CN106932715A - 一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统，包括一个电流互感器、燃烧工况传感器、红外温度传感器，及电流信号调理、燃烧状态调理模块、数据采集、频率跟踪、微处理器、数据存储、通信、显示等模块；电流互感器与电流信号调理模块相连，燃烧工况传感器与燃烧状态调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块与微处理器模块相连，燃烧状态调理、数据采集、数据存储、通信、显示等模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连。它解决了隔离开关触头温度、流过电流和燃烧的状态在线监测问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业窑炉高压供电技术领域，具体涉及一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统。
背景技术
高产高效综合机械化和自动化窑炉燃烧生产对窑炉供电的连续性、可靠性和安全性提出了更高的要求，特别是向窑炉主通风机供电的高压供电线路，其供电连续性直接影响窑炉的安全生产。窑炉燃烧生产所用高压配电装置内的隔离开关，是高压供电系统的重要组成部分，起到隔开或接通高压线路的作用，其运行状态关系到终端负荷供电的稳定性。窑炉燃烧生产用高压配电隔离开关常因机构锈蚀、触头磨损或氧化、操作拉弧、过负荷等因素导致触头接触电阻增加、温度升高，最终超过触头极限温度造成电气设备的损坏或引发火灾等重大事故。因此，研究和开发窑炉燃烧生产用高压配电装置运行状态实时在线监测系统对保障窑炉供电安全具有重要的现实意义和实用价值。
窑炉燃烧生产用高压配电隔离开关的可靠性与其触头接触电阻、通过电流密切相关。长期以来，高压隔离开关状态的判断都是通过定期停电检修实现的。由于隔离开关触指压力与接触电阻相关，四川电力试验研究院的研究人员提出公开号为CN101231199A的“户外高压隔离开关触指压力测试仪”，该发明专利利用柔性薄膜压力传感器和动触头模拟调节器，通过模拟高压隔离开关的静触指宽度和动触头插入位置间接测量触指压力，但是该测试仪需要工作人员现场手工操作，且只能在断电时进行测量，不能反映运行中不确定因素对触指压力的影响。目前有关电气设备接触电阻测量也均是离线进行，专利公开号为CN101793933A的“电连接器接触电阻在线测量系统”，其所谓在线测量只是通过模拟电连接器工作环境中各种应力对其接触电阻的影响，并没实现带载情况下接触电阻的测量。上述两种离线测量系统在突发事故时均无法及时预警。太原理工大学的李中祥硕士和宋建成教授在《高电压技术》2009年第2期题为“高压隔离开关触头温度在线监测系统的研制”及专利公开号为CN101614591A的“一种用于高压隔离开关触头的温度监测装置”中提出了一种在线监测装置，该装置仅仅监测隔离开关触头温度，没有监测通过电流，不能反映温度随电流的变化趋势，小电流时缺陷处的发热易被忽略，即单纯的温度监测系统无法识别小电流动情况下接触电阻增大的趋势，但实际上接触电阻是导致隔离开关故障的首要因素，也未监测隔离开关触头的燃烧状态，不能判别动静触头接触紧密与否，从而无法全面掌握故障发生的状态信息。
由于单一参量监测系统无法全面掌握故障发生时的状态信息，也无法为检修提供有力支持。因此，要想解决窑炉高压线路供电安全问题，迫切需要研究一种带载情况下隔离开关状态的在线监测装置，并实时监测运行中隔离开关的温度、电流和振动变化，根据物理量变化趋势，及时发现存在的安全隐患，提前预警，防止重大事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种解决隔离开关触头温度、流过电流和燃烧变化的状态在线监测问题，克服目前隔离开关断电检测及单一监测参量无法提供全面故障信息的问题的窑炉用配电隔离开关在线监测系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统，所述系统包括一个电流互感器、三个燃烧工况传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、燃烧状态调理模块、数据采集模块、频率跟踪模块、微处理器模块、数据存储模块、通信模块、显示模块；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，燃烧工况传感器通过单路信号线与燃烧状态调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块输出端口与微处理器模块的输入端口相连，燃烧状态调理模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块、显示模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连；所述的电流调理模块一侧与电流互感器相连，经电流/电压转换、滤波后送至数据采集模块的输入端；所述的频率跟踪模块的输入端与电流信号调理模块任一输出端相连，经锁相环和分频器实现采样信号的频率跟踪和同步采样。
所述的电流调理模块一侧与电流互感器相连，经电流/电压转换(U4A、R2、R3、C0)、滤波(R4、R5、C21、C22、U5A)后送至数据采集模块U3的输入端。
所述的频率跟踪模块的输入端与电流信号调理模块任一输出端相连，经锁相环U6和分频器U7实现采样信号的频率跟踪和同步采样。
所述的燃烧状态调理模块将燃烧状态信号经过由运算放大器组成的电平转换电路(U8A、R11、R12、R13、R14)、电平提升电路(U9A、R15、R16、R17、R18、R19)和低通滤波电路(U10A、R20、R21、C25、C26)送至微处理器模块的AD转换口。
所述的数据采集模块是A/D转换器U3，其三个输入端口与红外温度传感器直接相连，另外三个输入端口分别与电流信号调理模块的输出端口相连接，数据采集模块的输出端口、地址端口和控制端口分别通过数据线、地址线和控制线与微处理器模块U1相连接。
所述的微处理器模块是微处理器U1，外接晶振Y1、复位电路、电源，且固化了隔离开关运行状态在线监测程序。
所述的数据存储模块是存储芯片U2，其地址端口、数据端口和控制端口分别通过地址线、数据线和控制线与微处理器U1的地址端口、数据端口和控制端口相连接。
所述的通信模块为无线通信模块，一端与3.3V电源连接，一端与微处理器模块U1的GPIOB0-GPIOB3口相连接，用于与远端计算机进行无线数据交换。
所述的显示模块是液晶显示屏，通过RS-485电平转换芯片U12与微处理器U1的异步串行接口相连接。
在所述系统还设有工业窑炉用的烧嘴砖，所述烧嘴砖包括金属底座、耐火内胆和保护套；金属底座与耐火内胆相连，金属底座上有放置烧嘴枪的烧嘴枪入口，以及安放火花塞的火花塞接嘴；保护套套在耐火内胆外侧，所述的金属底座包含如下重量份数的组份：铬15～30份，钼15～30份，镍15 30份，钨3～7份，锰30～45份；所述的耐火内胆由如下重量份数的组份组成：莫来石25～35份，硅3～8份，氧化铝20～40份，刚玉粉20～30份，耐高温水泥5～10份；所述的保护套材料为莫来石；所述耐火内胆和保护套之间有耐火纤维纸。
所述的金属底座优选包含如下重量份数的组份：铬20份，钼15份，镍20份，钨5份，锰40份。
所述的耐火内胆优选包含如下重量份数的组份：莫来石40份，硅4份，氧化铝25份，刚玉粉25份，耐高温水泥6份。
上述耐高温水泥为氧化铝水泥、纯铝酸钙水泥、钒土水泥或普通民用水泥。
本发明的优点和有益效果在于：该窑炉用配电隔离开关在线监测系统，实现了运行中隔离开关状态的在线评估，解决了之前隔离开关状态只能断电检测、无法及时获取故障信息、预警具有滞后性等问题。尤其是本发明通过在线监测隔离开关触头温升、流过电流及其燃烧状态的检测，对过载和接触电阻增大这两种故障状态进行区分，便于安排检修和安全供电方案。
本发明采用金属底座的配方制备的金属底座由于含有铬、钼、镍金属，因此具有内高温的特性，且添加钨可增强金属底座耐磨损性，添加锰可增加底座的韧性，本发明的烧嘴砖，其金属底座耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化，经久耐用。耐火内胆耐高温，成本低。保护套由莫来石制成，不易膨胀变形，可耐受1500℃的工作温度，满足窑炉多种工业需求。耐火内胆和保护套之间的耐火纤维可起到固定保护套的作用，无需任何螺栓、螺钉即可实现保护套的固定。
附图说明
图1是本发明窑炉用配电隔离开关在线监测系统的结构示意图；
图2是图1系统中微处理器模块电路图；
图3是图1系统中电流信号调理模块电路图；
图4是图1系统中频率跟踪模块电路图；
图5是图1系统中燃烧状态调理模块电路图；
图6是图1系统中数据采集模块电路图；
图7是图1系统中数据存储模块电路图；
图8是图1系统中RS485扩展口电路；
图9是本发明窑炉用配电隔离开关在线监测系统中烧嘴转的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统由一个三相电流互感器、三个燃烧工况传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、燃烧状态调理模块、频率跟踪模块、数据采集模块、微处理器模块、数据存储模块、通信模块和显示模块构成。红外温度传感器获取隔离开关触头的温升信号，电流互感器获取流过隔离开关的电流信号，燃烧工况传感器获取隔离开关触头的燃烧状态；燃烧工况传传感器通过单路信号线与燃烧状态调理模块的输入端口相连，燃烧状态调理模块的输出端口与微处理模块的AD转换口相连；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连接，数据采集模块通过地址接口和数据接口与微处理器相连；频率跟踪电路输入端与调理电路的一输出端相连，输出端和微处理器相连；微处理器通过地址总线和数据总线与存储模块相连；通信模块通过GPIOB口与微处理器相连；显示模块通过RX485与微处理器的异步串行接口相连。
所述的红外温度传感器基于物体辐射红外线的原理，通过光学装置收集物体辐射的红外能量，然后通过热敏材料将红外能量转换为热能，并根据热敏材料本身的热电效应，将热能转换为相应的电信号，属于非接触式测温技术。本发明选用IRTP-300L红外温度传感器，输出为0～5V直流电压，根据测量范围和温度传感器的距离系数，将其固定在对准隔离开关触头的位置即可，输出端直接与数据采集模块的CH0、CH1、CH2三个输入口相连接。
所述的电流互感器一次侧串联在高压配电装置的主回路中，输出端通过六路信号线与电流信号调理模块的3对输入端IA+、IA-、IB+、IB-、IC+、IC-相连。
所述的振动传感器，是将燃烧状态按照一定规律转换为与之对应的-4V到-20V的电压信号并与燃烧状态调理模块的输入端INA、INB、INC相连。考虑本发明的高电压大电流的应用环境，选用WD202型电涡流振动传感器，实现非接触振动测量，安装时需对准隔离开关触头。
所述的电流信号调理模块，如图3所示，用于对输入的电流信号进行处理，适应数据采集模块的要求，由于三相电流信号的调理电路相同，所以只给出其中一相的具体电路图。以A相为例，电流互感器输出的电流信号通过IA+、IA-与运算放大器U4A相连，反接的二极管D1、D2起到保护理想运放的作用，电阻R2为反馈电阻，通过调节R2可以改变U4A输出电压的大小，R3和电容C20用来补偿相移；运算放大器U5A、电阻R4、R5、R6和电容C21、C22构成了低通抗混叠滤波器，有效滤除高次谐波；调理后的信号送至数据采集模块U3的输入端口IA；
所述的频率跟踪模块，如图4所示，由锁相环芯片U6和分频芯片U7组成，锁相环芯片U6选用CD4046，分频芯片U7选用CD4040。模块的输入端与C相信号调理模块输出端IC相连，输入信号进入锁相环芯片U6的相位比较器，通过R8、R9、C24、及Q8的控制，锁相环芯片U6的3脚的信号频率与原输入信号频率相同。锁相环芯片U6的4管脚产生一个256倍频信号送至分频芯片U7的10管脚CLK，U7的9管脚Q1与微处理器U1的CAP1端口相连，驱动交流信号完成每周期128点的采样功能。
所述的燃烧状态调理模块，如图5所示，用于将燃烧工况传传感器输出信号调理为微处理器可以处理的范围。由于三个燃烧工况传传感器的调理模块原理一致，这里选择A相燃烧状态为例叙述。首先将燃烧工况传传感器A输出的-4V～-20V信号经过运放器U8A和电阻R11、R12、R13、R14组成的电平转换电路将其转换到-12V～+12V之间；接着经过运放器U9A、电阻R15、R16、R17、R18、R19组成的电平提升电路将电压信号调整至0～3V；最后经过运算放大器U10A、电阻R20和R21、电容C25和C26组成的低通滤波电路滤除高次谐波，经电阻R22限流后送至微处理器模块的ADCA0转换口。
所述的数据采集模块，如图6所示，用来将模拟信号转换成数字信号。数据采集模块U3为MAXIM公司的8通道A/D转换芯片MAX1308，A/D转换芯片输出端通过12位数据总线与微处理器U1相连，片选端口CS与微处理器的GPIOA1口相连接，控制端口CLK、CS、WR、ROD、EOC分别通过控制线与微处理器U1的MCLKA、CS、XWE、XRD、XINT1相连接。
所述的微处理器模块，如图2所示，微处理器U1采用TI公司生产的32位定点高性能TDSF2812DSP，其电压等级为3.3V，与单片机相比，具有更高的运算速度，通用IO口多等特点，可以更高效、准确地完成工作。U1的端口X1、X2和晶振源Y1相连，按键S1与XRS相连起到对整个系统复位的功能，ADCREFM和ADCREFP经电容C1、C2接地。微处理器U1固化了隔离开关运行状态监测程序，包括系统初始化程序、温升、电流和燃烧状态采集及其A/D转换子程序、数据处理子程序、通信子程序和显示子程序。
所述的数据存储模块用来存储采集到的温升信号、电流信号及燃烧状态，如图7所示，采用ISSI公司的IS61LV51216存储芯片U2，U2通过19位的地址线、16位的数据线分别与微处理器模块的地址线和数据线相连，U2的3条片选及读写控制端口CE、WE、OE分别与微处理器的XCS6、XR/W、XRD的三个端口相连。
所述的通信模块用于输入隔离开关的额定参数和保护极限参数，是无线通信模块，用于与远端计算机进行无线数据交换，无线通信模块的一端与+3.3V电源相连，另一端通过单总线分别与微处理器的GPIOBO、GPIOB1、GPIOB2、GPIOB3四个通用IO口之一相连。
所述的显示模块是西门子液晶显示屏，通过如图8所示的RS-485电平转换芯片U12的6、7端口相连，而电平转换芯片1、4端口通过信号线与微处理器U1的异步串行接口SCITXDA、SCIRXDA相连接，2、3端口通过反相器U11A与U12微处理器GPIOA0口线连接。
由图9可知，本发明在所述系统还设有工业窑炉用的烧嘴砖，所述烧嘴砖包括金属底座1、耐火内胆2和保护套3。金属底座1与耐火内胆2相连，中心相通，金属底座1上有放置烧嘴枪的烧嘴枪入口5，以及安放火花塞的火花塞接嘴6，可喷出火焰至炉膛内部。保护套3套在耐火内胆2外侧用于保护内胆，耐火内胆2和保护套3之间是耐火纤维纸4。
金属底座1包含如下重量份数的组份：铬20份，铝15份，镍20份，钨5份，锰40份。上述组份在1400～1500℃下熔炼浇铸成型。
耐火内胆2包含如下重量份数的组份：莫来石40份，硅4份，氧化铝25份，刚玉粉25份，氧化铝水泥6份。将上述组份分别粉碎至粉末状，搅拌混合均匀后浇铸成型。
保护套3材料为莫来石。
金属底座1和耐火内胆2连接好后，在耐火内胆2外侧裹上耐火纤维纸4，再把保护套3套在耐火纤维纸4外侧，通过耐火纤维纸自身的膨胀作用，即可实现保护套3的固定，无需使用螺栓螺钉固定。
本发明实施上述一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其积极效果在于能够通过采集到的温度信号、电流信号和燃烧状态对隔离开关的运行状态做出全面分析，便于安排检修方案并确保供电安全。监测系统运行前，首先输入隔离开关的额定电流、温升预警门限值以及接触不良引起的燃烧状态门限值，运行后实时监测三个参量的变化。当微处理器检测到燃烧状态大于2mm且温度信号超过80℃，显示屏会提示“隔离开关接触电阻增大”，这时即便隔离开关处于小电流轻载运行状态，都应立即断电检修，避免负载增加引发火灾事故。当微处理检测的温度信号超过80℃并且电流信号接近额定值，而振动信号低于0.6mm，显示屏会提示“隔离开关过载运行”，长期过载应通过分散低压侧负荷或选取更大容量的隔离开关来确保供电安全，杜绝重大事故的发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述系统包括一个电流互感器、三个燃烧工况传感器、三个红外温度传感器、电流信号调理模块、燃烧状态调理模块、数据采集模块、频率跟踪模块、微处理器模块、数据存储模块、通信模块、显示模块；每相电流互感器通过两条信号线与电流信号调理模块相连，燃烧工况传感器通过单路信号线与燃烧状态调理模块相连，电流信号调理模块和红外温度传感器通过单总线与数据采集模块的输入端口相连，频率跟踪模块输入端与电流信号调理模块的任一输出端口相连，频率跟踪模块输出端口与微处理器模块的输入端口相连，燃烧状态调理模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块、显示模块分别与微处理器模块的AD口、数据线、地址线和控制线、GPIO口及异步串行接口相连；所述的电流调理模块一侧与电流互感器相连，经电流/电压转换、滤波后送至数据采集模块的输入端；所述的频率跟踪模块的输入端与电流信号调理模块任一输出端相连，经锁相环和分频器实现采样信号的频率跟踪和同步采样。
2.如权利要求1所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的燃烧状态调理模块将燃烧状态经过由运算放大器组成的电平转换电路、电平提升电路和低通滤波电路送至微处理器模块的AD转换口。
3.如权利要求1所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的数据采集模块是A/D转换器，其三个输入端口与红外温度传感器直接相连，另外三个输入端口分别与电流信号调理模块的输出端口相连接，数据采集模块的输出端口、地址端口和控制端口分别通过数据线、地址线和控制线与微处理器模块相连接。
4.如权利要求1所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的微处理器模块是微处理器，外接晶振、复位电路、电源，且固化了隔离开关运行状态在线监测程序。
5.根据权利要求4所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的数据存储模块是存储芯片，其地址端口、数据端口和控制端口分别通过地址线、数据线和控制线与微处理器的地址端口、数据端口和控制端口相连接。
6.如权利要求1所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的通信模块无线通信模块，一端与3.3V电源连接，一端与微处理器模块的GPIOB0-GPIOB3口相连接。
7.如权利要求4所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的显示模块是液晶显示屏，通过RS-485电平转换芯片与微处理器的异步串行接口相连接。
8.如权利要求1所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，在所述系统还设有工业窑炉用的烧嘴砖，所述烧嘴砖包括金属底座(1)、耐火内胆(2)和保护套(3)；金属底座(1)与耐火内胆(2)相连，金属底座(1)上有放置烧嘴枪的烧嘴枪入口(5)，以及安放火花塞的火花塞接嘴(6)；保护套(3)套在耐火内胆(2)外侧，其特征在于所述的金属底座(1)包含如下重量份数的组份：铬15～30份，铝15～30份，镍15～30份，钨3～7份，锰30～45份，上述金属底座的组份在1400～1500℃下熔炼浇铸成型；所述的耐火内胆(2)包含如下重量份数的组份：莫来石25～35份，硅3～8份，氧化铝20～40份，刚玉粉20～30份，耐高温水泥5～10份；所述的保护套(3)材料为莫来石；所述耐火内胆(2)和保护套(3)之间有耐火纤维纸(4)。
9.如权利要求8所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的金属底座(1)包含如下重量份数的组份：铬20份，铝15份，镍20份，钨5份，锰40份。
10.如权利要求8所述的窑炉用配电隔离开关在线监测系统，其特征在于，所述的耐高温水泥为纯铝酸钙水泥或钒土水泥。
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