CN109031028A - 一种在线监测限压型spd运行情况的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线监测限压型SPD运行情况的方法，包括以下步骤：由终端模块发布数据采集命令信号，通过信号传输模块将命令信号传输至数据处理模块；数据处理模块被唤醒，时钟电路随即开始授时，按照初始程序设定，每隔固定时间接收来自温度数据采集模块发送过来的温度信号；温度数据采集模块采集的温度数据实时传输至数据处理模块；数据处理模块接收到温度数据采集模块输送过来的模拟电信号后，先进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号后，再由数据处理模块中的DSP芯片对数字信号（即温度信号）进行加工处理，得到实时温度、温变率。本发明对于限压型SPD的运行情况的监测更为直观、可靠，提高了监测效率。
Description
技术领域
本发明涉及雷电防护设备技术领域，具体是一种在线监测限压型SPD运行情况的方法和装置，属于电子、电气设备监测领域。
背景技术
电涌保护器（简称“SPD”）作为低压配电系统的过电压防护装置，由于其拥有优越的过电压抑制、大电流泄放能力，因而得到了广泛的使用。目前，国内外市场上存在的SPD主要分为开关型SPD、限压型SPD，而低压配电系统的雷电防护工作中，已普遍采用限压型SPD，限压型SPD的核心元件为氧化锌（ZnO）压敏电阻（MOV）阀片，然而其核心部件氧化锌压敏电阻在运行过程中，由于受到雷电流冲击以及各种操作过电压的作用，不可避免地存在老化劣化现象，具体表现为泄漏电流增大，绝缘性能变差，老化严重时甚至可能因器件发热而导致供电系统起火爆炸。基于以上原因，为了保证电源系统的正常运行，必须对SPD进行相应的在线监测，从而消除潜在的安全隐患。
目前，针对SPD及氧化锌压敏电阻的在线监测大多是基于监测泄漏电流的方式，例如专利智能数字式氧化锌避雷器在线监测仪（申请号：201220231520.X）采用电流传感器采集压敏电阻漏电流，传感器所采集的数据经单片机处理后，通过RS485接口后传入人机界面中，从而实现在线监测的功能；专利基于RF无线网络的避雷器在线监测装置（申请号：201320304487.3）通过高压型电流传感器，实现在线监测SPD的全电流、阻性电流的功能，从而分析和判断SPD的运行状况；一种在线分析SPD寿命和失效的方法(申请号：201710583130.6)该方法通过监测SPD的漏电流、SPD的温升、SPD的温升速率、SPD电容变化、SPD在线时间、SPD泄放雷击的次数、SPD工作状态，并控制不同参数整体比重和加权因子最终得出SPD寿命与失效时间的计算。
通过监测漏电流的方式监测SPD的工作状态，简单便捷。但是，工况条件下，SPD导通次数较多，由于正常的MOV阀片具有较强的自恢复能力，所以每次导通后SPD又能恢复到正常工作状态，但在在线监测过程中，就会经常出现漏电流超限的告警，使工作人员对SPD的老化劣化情况造成误判。
通过监测SPD全参数（漏电流、温升、电容、在线时间、泄放雷击的次数、工作状态）监测，并控制不同参数整体比重和加权因子最终得出SPD寿命与失效时间的方式，各类参数的收集必然涉及到诸多传感器的使用，传感器多为弱电灵敏设备，诸多设备加挂在SPD上，会导致很多问题发生，比如：1、传感器间的串扰；2、SPD的制造成本提高、品控难度加大，其运输、安装的风险也急剧上升。这些问题，就注定了此类方法在SPD的量化生产过程当中难以实现。
正常情况下，如无过电压冲击SPD，其发热速率将与SPD的散热速率持平，温度将和背景温度基本保持一致；当过电压冲击SPD时，其温度可能会暂时有所上升，但过后会自恢复。只有当SPD持续遭受过电压冲击或自身工作状态异常的情况下，其发热速率将持续超越散热速率，导致SPD温度过高而脱扣或熔化起火，该过程将不可逆。不管是SPD持续遭受过电压冲击亦或是其工作状态异常，直接结果都是温度上升，所以其温度变化能直观反映SPD的运行状态，温度变化快慢可用温变率来表示，温变率是判别其是否老化、劣化的最直观判据。
所以，为对限压型SPD运行情况进行简单、直观、可靠的监测，本发明将Ni-Cr薄膜温度传感器技术引入限压型SPD温度监测中，并就组网监测进行了详细阐述，确保该装置或方法能够达到在线监测限压型SPD运行情况的目标，并能在限压型SPD研发方面进行应用推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线监测限压型SPD运行情况的方法和装置，以解决上述背景技术中提出的现有在线监测SPD运行参数的方法或装置存在实现难度大、监测成本过高、可靠性较差等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种在线监测限压型SPD运行情况的方法，包括以下步骤：
1）由终端模块发布数据采集命令信号start，通过信号传输模块将命令信号传输至数据处理模块；
2）数据处理模块被唤醒，时钟电路随即开始授时，按照初始程序设定，每隔固定时间（一般设定为μs级）接收来自温度数据采集模块发送过来的温度信号；
3）温度数据采集模块在上电后，时刻处于工作状态，并且保证采样率f不低于106次/s，采集的温度数据经过放大降噪处理后实时传输至数据处理模块的A/D转换端口；
4）数据处理模块接收到步骤3）输送过来的模拟电信号后，先进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号后，再由数据处理模块中的DSP芯片对温度数据进行加工处理，得到实时温度、温变率。
作为本发明进一步的方案：在步骤4）中，处理过程如下：
第一步，DSP芯片接收来自外围时钟电路的授时tn，tn-1，tn-2，tn-3，tn-4，接收来自A/D转换接口的温度数字信号Tn，Tn-1，Tn-2，Tn-3，Tn-4；
第二步，比较第一步的Tn～Tn-4与SPD的脱扣限定温度值T0（T0由SPD生产厂家标定）的大小关系，若Tn～Tn-4有至少三个数据大于或等于T0，则输出脱扣预警信号；否则，进入第三步；
第三步，通过公式△τn=（Tn-Tn-1）·f计算出实时温变率△τn～△τn-3；
第四步，比较第三步得到的△τn～△τn-3与温变率限定值△τ0的关系，若△τn～△τn-3中有至少两个数据大于或等于△τ0，则输出劣化预警；否则输出当前温度、温变率，SPD工作正常。
一种在线监测限压型SPD运行情况的装置，包括至少一个电源供电模块、至少一个温度数据采集模块、至少一个数据处理模块、至少一个信号传输模块、至一个信号分路模块和至少一个终端模块，所述温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块、信号分路模块和终端模块依次连接，所述电源供电模块还分别与温度数据采集模块和数据处理模块连接。
作为本发明进一步的方案：所述电源供电模块用于获取被保护线路上的市电电压，转换为稳定的直流电压，供温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块和信号分路模块使用；当被保护线路电压波动过大时，能自动断开与被保护线路的连接，同时，保证在市电掉电状态下正常供电72h。
作为本发明进一步的方案：所述温度数据采集模块用于采集被监测的限压型SPD中MOV阀片的温度信号，转换为特定频率的电压信号，输出给数据处理模块。
作为本发明进一步的方案：所述数据处理模块用于接收来自温度数据采集模块传送来的电压信号，收到的电压信号通过滤波处理、A/D转换处理后，变为方便存储、计算的数字信息；数据处理模块再对该数字信息进行计算加工，得到所测MOV阀片的温升率，再与实时温度数据一起存储在本地；对于需要传输出去的信号，通过电/光转换将电信号转换为光信号，通过传输模块传输至信号分路模块或终端模块。
作为本发明进一步的方案：所述信号传输模块用于传输经过处理过的光信号，传输给信号分路模块或终端模块；所述信号分路模块用于集中各信号传输线路传送来的光信号，再进行转送分发至各终端设备；所述终端模块用于查看SPD的安装位置、当前运行温度、温变率，SPD温度限制报警状态，在SPD发生劣化时，通过短信平台接口对特定人员发送SPD劣化预警短信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该方法通过采集限压型SPD中MOV光滑面的实时温度，对采集到的离当前时间最近的5个温度数据进行缓存处理，并将采集到的温度数据与SPD生产商规定的脱扣温度对比，可以判断SPD是否发生或将要发生脱扣动作。另外，在DSP芯片中利用缓存数据进行简单除法运算，得到温变率，利用温变率的变化可以预测MOV阀片是否将要劣化或已劣化，提高了数据的准确性、直观性。
具体有益效果如下：
1）本发明方法中，对限压型SPD的运行情况进行二次判断，使得判定结果更为可靠，第一次通过对SPD中MOV阀片最近5个时刻的温度与脱扣温度对比，判断SPD的脱扣情况，第二次通过对SPD的温变率变化情况与温变率设定值进行对比，预测SPD中的MOV阀片是否即将劣化；
2）本发明方法中，引入温变率作为判断MOV是否将要劣化的判据，相比利用漏电流作为判断MOV是否劣化更有预见性，能在MOV未劣化而即将劣化时发出劣化预警；
3）本发明的应用，可实现对限压型SPD运行情况多终端远程监控，也可实现近端DSP芯片调试。
综上所述，本发明利用实时温度可以得知限压型SPD是否脱扣，利用温变率得到限压型SPD中MOV阀片的老化情况，预测其是否将要劣化，对于限压型SPD的运行情况的监测更为直观、可靠，对于其运行状态的预测具有一定的前瞻性，提高了监测效率。
附图说明
图1是一种在线监测限压型SPD运行情况的装置的结构示意图。
图2是一种在线监测限压型SPD运行情况的装置的模块布局图。
图3是电源模块工作原理图。
图4是数据处理模块工作原理图。
图5是信号传输、分路模块工作原理图。
图6是一种在线监测限压型SPD运行情况的方法流程示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种在线监测限压型SPD运行情况的装置，包括电源供电模块、温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块、信号分路模块和终端模块，所述温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块、信号分路模块和终端模块依次连接，所述电源供电模块还分别与温度数据采集模块和数据处理模块连接。
如图2所示，该装置用于限压型SPD（包含MOV阀片的SPD）运行情况的在线监测，温度数据采集模块中的测温传感器为Ni-Cr纳米薄膜，该层薄膜通过磁控溅射技术喷涂在MOV阀片的光滑面上，直接与MOV阀片接触，薄膜的另一面喷涂SiO2覆膜，提高Ni-Cr纳米薄膜的机械强度。测温传感器采集到实时温度数据后，通过同轴线传递到数据处理模块，其中数据处理模块与温度数据采集模块需要通过电源供电模块提供电源。
电源供电模块工作原理图如图3所示，电源供电模块通过取电拉线从SPD保护的线路中取市电，然后通过降压变压器进行降压、分流（降压变压器有多个抽头，接线时搭接不同抽头实现降压或分流功能），再经过过电压保护电路，过电压保护电路主要是为了防止串入变压器的过电压影响到后备电源的正常工作，得到正常低压交流电，再通过整流滤波电路，整流滤波电路完成AC/DC转换，转换后再经过交直流隔离，使得交流电与直流电隔开，不互相干扰，最后通过稳压电路给储电锂电池充电，并输出给温度数据采集模块、数据处理模块用电，其中稳压电路通过稳压芯片将前端直流输入稳压至5V（+20%以内），确保储电锂电池能正常充电，后续负载能正常用电。储电锂电池作为L-N供电母线断路或波动太大等特殊情况下的应急电源。
数据处理模块工作原理图如图4所示。经温度数据采集模块的同轴线传输过来的模拟电信号通过数据处理模块的放大降噪电路，实现信号放大、噪声降低，然后送入A/D转换电路，将模拟信号转变为可以给DSP芯片处理的数字信号。DSP芯片采用成本低廉的TMS320C5509芯片，该芯片需要搭配相关外围电路，实现一定的功能。为了实现处理温度模拟信号，TMS320C5509芯片外围需至少搭配A/D转换电路、时钟信号电路、超限警报电路、LCD显示屏、SD卡存储器。时钟信号电路采用小型晶振单元（晶振频率为12MHz，时间间隔为1us，采样频率f=106次/s），由晶振产生的时钟信号输入TMS320C5509芯片中，芯片再依据设计的简易程序对温度信号及时钟信号进行处理，处理过后的数据输出到LCD显示屏、SD卡、超限警报器、数据输出电路，超限警报器依据TMS320C5509芯片输出的信号频率决定是否发出警报。数据输出电路输出的是经过DSP芯片处理后的数字电信号，须再通过电/光转换电路将电信号转换为光信号，加载到信号传输模块、信号分路模块。DSP芯片外围电路还提供了USB/RS232等接口，方便对TMS320C5509芯片进行程序烧录、重启等操作。
信号传输、分路模块如图5所示，来自各个数据处理模块发出的光信号通过尾纤汇集到信号分路模块，通过光分路器集中到主光纤上，通过频分多路的传输方法，将光信号传输到终端模块或其他光分路器。
终端模块包括硬件平台和软件平台，硬件包含信号接收主机、信号显示屏、报警器、短信发送装置，软件为SPD运行情况在线监测系统。终端模块在接收到信号传输模块传输过来的温度信号、时间信号、温变率信号后，通过内置应用程序，在信号显示屏上自动绘制出温度随时间、温变率随时间的变化曲线，同时，依据预设的脱扣温度和温变率限值，与传输过来的温度、温变率进行对比，判断是否发出预警信号，如果需要发出，则出发报警器，通过短信平台向值班人员发送预警短信，提示值班人员检查SPD的工作状态。
实施例2
参见图6，本发明一种在线监测限压型SPD运行情况的方法，包括以下步骤：
1）在一种在线监测限压型SPD运行情况的装置中，预先输入SPD生产厂家提供的脱扣温度T0，温变率限值；
2）由温度信号采集模块采集限压型SPD中MOV阀片的实时温度Tn，传输到DSP芯片的缓存，得到Tn、Tn-1、Tn-2、Tn-3、Tn-4，同时由时钟电路对芯片进行授时，得到对应时间tn、tn-1、tn-2、tn-3、tn-4，将Tn、Tn-1、Tn-2、Tn-3、Tn-4、tn 、tn-1、tn-2、tn-3、tn-4以5*2矩阵形式存储在芯片缓存中；
3）在DSP芯片中作比较运算，判断Tn、Tn-1、Tn-2、Tn-3、Tn-4中是否有至少三个数据大于或等于T0；若是，则直接输出SPD脱扣预警，运算结束，向终端传送警报信息，并通过终端模块再次发出脱扣警报、警报短信等；若否，则进行第4）步；
4）在DSP芯片中作减法运算、，除法运算，得到温变率；
5）在DSP芯片中作比较运算，判断中是否有至少两个数大于或等于；若是，则输出MOV劣化预警，运算结束，向终端传送警报信息，并通过终端模块再次发出劣化警报、警报短信等；若否，则输出Tn、，判定SPD运行正常，运算结束。
该方法通过采集限压型SPD中MOV光滑面的实时温度，对采集到的离当前时间最近的5个温度数据进行缓存处理，并将采集到的温度数据与SPD生产商规定的脱扣温度对比，可以判断SPD是否发生或将要发生脱扣动作。另外，在DSP芯片中利用缓存数据进行简单除法运算，得到温变率，利用温变率的变化可以预测MOV阀片是否将要劣化或已劣化。本发明的在线监测限压型SPD运行状况的装置可以直接对MOV热损毁条件进行接触性监测，提高了数据的准确性、直观性，同时，利用光纤网络进行分布式组网策略，使得传输网络更为可靠、易于扩充，不受环境电磁干扰。
具体有益效果如下：
1）本发明装置中，将Ni-Cr薄膜温度传感器技术应用到温度采集器的设计当中，使得温度采集器轻薄、稳固抗震、温度采集宽度广（-80-1200℃）、温度采集精度高（0.001℃）；
2）本发明装置中，直接将Ni-Cr薄膜温度传感器贴合在MOV光滑面上，采用纳米镀膜磁控溅射法制作Ni-Cr薄膜温度传感器，接触式采集方式，使得MOV实时温度的采集更为真实、准确、及时；
3）本发明装置中，利用光纤网络进行分布式组网策略，使得传输网络相比传统导线传输更为可靠、易于扩充，不受环境的电磁干扰；
4）本发明方法中，对限压型SPD的运行情况进行二次判断，使得判定结果更为可靠，第一次通过对SPD中MOV阀片最近5个时刻的温度与脱扣温度对比，判断SPD的脱扣情况，第二次通过对SPD的温变率变化情况与温变率设定值进行对比，预测SPD中的MOV阀片是否即将劣化；
5）本发明装置中，采用的DSP芯片价格低廉，但是能满足监测要求，且采样率高（106次/s），除法运算、比较运算速度快；通过DSP芯片对温度数据进行处理后，可实现原始数据、计算后的数据的在线传输、直接显示、打印等功能，使得读数更为简单方便；
6）该装置能够在SPD保护的线路带电时，全天候工作；在SPD保护的线路掉电时，维持正常工作达到3天；
7）本发明方法引入温变率作为判断MOV是否将要劣化的判据，相比利用漏电流作为判断MOV是否劣化更由于预见性，能在MOV未劣化而即将劣化时发出劣化预警；
8）发明装置的应用，可实现对限压型SPD运行情况多终端远程监控，也可实现近端DSP芯片调试。
综上所述，本发明利用实时温度可以得知限压型SPD是否脱扣，利用温变率得到限压型SPD中MOV阀片的老化情况，预测其是否将要劣化，对于限压型SPD的运行情况的监测更为直观、可靠，对于其运行状态的预测具有一定的前瞻性，提高了监测效率。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (9)
1.一种在线监测限压型SPD运行情况的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）由终端模块发布数据采集命令信号start，通过信号传输模块将命令信号传输至数据处理模块；
2）数据处理模块被唤醒，时钟电路随即开始授时，按照初始程序设定，每隔固定时间接收来自温度数据采集模块发送过来的温度信号；
3）温度数据采集模块在上电后，时刻处于工作状态，采集的温度数据经过放大降噪处理后实时传输至数据处理模块的A/D转换端口；
4）数据处理模块接收到步骤3）输送过来的模拟电信号后，先进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号后，再由数据处理模块中的DSP芯片对温度数据进行加工处理，得到实时温度、温变率。
2.根据权利要求1所述的在线监测限压型SPD运行情况的方法，其特征在于，在步骤2）中，固定时间设定为μs级。
3.根据权利要求1所述的在线监测限压型SPD运行情况的方法，其特征在于，在步骤3）中，采样率f不低于106次/s。
4.根据权利要求1所述的在线监测限压型SPD运行情况的方法，其特征在于，在步骤4）中，处理过程如下：
第一步，DSP芯片接收来自外围时钟电路的授时tn，tn-1，tn-2，tn-3，tn-4，接收来自A/D转换接口的温度数字信号Tn，Tn-1，Tn-2，Tn-3，Tn-4；
第二步，比较第一步的Tn～Tn-4与SPD的脱扣限定温度值T0的大小关系，若Tn～Tn-4有至少三个数据大于或等于T0，则输出脱扣预警信号；否则，进入第三步；
第三步，通过公式△Τn=（Tn-Tn-1）·f计算出实时温变率△τn～△τn-3；
第四步，比较第三步得到的△τn～△τn-3与温变率限定值△τ0的关系，若△τn～△τn-3中有至少两个数据大于或等于△τ0，则输出劣化预警；否则输出当前温度、温变率，SPD工作正常。
5.一种在线监测限压型SPD运行情况的装置，包括至少一个电源供电模块、至少一个温度数据采集模块、至少一个数据处理模块、至少一个信号传输模块、至一个信号分路模块和至少一个终端模块，其特征在于，所述温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块、信号分路模块和终端模块依次连接，所述电源供电模块还分别与温度数据采集模块和数据处理模块连接。
6.根据权利要求5所述的在线监测限压型SPD运行情况的装置，其特征在于，所述电源供电模块用于获取被保护线路上的市电电压，转换为稳定的直流电压，供温度数据采集模块、数据处理模块、信号传输模块和信号分路模块使用；当被保护线路电压波动超限时，能自动断开与被保护线路的连接，同时保证在市电掉电状态下正常供电72h。
7.根据权利要求6所述的在线监测限压型SPD运行情况的装置，其特征在于，所述温度数据采集模块用于采集被监测的限压型SPD中MOV阀片的温度信号，转换为特定频率的电压信号，输出给数据处理模块。
8.根据权利要求7所述的在线监测限压型SPD运行情况的装置，其特征在于，所述数据处理模块用于接收来自温度数据采集模块传送来的电压信号，收到的电压信号通过滤波处理、A/D转换处理后，变为数字信息；数据处理模块再对该数字信息进行计算加工，得到所测MOV阀片的温升率，再与实时温度数据一起存储在本地；对于需要传输出去的信号，通过电/光转换将电信号转换为光信号，通过传输模块传输至信号分路模块或终端模块。
9.根据权利要求8所述的在线监测限压型SPD运行情况的装置，其特征在于，所述信号传输模块用于传输经过处理过的光信号，传输给信号分路模块或终端模块；所述信号分路模块用于集中各信号传输线路传送来的光信号，再进行转送分发至各终端设备；所述终端模块用于查看SPD的安装位置、当前运行温度、温变率，SPD温度限制报警状态，在SPD发生劣化时，通过短信平台接口对特定人员发送SPD劣化预警短信。
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