CN109916523A - 一种开关柜电缆室发热故障监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关柜电缆室发热故障监测系统，包括通讯连接的故障监测装置、云端服务器和客户端设备，所述故障监测装置的实时监测结果发送至云端服务器，所述客户端设备通过访问云端服务器获取实时监测结果，其中：所述故障监测装置包括装置壳体和设置在壳体内的微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、通讯模块和电池模块，所述微电阻测量模块、数字温度传感器模块、通讯模块和电池模块分别与微处理器模块连接，所述微电阻测量模块与三相支路电缆接头连接，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部。本发明通过实时监测开关柜电缆室工作温度及三相支路的接触电阻，能准确判断电缆室是否存在发热故障。

Description

一种开关柜电缆室发热故障监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子、高电压与绝缘技术、单片机技术、信号处理与分析领域，特别是涉及一种开关柜电缆室发热故障监测系统及方法。

背景技术

长期运行环境下的开关柜电缆室部件会发生劣化、老化、甚至绝缘破坏，导致接触电阻增大、造成局部发热故障。如果没有及时对这种潜在威胁进行有效监测并对局部发热故障位置采取相应解决措施，将会影响开关柜的稳定运行，甚至引发火灾，造成巨大经济损失。

对开关柜电缆室脆弱位置进行实时有效监测，控制发热故障的发生于萌芽时期，并及时排除故障隐患，可以保障高压开关柜的安全稳定运行。目前通常采用测温的方法来监测开关柜发热故障。例如数字传感器法、光纤测温法、红外测温法、声表面波法等。上述方法都有很大的局限性。首先，数字传感器法需要在易发热位置处布置多个传感器探头，安装方式复杂、监测界面繁琐；红外测温易受环境因素干扰，准确性差，难以实现在线实时监测；光纤测温法的光纤传感器精度高，但是配置复杂，需要透镜、光源等器件配合使用，影响因素多；声表面波测温法虽然可以实现无源测温，但是其也需要在易发热位置处布置多个探头，安装方式复杂，且监测到的间接参量需要换算为温度参数，监测精度有待考量。

此外，上述开关柜运行故障监测方法的原理都是基于测温，然而实际情况下开关柜电缆室内异常发热的根本是由于绝缘部件、触头的老化、劣化而造成接触电阻改变所导致；且温度参数本身容易受到大气环境温度、工作环境温度、导线电流变化的影响而改变，故所监测到的数据并不能直接有效地反应开关柜关键部位的状态。

现有技术中，对于通过对开关柜内接触电阻的监测来进行故障分析和处理的相关文献如：公开号CN104062323A(2014年9月24日公开)的中国专利“一种在线测量接触电阻的方法”，其通过对待测量接触元件进行温度测量，然后通过公式推导得到待测量接触元件的接触电阻，进而通过接触电阻来为电力设备的状态监测、分析和故障处理提供数据参考。该专利考虑了开关柜内接触电阻阻值变化对设备正常运行的影响，但是其得到的接触电阻的阻值变化是通过温度测量和公式推导得来的，其准确性受外界因素影响较大，不能直接有效地反映关键部位接触元件的状态。

目前，基于温度监测原理来监测开关柜内温度的相关文献如：公开号为CN105547483B(2019年2月15日公开)的中国专利公开了一种用于组网式红外矩阵实时测量开关柜温度的方法及实时测量系统，该专利利用矩阵式排列的红外测温仪采集开关柜的实际值温度和环境温度值，并通过控制器将其传输给智能终端进行数据展示，解决了开关柜及环网柜内部电气节点现状及现有技术难以解决开关柜及环网柜内裸露高压触点运行温度不易监测的现状，但是该专利是采用红外测温法来监测开关柜的实时温度，其存在易受环境因素干扰，准确性差，难以实现在线实时监测的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种开关柜电缆室发热故障监测系统及方法，通过实时监测开关柜电缆室工作温度及三相支路的接触电阻，能够准确判断电缆室是否存在发热故障。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种开关柜电缆室发热故障监测系统，包括通讯连接的故障监测装置、云端服务器和客户端设备，所述故障监测装置的实时监测结果发送至云端服务器，所述客户端设备通过访问云端服务器获取实时监测结果，其中：所述故障监测装置包括装置壳体和设置在壳体内的微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、通讯模块和电池模块，所述微电阻测量模块、数字温度传感器模块、通讯模块和电池模块分别与微处理器模块连接，所述微电阻测量模块与三相支路电缆接头连接，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部。

本发明通过微电阻测量模块实时监测三相支路的接触电阻，通过微处理器模块处理获得三相支路接触电阻的实时电阻值，同时通过数字温度传感器模块获取电缆室的工作温度，并利用该工作温度对得到的实时电阻值进行温度补偿，从而得到更精确的三相支路接触电阻的实时电阻值，所述微处理器模块根据该更精确的实时电阻值来判断电缆室是否存在发热故障；得到的包括工作温度和电阻值的监测数据可以发送至云端服务器，工作人员通过客户端设备访问云端服务器来随时查看电缆室的运行情况；当监测到电缆室存在发热故障时，所述微处理器模块通过通讯模块立即直接向工作人员发送告警短信，告知存在发热故障的具体支路，从而便于工作人员及时进行现场排查，避免安全隐患的产生。

具体地，所述微处理器模块用于读取传感器模拟信号、对各传感器信号进行逻辑运算、向串行数据线输出信号、判断电缆室工作环境及发热故障。所述数字温度传感器模块用于获取电缆室的工作温度。所述微电阻测量模块用于采集电缆室三相支路接触电阻的电阻值。所述通讯模块为GSM通讯模块。所述电池模块为可充电大容量锂电池。

进一步地，所述GSM通讯模块与微处理器模块的串口连接，用于接收微处理器模块的信号处理结果，以及实现与远程设备之间的通讯，包括通过2G网络和短信两种模式。

具体地，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部，用于监测开关柜电缆室的工作环境温度，还用于接触电阻的温度补偿校准。

优选地，所述微电阻测量模块包括微电阻传感器模块、测量触头和测量线缆，所述微电阻传感器模块包括DC电源、精密电阻和ADC驱动电路，所述DC电源用于将电池模块的电压进行转换后为微电阻传感器模块供电，所述精密电阻用于提供电阻值供测量用，所述ADC驱动电路用于将精密电阻和贴片薄膜电极两端的电压信号转化为单端模拟信号输入至微处理器模块。

具体地，所述微电阻测量模块结合微处理器模块即可以测得微欧精度的电阻值。

优选地，所述测量触头采用贴片薄膜电极，粘贴固定在三相支路电缆接头。

优选地，所述精密电阻为低温漂精度0.01％的贴片电阻，集成在所述微电阻传感器模块的PCB电路板上。

优选地，所述ADC驱动电路由滤波器、运算放大器和差分放大器组成。

优选地，所述微处理器模块内置的计算机程序包括用于温度补偿的计算机程序。

进一步地，所述微处理器模块为集成数字芯片及DC-DC电源转换模块的PCB板；其中数字芯片为32位高速DSP芯片；DC-DC电源转换模块用于为数字芯片以及外部传感器器件提供所需电压。

优选地，所述客户端设备包括手机、PC机、工业计算机、智能电子设备。

进一步地，所述客户端设备为手机，通过手机APP的形式在线实时查看所述故障监测装置发送的监测数据。

一种开关柜电缆室发热故障监测方法，基于所述的监测系统来实现，包括以下步骤：

S1，故障监测装置利用微电阻测量模块监测三相支路的接触电阻，利用微处理器模块处理后得到三相支路接触电阻的实时电阻值；

S2，所述故障监测装置利用数字温度传感器模块监测开关柜电缆室的工作温度，利用微处理器模块根据电缆室的工作温度对得到的三相支路接触电阻的实时电阻值进行温度补偿；

S3，所述故障监测装置通过通讯模块发送电缆室实时监测数据至云端服务器，并判断电缆室是否存在发热故障；

S4，客户端设备通过访问所述云端服务器获取电缆室实时监测数据。

优选地，S3进一步包括以下步骤：当判断存在发热故障时，通过通讯模块直接向客户端设备发送告警信息，所述告警信息包括存在发热故障的具体支路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明在开关柜电缆室端设置故障监测装置，故障监测装置包括装置壳体和设置在壳体内的微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、通讯模块和电池模块，所述微电阻测量模块、数字温度传感器模块、通讯模块和电池模块分别与微处理器模块连接，所述微电阻测量模块与三相支路电缆接头连接，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部，所述故障监测装置在对开关柜电缆室发热故障进行监测时，通过微电阻测量模块实时监测三相支路的接触电阻，通过微处理器模块处理获得三相支路接触电阻的实时电阻值，同时通过数字温度传感器模块获取电缆室的工作温度，并利用该工作温度对得到的实时电阻值进行温度补偿，从而得到更精确的三相支路接触电阻的实时电阻值，然后根据该更精确的实时电阻值来判断电缆室是否存在发热故障，同时能将电缆室的监测数据实时发送至云端服务器供工作人员随时查看，本发明能对由于绝缘部件、触头的老化、劣化而造成的接触电阻改变进行实时在线监测，避免因接触电阻增大造成的局部发热故障，能将发热故障及时扼制在萌芽阶段，便于工作人员及时排除故障隐患，保证开关柜电缆室的正常运行；2)本发明在监测到发热故障时，可以立即向工作人员手机或其他客户端设备发送短信告知存在发热故障的具体支路，从而可以及时现场排查，避免安全隐患的发生；3)本发明通过数字温度传感器模块获取电缆室的工作温度，并利用该工作温度对得到的实时电阻值进行温度补偿，从而得到更精确的三相支路接触电阻的实时电阻值，有效降低了由于电缆的通流发热以及大气环境的正常温度变化导致的电缆室工作温度发生改变对于被测部位电阻值的影响，从而能够准确反应接触电阻的实际变化。

附图说明

图1为本发明故障监测系统的结构示意图；

图2为本发明故障监测装置端的实物示意图；

图3为本发明故障监测装置的结构示意图；

图4为本发明的微电阻测量原理示意图；

图5为本发明的故障监测方法流程示意图；

图中：1、微电阻测量模块；2、数字温度传感器模块；3、微处理器模块；4、GSM通讯模块；5、电池模块；6、云端服务器；7、客户端设备；8、微电阻传感器模块；9、测量线缆；10、测量触头；11、数字温度传感器模块的探头；100、装置壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种开关柜电缆室发热故障监测系统，包括通讯连接的故障监测装置、云端服务器和客户端设备，所述故障监测装置的实时监测结果发送至云端服务器，所述客户端设备通过访问云端服务器获取实时监测结果，其中：所述故障监测装置包括装置壳体和设置在壳体内的微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、通讯模块和电池模块，所述微电阻测量模块、数字温度传感器模块、通讯模块和电池模块分别与微处理器模块连接，所述微电阻测量模块与三相支路电缆接头连接，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部。本发明通过实时监测开关柜电缆室工作温度及三相支路的接触电阻，来判断电缆室是否存在发热故障，能有效监测由于绝缘部件、触头的老化、劣化而造成接触电阻改变所导致的电缆室发热故障。

具体地，所述微处理器模块采用集成数字芯片及DC-DC电源转换模块的PCB板；其中数字芯片为32位高速DSP芯片；DC-DC电源转换模块用于为数字芯片以及外部传感器器件提供所需电压。所述数字温度传感器模块用于监测电缆室的工作环境温度以及用于接触电阻的温度补偿校准。所述通讯模块为GSM通讯模块，所述GSM通讯模块与微处理器模块的串口连接，用于接收微处理器模块的信号处理结果，以及实现与远程设备之间的通讯，包括通过2G网络和短信两种模式。所述电池模块为可充电大容量锂电池。

具体地，所述微电阻测量模块包括微电阻传感器模块、测量触头和测量线缆，所述微电阻传感器模块包括DC电源、精密电阻和ADC驱动电路，所述DC电源用于将电池模块的电压进行转换后为微电阻传感器模块供电，所述精密电阻用于提供电阻值供测量用，所述ADC驱动电路用于将精密电阻和贴片薄膜电极两端的电压信号转化为单端模拟信号输入至微处理器模块。所述微电阻测量模块结合微处理器模块即可以测得微欧精度的电阻值。所述测量触头采用贴片薄膜电极，粘贴固定在三相支路电缆接头。所述精密电阻为低温漂精度0.01％的贴片电阻，集成在所述微电阻传感器模块的PCB电路板上。所述ADC驱动电路由滤波器、运算放大器和差分放大器组成。

具体地，所述客户端设备包括手机、PC机、工业计算机、智能电子设备。在实际应用中，为便于工作人员使用，采用手机作为客户端设备，使得工作人员能够通过手机APP的形式在线实时查看所述故障监测装置发送的监测数据，并接收出现发热故障时由故障监测装置发送的告警短信。

本发明还提供一种开关柜电缆室发热故障监测方法，该方法基于所述的监测系统来实现，包括：

S1，故障监测装置利用微电阻测量模块监测三相支路的接触电阻，利用微处理器模块处理后得到三相支路接触电阻的实时电阻值；

S2，所述故障监测装置利用数字温度传感器模块监测开关柜电缆室的工作温度，利用微处理器模块根据电缆室的工作温度对得到的三相支路接触电阻的实时电阻值进行温度补偿；

S3，所述故障监测装置通过通讯模块发送电缆室实时监测数据至云端服务器，并判断电缆室是否存在发热故障；

S4，客户端设备通过访问所述云端服务器获取电缆室实时监测数据。

进一步地，当判断存在发热故障时，通过通讯模块直接向客户端设备发送告警信息，所述告警信息包括存在发热故障的具体支路。

作为一种实施方式，如图2、图3所示，以某10kV开关柜电缆室安装实施为例，提供一种开关柜电缆室发热故障监测系统，包括通讯连接的故障监测装置、云端服务器和客户端设备，所述故障监测装置的装置壳体可固定安装在开关柜电缆室壁面上，所述故障监测装置设有微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、GSM通讯模块和锂电池模块。微电阻测量模块通过测量线缆和测量触头监测三相支路电缆接头的接触电阻，测量触头采用贴片薄膜电极，粘贴固定在三相支路电缆接头。数字温度传感器模块的探头置于故障监测装置壳体外部，用于监测电缆室的工作温度。微处理器模块包括32位高速DSP芯片及DC-DC电源转换模块。客户端设备采用手机。所述故障监测装置监测到的开关柜电缆室的工作温度及三相支路的接触电阻通过GSM通讯模块发送至云端服务器，工作人员通过手机访问云端服务器来随时查看电缆室的运行情况。所述故障监测装置在监测到发热故障时，通过GSM通讯模块将发热故障所在的具体支路直接发送到工作人员的手机上，便于及时排除故障，避免安全隐患。

图4为本发明的微电阻测量原理图，如图4所示，微电阻测量模块由DC电源、精密电阻、ADC驱动电路及线缆、贴片薄膜电极组成。其中DC电源的供电电压由锂电池模块提供，经内部逆变稳压得到稳定的直流电压够测量回路使用；精密电阻为低温漂精度0.01％的贴片电阻，集成在微电阻测量模块的PCB电路板上；ADC驱动电路由滤波器、运算放大器和差分放大器组成，能够将精密电阻两端、测量电极两端的电压信号转化为单端模拟信号输入至微处理器模块。

进一步，如图4的线缆及电极接线所示，本发明的微电阻测量模块采用开尔文四线检测电阻的方法，测量线缆由两根彼此绝缘的漆包线组成，漆包线两头分别焊接在贴片薄膜电极两侧，贴片薄膜电极中间为绝缘隔离橡胶，使贴片薄膜电极两部分之间无电流通过，从而保证测量精度；精密电阻两端的电压值经ADC转换被微处理器模块的高速DSP芯片所读取，测得电压除以精密电阻的电阻值即是流过被测部位的电流值I_x；通过公共端与电缆接头端的贴片薄膜电极得到被测部位两端电压信号U_x，通过ADC驱动电路传输至微处理器模块，读取被测部位电压；将被测部位电压除以电流即得到被测部位的电阻值大小R_x。

在具体实施中，电缆的通流发热以及大气环境的正常温度变化会使电缆室工作温度发生改变，从而影响图3中被测部位金属的电阻值，使其无法准确反应接触电阻的实际变化，因此本发明在微处理器模块内置单片机程序中加入了温度补偿计算：

式中R_x为温度补偿换算前的电阻值；R₂₀为温度补偿换算后的电阻值；T为数字温度传感器测得的电缆室工作温度；k为温度系数，取0.004。对监测到的电阻值进行温度补偿，能够得到更精确的实时电阻值，从而更准确的反映接触电阻的阻值变化，实现对开关柜电缆室内运行状况的有效监控。

如图5所示，本发明提供一种开关柜电缆室发热故障监测方法。在本实施例中，该方法包括以下步骤：

S1，数字温度传感器模块和微电阻传感器模块分别将监测到的工作温度信号和微电阻传感信号发送至微处理器模块；

S2，微处理器模块进行信号读取和处理后，同时进行S3和S4的处理；

S3，微处理器模块将处理后的传感器参数发送至GSM通讯模块，再由GSM通讯模块发送至云端服务器；

S4，微处理器模块对对处理后的传感器参数进行参数分析，判断是否存在工作环境异常和/或接触电阻异常，如果存在，则直接通过GSM通讯模块发送报警信息至工作人员手机；如果不存在，则返回S2；

S5，工作人员通过手机APP访问云端服务器，查看开关柜电缆室运行情况。

本发明通过实时监测开关柜电缆室工作温度，以及三相支路的接触电阻，从而判断整体工作环境是否发生异常，并判断电缆室是否存在发热故障；监测结果可以实时发送至云端服务器，工作人员可以通过手机APP随时检查电缆室运行情况；当装置监测出发热故障时，可以立即向工作人员手机发送短信告知存在发热故障的具体支路，从而可以及时现场排查，避免安全隐患的发生。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，包括通讯连接的故障监测装置、云端服务器和客户端设备，所述故障监测装置的实时监测结果发送至云端服务器，所述客户端设备通过访问云端服务器获取实时监测结果，其中：所述故障监测装置包括装置壳体和设置在壳体内的微电阻测量模块、数字温度传感器模块、微处理器模块、通讯模块和电池模块，所述微电阻测量模块、数字温度传感器模块、通讯模块和电池模块分别与微处理器模块连接，所述微电阻测量模块与三相支路电缆接头连接，所述数字温度传感器模块的探头设置在装置壳体外部。

2.根据权利要求1所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述微电阻测量模块包括微电阻传感器模块、测量触头和测量线缆，所述微电阻传感器模块包括DC电源、精密电阻和ADC驱动电路，所述DC电源用于将电池模块的电压进行转换后为微电阻传感器模块供电，所述精密电阻用于提供电阻值供测量用，所述ADC驱动电路用于将精密电阻和贴片薄膜电极两端的电压信号转化为单端模拟信号输入至微处理器模块。

3.根据权利要求2所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述测量触头采用贴片薄膜电极，粘贴固定在三相支路电缆接头。

4.根据权利要求2所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述精密电阻为低温漂精度0.01％的贴片电阻，集成在所述微电阻传感器模块的PCB电路板上。

5.根据权利要求2所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述ADC驱动电路由滤波器、运算放大器和差分放大器组成。

6.根据权利要求1所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述微处理器模块内置的计算机程序包括用于温度补偿的计算机程序。

7.根据权利要求1所述的一种开关柜电缆室发热故障监测系统，其特征在于，所述客户端设备包括手机、PC机、工业计算机、智能电子设备。

8.一种开关柜电缆室发热故障监测方法，基于权利要求1至7中任一项所述的监测系统来实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1，故障监测装置利用微电阻测量模块监测三相支路的接触电阻，利用微处理器模块处理后得到三相支路接触电阻的实时电阻值；

S2，所述故障监测装置利用数字温度传感器模块监测开关柜电缆室的工作温度，利用微处理器模块根据电缆室的工作温度对得到的三相支路接触电阻的实时电阻值进行温度补偿；

S3，所述故障监测装置通过通讯模块发送电缆室实时监测数据至云端服务器，并判断电缆室是否存在发热故障；

S4，客户端设备通过访问所述云端服务器获取电缆室实时监测数据。

9.根据权利要求8所述的一种开关柜电缆室发热故障监测方法，其特征在于，S3进一步包括以下步骤：当判断存在发热故障时，通过通讯模块直接向客户端设备发送告警信息，所述告警信息包括存在发热故障的具体支路。