CN113532684A - 电力系统电缆温控监测装置及方法 - Google Patents

电力系统电缆温控监测装置及方法 Download PDF

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朱荣健
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Abstract

本发明涉及电缆温控监测技术领域，具体涉及一种电力系统电缆温控监测装置及方法。该电力系统电缆温控监测装置包括测温系统，测温系统连接有单片机，单片机通过通讯系统连接有上位机；测温系统包括弧光检测单元及光纤测温单元；弧光检测单元包括弧光监测探头，弧光检测探头连接弧光调节模块，弧光检测单元用于对被检测设备热点位置的打火弧光现象进行检测；光纤测温单元包括光纤温度传感器，光纤温度传感器连接有处理模块，光纤测温单元用于对被检测设备热点位置的温升变化进行检测；弧光监测探头及光纤温度传感器安装在待检测设备处。提供一种有效对电力系统电缆进行温度监测，提高监测准确性的电力系统电缆温控监测装置及方法。

Description

电力系统电缆温控监测装置及方法
技术领域
本发明涉及电缆温控监测技术领域，具体涉及一种电力系统电缆温控监测装置及方法。
背景技术
电缆是传输电能的导体，当电压不稳，或电路故障的时候，电缆的温度会逐渐升高，甚至发生燃烧现象，其中如开关触头、母排、电缆头连接螺母等部位的局部温升和冒火现象尤为明显。当在需要大电流的通断瞬间的应用场合，存在瞬间放电现象，情况更为严重。由于瞬间放电，会同时感应出强大磁场，干扰了附近的带电设备运行，供电电源含有尖峰脉冲。同时感应产生洛伦磁力，使得金属柜体，以及开关连接部分瞬间受力，产生剧烈冲击性振动，导致螺栓松动和接触不良。下次通电的时候，该处将产生接触电阻，并逐渐变大，容易打火、拉弧，使设备出现故障。因此如何有效的进行电力系统的电缆温控成为行业难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种有效对电力系统电缆进行温度监测，提高监测准确性的电力系统电缆温控监测装置及方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：电力系统电缆温控监测装置，包括测温系统，所述测温系统连接有单片机，所述单片机通过通讯系统连接有上位机；
所述测温系统包括弧光检测单元及光纤测温单元；
所述弧光检测单元包括弧光监测探头，所述弧光检测探头连接弧光调节模块，弧光检测单元用于对被检测设备热点位置的打火弧光现象进行检测；
所述光纤测温单元包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器连接有处理模块，所述光纤测温单元用于对被检测设备热点位置的温升变化进行检测；
所述弧光监测探头及光纤温度传感器安装在待检测设备处。
所述上位机，用于接收测量信息进行后台界面实时监测；
通过上位机可对弧光测量通道的灵敏度进行设置、实现报警复位以及弧光累积次数的清除功能。电力系统电缆温控监测装置实时将监测信号远传后台上位机，通过后台界面监测，可以快速定位到该隐患点，及时处理问题，保证系统可靠运行。
通过弧光检测单元及光纤测温单元检测采集信息发送至上位机，实现对局部热点温升和打火弧光在线实时监测。
所述弧光监测探头，安装于所需监测位置，用于获取弧光信号并将弧光信号传输给弧光解调模块；
弧光解调模块包括依次顺序连接的光电转换器、低通滤波器及RL下拉电阻，所述光电转换器连接弧光监测探头，所述RL下拉电阻连接单片机。所述光电转换器用于接收弧光监测探头传输的弧光信号并转换为电压脉冲信号；所述低通滤波器用于对电压脉冲信号进行滤波操作；所述RL下拉电阻用于避免安装调试等情况下，弧光解调模块拔出时造成通道悬空。
所述光纤测温单元包括激励光信号模块、光传输耦合模块、光纤温度传感器及温度信号处理模块。
所述激励光信号模块包括可控硅SCR，所述可控硅SCR连接有脉冲变压器TR，所述脉冲变压器TR连接有灯管LAMP1，所述灯管LAMP1连接有电容C2。
在触发阶段工作，在可控硅SCR的触发极设置触发信号，电容C2通过可控硅SCR和脉冲变压器TR放电，在脉冲变压器TR的次级获得高压脉冲，触发灯管LAMP1产生脉冲激励光源；在放电阶段，由于施加的高压脉冲使得灯管LAMP1内的电阻急速减少，电容C1中储存的电量在短时间内通过脉冲灯放出，产生强烈的闪光。
激励光信号模块用于驱动电路使激励光源发出周期性的脉冲激励光；
所述光传输耦合模块包括光纤同一端设置的两个透镜，两个透镜之间设置有隔离器。光传输耦合模块采用双透镜耦合方式，透镜耦合可以是单透镜也可以是多透镜。当使用单透镜时，脉冲激励光到光纤端面的距离由透镜前后两面的半径决定。在使用多透镜的情况下，光束通过第一个透镜变成平行光，然后通过第二个透镜聚焦连接至光纤。所述光传输耦合模块，用于将脉冲激励光耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料。
光纤温度传感器，用于发出荧光由光纤传回并将荧光信号传输至转换处理模块；
转换处理模块包括连接光纤温度传感器的运算放大器，所述运算放大器连接有数模转换器，所述数模转换器连接单片机。光纤温度传感器可选用佰为深科技的Fiber S300/400/500的系列产品，数模转换器采用ADC0809芯片。光纤温度传感器的信号经运算放大器LM2904后，经由六反相驱动器进入模数转换芯片ADC0809转换处理后发送至单片机进行后续操作。
对于ADC0809的工作过程需要进行四个步骤：
第一，将此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器，具体操作为输入3位地址，使ALE＝1，将地址存入地址锁存器中。
第二，使ST上升沿逐次逼近寄存器复位，可通过下降沿启动A/D转换，使EOC输出信号变低，指示发生转换来完成这一任务。
第三，信号用作中断申请，对将模拟信号转化出的数字信号进行输出,这是由于A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器。
第四，转换结果的数字量输出到数据总线上，这是当OE输入高电平时，输出三态门打开产生的效果。
温度信号处理模块，用于依据温度和荧光寿命的关系得出温度信息，再加以存储或者输出。温度信号处理模块按照荧光寿命和温度的关系查表数值，进行温度信息的储存和输出。
所述通讯系统包括远程通讯光纤，远程通讯光纤通过RS485接口连接上位机。
本实施例中，上位机采用研华IPC-940/AIMB-501G2/I5-2400/4G/500G/DVD/键鼠型工控机；弧光探头ARB5-S；激励光源：波长335um紫外光；温度传感探头：荧光测温探头；光电转换器：FSJ-R420-3-S01M；低通滤波器：R＝180Ω，C＝0.47μF；RL下拉电阻：RL＝5.6kΩ；光电探测器：PDV-X0XG1T5AR系列。
一种电力系统电缆温控监测方法，其以下步骤：
信息采集：通过弧光监测探头及光纤温度传感器采集待监测设备的相关信息，采集信息发送至单片机；
温度检测：单片机接收光纤温度传感器采集的带有温度信息的荧光信号，通过信息处理转换为温度信息后存储；
弧光监测：单片机接收弧光监测探头采集的弧光信息，通过信息处理获取弧光监测结果，对弧光报警次数进行累计，并存储累加值。
步骤温度检测中包括以下子步骤：
21：通过激励光信号模块发出周期性的脉冲激励光，光传输耦合模块将光耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料；
22：光纤温度传感器接收荧光材料受激励后发出的荧光，通过滤光片滤光取出所需波长的荧光信号，荧光信号进入转换处理模块进行光电转换，转为电流信号；
23：电流信号经过信号处理后，单片机采样输入信号，依据温度和荧光寿命的关系得出温度信息，再加以存储或者输出。
电流信号的信号处理为滤波处理，使得转换后的电流信号为纯直流成分，该处理为现有技术，不再过多赘述；温度和荧光寿命的关系为：It＝I0e-k(T)t,其中I0是荧光停止激发时的最大荧光强度，It是时间t时刻的荧光强度，k(T)是与温度有关的荧光余辉衰减常数，不同材质对应的衰减率不同。假设在时间δ时刻，检测获得的Iδ为I0的1/e，则δ即为定义的荧光寿命，此时k(T)＝1/δ。
步骤弧光监测中，包括以下子步骤：
31：弧光监测探头将弧光信号通过传导光纤传输给光电转换器，光电转换器接收弧光监测探头传输的弧光信号后将弧光信号转换为电压冲脉信号；所述光电转换器用于接收弧光监测探头传输的弧光信号并转换为电压脉冲信号；所述低通滤波器用于对电压脉冲信号进行滤波操作；所述RL下拉电阻用于避免安装调试等情况下，弧光解调模块拔出时造成通道悬空。
32：电压脉冲信号通过低通滤波器滤波后输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明同时采用温度检测和弧光监测两种测温方式，提高了温控的可靠性和泛用性。
2.弧光检测和温度测量均采用光电检测技术，电气完全隔离，抗干扰能力强。适用于瞬时的强磁场等干扰的应用场合。
3.采用光纤通讯方式，提高系统的抗干扰能力，适用于瞬时的强磁场等干扰的应用场合。
附图说明
图1是本发明光纤测温系统原理简图。
图2是本发明弧光检测系统原理简图。
图3是本发明上位机通讯示意简图。
图4是本发明激励光信号模块电路图。
图5是本发明光传输耦合模块示意图。
图6是本发明转换处理模块电路图。
图7是本发明荧光寿命与温度的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
实施例1
参见图1至图7，电力系统电缆温控监测装置，包括测温系统，测温系统连接有单片机，单片机通过通讯系统连接有上位机；
测温系统包括弧光检测单元及光纤测温单元；
弧光检测单元包括弧光监测探头，弧光检测探头连接弧光调节模块，弧光检测单元用于对被检测设备热点位置的打火弧光现象进行检测；
光纤测温单元包括光纤温度传感器，光纤温度传感器连接有处理模块，光纤测温单元用于对被检测设备热点位置的温升变化进行检测；
弧光监测探头及光纤温度传感器安装在待检测设备处。
上位机，用于接收测量信息进行后台界面实时监测；
通过上位机可对弧光测量通道的灵敏度进行设置、实现报警复位以及弧光累积次数的清除功能。电力系统电缆温控监测装置实时将监测信号远传后台上位机，通过后台界面监测，可以快速定位到该隐患点，及时处理问题，保证系统可靠运行。
通过弧光检测单元及光纤测温单元检测采集信息发送至上位机，实现对局部热点温升和打火弧光在线实时监测。
弧光监测探头，安装于所需监测位置，用于获取弧光信号并将弧光信号传输给弧光解调模块；
弧光解调模块包括依次顺序连接的光电转换器、低通滤波器及RL下拉电阻，光电转换器连接弧光监测探头，RL下拉电阻连接单片机。光电转换器用于接收弧光监测探头传输的弧光信号并转换为电压脉冲信号；低通滤波器用于对电压脉冲信号进行滤波操作；RL下拉电阻用于避免安装调试等情况下，弧光解调模块拔出时造成通道悬空。
光纤测温单元包括激励光信号模块、光传输耦合模块、光纤温度传感器及温度信号处理模块。
参见图4，激励光信号模块包括可控硅SCR，可控硅SCR连接有脉冲变压器TR，脉冲变压器TR连接有灯管LAMP1，灯管LAMP1连接有电容C2。
在触发阶段工作，在可控硅SCR的触发极设置触发信号，电容C2通过可控硅SCR和脉冲变压器TR放电，在脉冲变压器TR的次级获得高压脉冲，触发灯管LAMP1产生脉冲激励光源；在放电阶段，由于施加的高压脉冲使得灯管LAMP1内的电阻急速减少，电容C1中储存的电量在短时间内通过脉冲灯放出，产生强烈的闪光。
激励光信号模块用于驱动电路使激励光源发出周期性的脉冲激励光；
参见图5，光传输耦合模块包括光纤同一端设置的两个透镜，两个透镜之间设置有隔离器。光传输耦合模块采用双透镜耦合方式，透镜耦合可以是单透镜也可以是多透镜。当使用单透镜时，脉冲激励光到光纤端面的距离由透镜前后两面的半径决定。在使用多透镜的情况下，光束通过第一个透镜变成平行光，然后通过第二个透镜聚焦连接至光纤。光传输耦合模块，用于将脉冲激励光耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料。
光纤温度传感器，用于发出荧光由光纤传回并将荧光信号传输至转换处理模块；
参见图6，转换处理模块包括连接光纤温度传感器的运算放大器，运算放大器连接有数模转换器，数模转换器连接单片机。光纤温度传感器可选用佰为深科技的Fiber S300/400/500的系列产品，数模转换器采用ADC0809芯片。光纤温度传感器的信号经运算放大器LM2904后，经由六反相驱动器进入模数转换芯片ADC0809转换处理后发送至单片机进行后续操作。
对于ADC0809的工作过程需要进行四个步骤：
第一，将此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器，具体操作为输入3位地址，使ALE＝1，将地址存入地址锁存器中。
第二，使ST上升沿逐次逼近寄存器复位，可通过下降沿启动A/D转换，使EOC输出信号变低，指示发生转换来完成这一任务。
第三，信号用作中断申请，对将模拟信号转化出的数字信号进行输出,这是由于A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器。
第四，转换结果的数字量输出到数据总线上，这是当OE输入高电平时，输出三态门打开产生的效果。
温度信号处理模块，用于依据温度和荧光寿命的关系得出温度信息，再加以存储或者输出。温度信号处理模块按照荧光寿命和温度的关系查表数值，进行温度信息的储存和输出。
通讯系统包括远程通讯光纤，远程通讯光纤通过RS485接口连接上位机。通过远程光纤进行信息传送，将测量信息传至上位机。
本实施例中，上位机采用研华IPC-940/AIMB-501G2/I5-2400/4G/500G/DVD/键鼠型工控机；弧光探头ARB5-S；激励光源：波长335um紫外光；温度传感探头：荧光测温探头；光电转换器：FSJ-R420-3-S01M；低通滤波器：R＝180Ω，C＝0.47μF；RL下拉电阻：RL＝5.6kΩ；光电探测器：PDV-X0XG1T5AR系列。
实施例2
一种电力系统电缆温控监测方法，其以下步骤：
信息采集：通过弧光监测探头及光纤温度传感器采集待监测设备的相关信息，采集信息发送至单片机；
温度检测：单片机接收光纤温度传感器采集的带有温度信息的荧光信号，通过信息光、电、数字的处理转换为温度信息后存储；
步骤温度检测中包括以下子步骤：
21：通过激励光信号模块发出周期性的脉冲激励光，光传输耦合模块将光耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料；
22：光纤温度传感器接收荧光材料受激励后发出的荧光，通过滤光片滤光取出所需波长的荧光信号，荧光信号进入转换处理模块进行光电转换，转为电流信号；
23：电流信号经过信号处理后，单片机采样输入信号，依据温度和荧光寿命的关系得出温度信息，再加以存储或者输出。
电流信号的信号处理为滤波处理，使得转换后的电流信号为纯直流成分，该处理为现有技术，不再过多赘述；温度和荧光寿命的关系为：It＝I0e-k(T)t,其中I0是荧光停止激发时的最大荧光强度，It是时间t时刻的荧光强度，k(T)是与温度有关的荧光余辉衰减常数，不同材质对应的衰减率不同。假设在时间δ时刻，检测获得的Iδ为I0的1/e，则δ即为定义的荧光寿命，此时k(T)＝1/δ。图7为某种荧光寿命与温度的关系曲线，曲线的曲率即为k(T)。
弧光监测：单片机接收弧光监测探头采集的弧光信息，通过光、电、数字的信息处理获取弧光监测结果，对弧光报警次数进行累计，并存储累加值。
步骤弧光监测中，包括以下子步骤：
31：弧光监测探头将弧光信号通过传导光纤传输给光电转换器，光电转换器接收弧光监测探头传输的弧光信号后将弧光信号转换为电压冲脉信号；光电转换器用于接收弧光监测探头传输的弧光信号并转换为电压脉冲信号；低通滤波器用于对电压脉冲信号进行滤波操作；RL下拉电阻用于避免安装调试等情况下，弧光解调模块拔出时造成通道悬空。由于弧光信号机器及其短暂，仅是ms或μs级宽度，为保证后续电路检测可靠，转换后电压脉冲信号可以保持0.8s的宽度。
32：电压脉冲信号通过低通滤波器滤波后输出。

Claims (10)

1.一种电力系统电缆温控监测装置，其特征在于，包括测温系统，所述测温系统连接有单片机，所述单片机通过通讯系统连接有上位机；
所述测温系统包括弧光检测单元及光纤测温单元；
所述弧光检测单元包括弧光监测探头，所述弧光检测探头连接弧光调节模块，弧光检测单元用于对被检测设备热点位置的打火弧光现象进行检测；
所述光纤测温单元包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器连接有处理模块，所述光纤测温单元用于对被检测设备热点位置的温升变化进行检测；
所述弧光监测探头及光纤温度传感器安装在待检测设备处。
2.根据权利要求1所述的电力系统电缆温控监测装置，其特征在于，所述弧光监测探头用于获取弧光信号并将弧光信号传输给弧光解调模块；
弧光解调模块包括依次顺序连接的光电转换器、低通滤波器及RL下拉电阻，所述光电转换器连接弧光监测探头，所述RL下拉电阻连接单片机。
3.根据权利要求1所述的电力系统电缆温控监测装置及方法，其特征在于，所述光纤测温单元包括激励光信号模块、光传输耦合模块、光纤温度传感器及温度信号处理模块。
4.根据权利要求3所述的电力系统电缆温控监测装置及方法，其特征在于，所述激励光信号模块包括可控硅SCR，所述可控硅SCR连接有脉冲变压器TR，所述脉冲变压器TR连接有灯管LAMP1，所述灯管LAMP1连接有电容C2。
5.根据权利要求3所述的电力系统电缆温控监测装置及方法，其特征在于，所述光传输耦合模块包括光纤同一端设置的两个透镜，两个透镜之间设置有隔离器。
6.根据权利要求3所述的电力系统电缆温控监测装置及方法，其特征在于，
光纤温度传感器，用于发出荧光由光纤传回并将荧光信号传输至转换处理模块；
转换处理模块包括连接光纤温度传感器的运算放大器，所述运算放大器连接有数模转换器，所述数模转换器连接单片机。
7.根据权利要求1所述的电力系统电缆温控监测装置及方法，其特征在于，所述通讯系统包括远程通讯光纤，远程通讯光纤通过RS485接口连接上位机。
8.一种电力系统电缆温控监测方法，其特征在于，其以下步骤：
信息采集：通过弧光监测探头及光纤温度传感器采集待监测设备的相关信息，采集信息发送至单片机；
温度检测：单片机接收光纤温度传感器采集的带有温度信息的荧光信号，通过信息处理转换为温度信息后存储；
弧光监测：单片机接收弧光监测探头采集的弧光信息，通过信息处理获取弧光监测结果，对弧光报警次数进行累计，并存储累加值。
9.根据权利要求8所述的电力系统电缆温控监测方法，其特征在于，步骤温度检测中包括以下子步骤：
21：通过激励光信号模块发出周期性的脉冲激励光，光传输耦合模块将光耦合进光纤后传输到传感头激励荧光材料；
22：光纤温度传感器接收荧光材料受激励后发出的荧光，通过滤光片滤光取出所需波长的荧光信号，荧光信号进入转换处理模块进行光电转换，转为电流信号；
23：电流信号经过信号处理后，单片机采样输入信号，依据温度和荧光寿命的关系得出温度信息，再加以存储或者输出。
10.根据权利要求9所述的电力系统电缆温控监测方法，其特征在于，步骤弧光监测中，包括以下子步骤：
31：弧光监测探头将弧光信号通过传导光纤传输给光电转换器，光电转换器接收弧光监测探头传输的弧光信号后将弧光信号转换为电压冲脉信号；
32：电压脉冲信号通过低通滤波器滤波后输出。
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