所述温度传感器将采集到的隔离开关触点温度信号通过无线通讯模块发送到温度集中采集器，由所述温度集中采集器完成温度信号的处理、存储、当地显示和发送远程主站系统；所述电流感应电源、控制单元和无线通讯模块封装在柔性环状密封壳内。本发明能够实时进行温度监测，供电可靠、易于安装，维护方面，适合户外高压隔离开关触头温度监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，属于隔离开关通流回路异常发热接触式无源监测技术领域。
背景技术
隔离开关作为电力系统中使用量最大的高压开关设备，主要起着隔离电源、分合无负荷电路、进行倒闸操作等作用。由于其安装于室外环境中，长期运行在高电压、大电流工况下，靠相对简单的机械机构完成触头的开、合切换，所以更容易发生触头松动、老化、接触不良等缺陷，导致触头温升过高，加剧触头接触表面氧化，导致局部熔焊或接触松动处产生电弧放电，最终造成电气设备的损坏甚至停电等重大事故。因此，对隔离开关触头温度进行在线监测意义重大。
目前，针对隔离开关触头温度在线监测的方法主要有红外法、光纤光栅测温法、热电偶法等。其中，红外法通过红外信号探测器接收隔离开关发射的红外信号进行温度测量，但是易受外界干扰，测量误差大，且成本较高；光纤光栅测温法虽具有较强的抗干扰能力，但光纤在户外积灰受潮易发生沿面放电，影响设备的绝缘性能，安装较为不便且成本较高；热电偶法技术成熟，性能可靠，但无源化和无线通信抗干扰能力的问题还有待解决。此外，国内外普遍采用了锂电池供电无线测温传感器，但锂电池使用寿命只有5-8年，且在高温下容易发生爆炸、漏液等现象。总之，目前关于高压隔离开关触头温度在线监测的方法虽然很多，但是还没有一种方案能够全面地解决绝缘、通信、能源供给、可靠性、使用寿命、安装方便性等所有问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种能够实时进行温度监测的高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，供电可靠、易于安装，维护方面，适合户外高压隔离开关触头温度监测。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，包括温度传感器、无线通讯模块、温度集中采集器、远程主站系统、用于控制无线通讯模块供电回路通断的控制单元和电流感应电源，所述电流感应电源为温度传感器、控制单元和无线通讯模块供电；温度传感器将采集到的隔离开关触点温度信号通过无线通讯模块发送到温度集中采集器，由所述温度集中采集器完成温度信号的采集、模数转换、存储、当地显示和发送远程主站系统；电流感应电源、控制单元和无线通讯模块封装在柔性环状密封壳内。
上述柔性环状密封壳套在隔离开关的导电臂上，所述柔性环状密封壳中的电流感应电源、控制单元和无线通讯模块通过硅橡胶电缆与温度传感器连接，所述温度传感器固定在隔离开关触头结合点。
上述电流感应电源采用磁感应铁芯设计，依据电流感应原理获取能量，可在一次电流4A～6300A的范围内可靠工作。
上述磁感应铁芯选用坡莫合金带，其饱和磁感应强度为0.6-1.0T，当一次电流大于等于65A时铁芯磁饱和。
上述坡莫合金带采用纳米技术制造，坡莫合金带的厚度为0.3mm，所述磁感应铁芯采用20层叠绕方式。
上述柔性环状密封壳内的电流感应电源、控制单元和无线通讯模块采用柔性、环状封装，柔性环状密封壳的宽度为14mm，厚度为8mm。
上述控制单元的电路包括低压线性稳压器、电压检测芯片、锗二极管和依次串联的多个硅二极管；所述低压线性稳压器的1号管脚为电压输入端，3号管脚为电压输出端，2号管脚为控制脚，低压线性稳压器的2号管脚与电压检测芯片的2号管脚相连接；第一个硅二极管的正极与电压输入端相连接，锗二极管的正极与低压线性稳压器的3号管脚相连接，最后一个硅二极管的负极及锗二极管的负极均与电压检测芯片的1号管脚相连接，电压检测芯片的3号管脚及低压线性稳压器的4号管脚均接地。
本发明的有益效果如下：
1.实时温度监测。有效解决发热实时监测问题，依靠高压设备电场自己获取电源提供给温度传感器及无线通讯模块，完成对室外隔离开关触头的在线温度监测，将传统的设备转变为智能感知设备。
2.柔性环状密封壳。装置由柔性环状密封壳直接套在隔离开关导电臂上而固定，不受隔离开关接触臂横截面不同影响，不会引起导电回路绝缘问题，不影响隔离开关正常运行。
3.不需要依靠外界能源供给。本发明装置依靠高压设备电场自己获取电源提供给温度传感器及无线通讯模块，完成对室外隔离开关触头的在线温度监测。
4.本发明的装置体积小、重量轻、供电可靠、抗干扰能力强、易于安装，维护方面，适合户外高压隔离开关触头温度监测。
附图说明
图1为高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置系统原理图；
图2为高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置结构示意图；
图3(A)为温度传感器的正视图；
图3(B)为温度传感器的俯视图；
图3(C)为温度传感器的侧视图；
图4(A)为温度传感器的正面安装图；
图4(B)为温度传感器的侧面安装图；
图5为控制单元的电路图；
图6为温度传感器防误报程序逻辑图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明就是在这样的工程背景下，探索解决隔离开关触头测温系统供电、抗干扰、无线通讯等问题的方法，拟开发一种户外高压隔离开关接触式无线温度监测装置，在不改变隔离开关结构、保证设备正常运行的基础上，对隔离开关触点温度进行在线监测，使得隔离开关出现缺陷后，可通过实时温度数据获得警示，让工作人员及时地采取检修和排查措施，防止设备故障的恶化。
参见图1，装置包括以下几个部分，即：温度传感器1，电流感应电源4，控制单元6，无线通讯模块2，柔性环状密封壳，温度集中采集器，远程主站系统。
本发明公开的一种户外高压隔离开关接触式无线温度监测系统依靠高压设备电场自己获取电源提供给温度传感器1及无线通讯模块2，完成对室外隔离开关触头的在线温度监测。采用无线自组网通讯模式，通过桥接模式将数据传送至数据集中器。
正常运行时：系统能够及时掌握各监测点的正常运行情况，将隔离开关触头接触温度信息发送到站内后台或远程主站系统，在计算机上能够方便地查询有关实时信息和历史数据。为及时掌握各监测点在故障前的运行状态，预防隐患的发生，保证设备的正常运行，并提供灵活的参数调整手段。
异常运行时：系统能够及时掌握各监测点的异常运行情况，将各接头的温度越限、温升过快和电池电压低等报警信息发送到站内后台或远程主站系统；在计算机上能够方便地查询有关报警信息和实时数据，及时掌握各监测点在异常运行时的运行状态，通知运行值班人员处理，避免恶性事故的发生。
户外高压隔离开关接触式无线温度监测装置具有以下关键环节：
一、整体外形设计
本发明无线测温装置套在隔离开关的导电臂上，通过硅橡胶电缆3连接温度传感器1，整体结构参见图2所示。
温度传感器1将采集到的温度信号通过无线通讯模块2发送到温度集中采集器，由温度集中采集器完成温度信号的处理、存储、当地显示和发送远程主站系统；电流感应电源4为温度传感、控制单元6以及无线通讯模块2供电；控制单元6可控制无线通讯模块2供电回路的通断；柔性环状密封壳用于封装电流感应电源4，控制单元6和无线通讯模块2。
温度传感器1采用Pt电阻，并在温度传感器外壳1-2上安装捆绑扎带固定环1-1，其宽度为5mm，高3mm，结构参见图3(A)、图3(B)和图3(C)。
现场使用时，使用不锈钢扎带1-5将温度传感器1直接固定在隔离开关导电臂1-6上，并拉紧不锈钢扎带1-5，确保温度传感器1紧贴在隔离开关触头结合点，安装到位的结构参见图4(A)和图4(B)。
●传感器长期工作在室外，应选用耐候特性特别好的绝缘外壳，本实施例采用的是硅橡胶绝缘外套7；
●传感器全部器件应采用高绝缘特性灌装胶进行密闭，确保在潮湿环境中可靠工作；
●除了天线外，其他电子器件应采用特殊的屏蔽技术进行屏蔽包裹，确保强电磁环境中可靠工作；
二、电流感应电源
电流感应电源4采用磁感应铁芯设计，依据电流感应原理获取能量，可在一次电流4A～6300A的范围内可靠工作。
磁感应铁芯选用坡莫合金带5，其导磁率是普通硅钢片的1000倍，饱和磁感应强度在0.6-1.0T之间，当一次电流为65A时铁芯磁饱和，满足大电流工况下不发热、不震动的要求。坡莫合金带5采用纳米技术制造，厚度只有0.3mm，磁感应铁芯采用20层叠绕方式，可在很小横截面积情况下实现大磁通，并能快速实现磁保护，也可确保磁感应铁芯外形是柔性的。
三、柔性环状密封壳
柔性环状密封壳采用柔性、环装封装，厚度小于8mm，可直接套在隔离开关的导电臂上，不受隔离开关接触臂横截面不同影响。采用耐候特性特别好的硅橡胶材料作为绝缘外壳，采用高绝缘特性灌装胶进行密闭，确保在潮湿环境中可靠工作。
四、传感器控制单元
控制单元6利用静态功耗小于2uA的低功耗电压检测芯片配合二极管实现对三端稳压电源芯片的控制，采用自主设计的电路，使得电压检测芯片具有2V回差，避免传感器在低电流情况下，不稳定工作。
一般在一次电流低于10A的工况下，传感器电源装置需要半分钟左右储能才能达到额定电压，若此时储能电容刚刚达到芯片门槛值，MCU及发射电路即开始发射数据，由于电量不足，会造成发射到一半时传感器电压拉跨，低于门槛值，系统进入低功耗状态，造成发送失败。如此反复传感器进入震荡状态，储能电容无法充满电量。通过具有回差的电子开关，储能电容电压大于3.5V时导通，低于3.1V时关闭，这样在低电流情况下，储能电容也可通过半分钟左右时间充满电，无线发射模块通过2ms时间将数据发送至数据集中器。
本发明利用低功耗电压检测芯片配合二极管实现对低压差线性稳压器(核心元件为LDO芯片)的控制。实现具有2V左右回差电子开关。电子开关静态功耗小于2uA，参见图5。
其中，LDO为低压线性稳压器。1管脚为电压输入端。允许电压输入范围3.3～9V；3管脚为电压输出端。输出电压为3.3V；2管脚为控制脚。当输入高电平时LDO工作，当输入低电平时LDO关闭。
D1～D3为硅二极管，D4为锗二极管压降为0.3V。
HT2027 2.7V电压检测芯片。当1管脚电压大于2.7V时，2管脚输出高电平2.7V，当1管脚电压小于2.7V时，2管脚输出低电平。
Vout后面负载工作电压为3.3V。Vin的工作电压范围是0～5.6V。如果这个控制电路，Vout后面负载将无法工作。Vin端的能量非常小，只能提供非常微弱的电能。微弱的电能存储在电容内。电压逐步抬高到芯片能够工作的电压，芯片开始工作但还没有完成相应的程序逻辑，系统电压即被拉夸，低至芯片无法工作的状态。但此时电压只是稍微低于工作门槛电压，所以很快芯片又开始工作。但电容存储的电能有限，又被拉夸。如此反复。为了解决这个问题本电路由此产生。其核心目的就是让电容多储备一些电能。当电容电压低于一个设定值的时候关闭供能回路。
Vin端由于有储能电容，输入电压逐步升高，当达到4.8V(HT70272.7V+三个二极管PN节3*0.7＝4.8V)。此时HT7027的2管脚输出高电平LDO开始工作Vout输出3.3V。由于负载造成电容电压逐步降低。低于4.8V后，就不能通过D1～D3来维持LDO的控制脚高电平了，需要D4二极管来完成电压反馈。Vout经过D4后压降一直维持到3V。HT7027的2管脚一直输出高电平。LDO持续工作一直到Vin低于3.3V后，LDO自动截止。此时电容开始储能。
五、具备数据纠错能力的数据校验模型
本发明采用海明校验法，确保通讯可考虑数据校验规则应具备纠错能力。
温度传感器1工作在强电磁环境中，易发生电磁干扰。为了确保通讯可考虑数据校验规则应具备纠错能力。传统的奇偶校验规则无法满足要求，本发明采用海明校验法。
海明校验法由Richard Hamming于1950年提出，是只要增加少数几个校验位，就能检测出二位同时出错、亦能检测出一位出错并能自动恢复该出错位的正确值的有效手段，后者被称为自动纠错。
实现原理是在k个数据位之外加上r个校验位，从而形成一个k+r位的新的码字，使新的码字的码距比较均匀地拉大。把数据的每一个二进制位分配在几个不同的偶校验位的组合中，当某一位出错后，就会引起相关的几个校验位的值发生变化，这不但可以发现出错，还能指出是哪一位出错，为进一步自动纠错提供了依据。
六、防误报警程序设计
传感器布置在高压设备上，线路中的谐波等干扰因素特别容易造成采集数据不准确，造成传感器误报，为此需要考虑防误报程序逻辑设计，防误报程序逻辑图如图6所示。
本发明专利的主要特点在于：
1.实时温度监测。有效解决发热实时监测问题，依靠高压设备电场自己获取电源的提供给温度传感器1及无线通讯模块2，完成对室外隔离开关触头的在线温度监测，将传统的设备转变为智能感知设备。
2.柔性环装密封壳。装置由柔性环装密封壳直接套在隔离开关导电臂上而固定，不受隔离开关接触臂横截面不同影响，不会引起导电回路绝缘问题，不影响隔离开关正常运行。
3.不需要依靠外界能源供给。靠电场本身特点获取能量，确保设备全寿命周期内免维护，降低使用成本，提高工作效率。
4.装置体积小、重量轻、供电可靠、抗干扰能力强、易于安装，维护方面、适合户外高压隔离开关触头温度监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，其特征在于，包括温度传感器、无线通讯模块、温度集中采集器、远程主站系统、用于控制无线通讯模块供电回路通断的控制单元和电流感应电源，所述电流感应电源为温度传感器、控制单元和无线通讯模块供电；
所述温度传感器将采集到的隔离开关触点温度信号通过无线通讯模块发送到温度集中采集器，由所述温度集中采集器完成温度信号的采集、模数转换、存储、当地显示和发送远程主站系统；
所述电流感应电源、控制单元和无线通讯模块封装在柔性环状密封壳内；
所述柔性环状密封壳套在隔离开关的导电臂上，所述柔性环状密封壳中的电流感应电源、控制单元和无线通讯模块通过硅橡胶电缆与温度传感器连接，所述温度传感器固定在隔离开关触头结合点；
所述控制单元的电路包括低压线性稳压器、电压检测芯片、锗二极管和依次串联的三个硅二极管；所述低压线性稳压器的1号管脚为电压输入端，3号管脚为电压输出端，2号管脚为控制脚，低压线性稳压器的2号管脚与电压检测芯片的2号管脚相连接；第一个硅二极管的正极与电压输入端相连接，锗二极管的正极与低压线性稳压器的3号管脚相连接，最后一个硅二极管的负极及锗二极管的负极均与电压检测芯片的1号管脚相连接，电压检测芯片的3号管脚及低压线性稳压器的4号管脚均接地。
2.根据权利要求1所述的高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，其特征在于，所述电流感应电源采用的是磁感应铁芯，磁感应铁芯采用20层叠绕方式，依据电流感应原理获取能量，可在一次电流4A～6300A的范围内可靠工作。
3.根据权利要求2所述的高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，其特征在于，所述磁感应铁芯选用的是坡莫合金带，其饱和磁感应强度为0.6-1.0T，当一次电流大于等于65A时铁芯磁饱和。
4.根据权利要求3所述的高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，其特征在于，所述坡莫合金带采用纳米技术制造，坡莫合金带的厚度为0.3mm。
5.根据权利要求1所述的高压隔离开关异常发热接触式无源无线监测装置，其特征在于，柔性环状密封壳的宽度为14mm，厚度为8mm。
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