CN212751897U - 一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置。包括热像仪（1），所述热像仪（1）用于接收母线室中视场角范围内物体的红外能量；还包括处理系统以及冷却系统，所述处理系统用于接收所述热像仪（1）所形成的数据，继而通过处理系统控制所述冷却系统采用可变模式进行对母线室的散热。本实用新型具备风险检测全面化，精确化，母排散热智能化的优点，能够实现智能检测、智能降温，智能物联。

Description

一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置，属于电气设备技术领域。

背景技术

金属铠装中置移开式开关设备（以下简称中置柜），是一种高压配电装置，广泛运用于电力系统二次变电所的送配电和各种企事业单位配电工作中，其中，母排位于中置柜的母线室内，担负着传输电能的职责。通常，中置柜适用于35KV及以下电压等级的电阻接地、消弧线圈接地等系统中，以10KV的中置柜为例，在高负荷电力系统中，其最大工作电流可达4000A，此时母排会产生较大的温升，按照相关行业技术规范和标准，母排在工作中的允许温度值不应超过70℃，而实际工作温度往往大于70℃。母排发热原因是由较多复杂因素导致的，母排与整个输电线路中其他的电气元件相比，瞬时性故障发生率虽然较小，但其发热故障的原因并不具有偶然性，而是一个循序渐进的过程。例如母排的接触部位常常会因螺栓松动、接触不良、老化等原因使得接触电阻变大而产生过热，也会因故障点或者电流异常而过热，再如，在日常检修工作中也容易忽视对母线室内灰尘和蛛网的清扫，长此以往，将导致绝缘能力降低，当母排处于不良的工作环境中或者母排本身品质就不达标的前提下，其温度变化率就会陡增，又例如，柜体本身防护等级因素也会约束母线室的散热效率，并且在我国南方夏季，当室外温度超过40℃时，加上母线室散热方式单一，母排本身的散热问题就更加严峻，上述诸多因素都将造成母排发热异常，当母排长时间处于过热状态时，载流量就会降低，就容易导致开关柜故障，严重时会引发火灾，引起电力事故，对整个电力系统造成较大的损失。目前针对上述隐患的解决方案，也存在诸多问题，一方面，母线室风险隐患的检测不够全面，不够及时，仍然存在滞后性，这体现在设备仪器本身只能得到纯粹的温度数据而无法得到问题的原因，只得表不得其里，看似简单的发热表象，其发热原因却是多种多样的，其中不乏一些隐蔽性强的风险隐患，比如上述的螺栓松动、品质不达标等等，有时候尽管可以通过人工巡检的方式间接的发现问题，但由于母线室的结构布置特殊，其本身空间小且存在高压裸露导体，所以人工巡检存在诸多不便，进而会影响到检测效果。另一方面，对于母线室的散热，仅靠自然通风或者单一的风冷手段是无法满足散热要求的，而且目前散热风机的转速恒定，单位时间内空气流过发热物体的速率也恒定，这根本无法满足处于高温环境中母排的散热需求。

实用新型内容

本实用新型针对上述缺陷，目的在于提供提供一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断和保障系统，该系统具备风险检测全面化，精确化，母排散热智能化的优点，能够实现智能检测、智能降温，智能物联。

为此本实用新型采用的技术方案是：一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断和保障系统,包括热像仪（1），所述热像仪（1）用于接收母线室中视场角范围内物体的红外能量；

还包括处理系统以及冷却系统，所述处理系统用于接收所述热像仪（1）所形成的数据，继而通过处理系统控制所述冷却系统采用可变模式进行对母线室的散热。

进一步的，还设置有用于安装所述热像仪（1）的云台（14），所述云台（14）的结构满足所述热像仪（1）实现相关自由度的运动，使所述热像仪（1）实现对母线室大范围的监测。

进一步的，在所述母线室内壁设置有用于吸收母线室内反射辐射的反射辐射板（20）。

进一步的，所述冷却系统包括风冷系统和水冷系统，所述风冷系统和水冷系统由所述处理系统控制按照一定逻辑关系实现运转。

进一步的，所述水冷系统包括水泵（13），所述水泵（13）通过导管（26）将冷却液输送至水冷部件（11）中；

所述水冷部件（11）包括有若干水冷管（23），所述水冷部件（11）的一端分别固定在三相母排（9）的表面，所述水冷部件的另一端分别通过绝缘子（21）固定在母线室后板（25）

进一步的，所述处理系统包括NB-loT处理器（2）、触发器a（3）、可控整流装置a（4）、触发器b（5）、可控整流装置b（6）、RS485集线器（7）；

所述处理器（2）固定于中置柜的仪表门（17）内侧，用于接收、处理和传输来自于热像仪（1）探测的图像信息、数据以及应用层用户端发出的控制冷却系统的指令信息；所述RS485集线器（7）固定于中置柜仪表室的安装板（16），用于热像仪（1）和处理器（2）之间进行数据传输。

进一步的，还设置有湿度传感器（18），所述湿度传感器（18）固定在母线室隔板（19）上，所述湿度传感器（18）用于获取空气中的湿度信号并将其传输至处理系统中进行处理。

一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断和保障系统的工作过程，按照以下步骤进行：

1）在处理器（2）中设定母排（9）的标准温度和标准温差，通过处理器（2）采集热像仪（1）中的母排（9）温度数据，经过运算处理后得到温度偏差数据，通过触发器a（3）和触发器b（5）分别配合可控整流装置a（4）和可控整流装置b（6）来移动触发脉冲的相位，进而改变轴流风机（8）和水泵（13）的转速，使得轴流风机（8）和水泵（13）的转速随着母排（9）的温度的变化而变化。

进一步的，首先设置处理器（2）中母排（9）的温度标准值To和温差标准值△To，上述热像仪（1）中生成的图像数据通过处理器（2）中的基带电路模块过滤掉母线室中的石墨板、绝缘子的数据，调制出母排（9）的温度数据T，再经过运算模块进行比较计算，按照以下逻辑进行控制；

1）若△T＞0，则将ΔT温差信号转化为电压信号Ua，传输给外部的触发器a（3）配合可控整流装置a（4），移动触发脉冲的相位启动轴流风机（8）；

2）若△T＞△To，则此时会将△T同时转化为电压信号Ub，传输给外部的触发器b（5）配合可控整流装置b（6），移动触发脉冲的相位启动水泵（13），即当母排（9）的温度T＞To时，触发风冷散热；

3）当母排（9）的温度T＞To+△To时，同时触发风冷散热和水冷散热；

4）当To＜T＜To+△To，暂停水冷散热；

5）当T＜To时，散热系统均暂停。

本实用新型的优点是：1、本系统基于物联网技术，实现了将中置柜母线室的工作环境监测以及散热保障功能和用户实现了沟通互联，将影响中置柜运行因素的监测和响应水平提高了一个新高度；

2、作为物联网的感知层，本系统采用的是微型热像仪，而非简单的温度传感器或测温仪，由于所有高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射，其采用的正是红外热像原理，因此其探测能力强，能够适应母线室内光线暗弱的工作环境，并且能够做到全天24小时监测，相比红外测温仪只能显示铜排表面某一点或某一个小型化区域的温度来说，微型热像仪探测到的并非简单的温度数值，而是可以同时测量铜排表面各点的温度情况，直观地显示铜排表面的温度场，并以图像形式显示出来，红外图像中的不同颜色反映出了母排表面温度的高低，可以通过对母排表面温度及温度场的分布状况便可判断母排是否存在缺陷或者隐患，同时母线室中的反射辐射和母线室产生的凝露对微型热像仪的监测带来极大的干扰，通过采用石墨板和湿度传感器，有效降低了微型热像仪的测量误差；

3、本系统采用了风冷和水冷双系统自动变速的散热方式，散热效率不仅更高，而且可以适应不同地区不同气候的配电系统，无论在何种气候模式下，只需通过基于NB-loT处理器设定好标准温度，即可实现随着温度的变化，轴流风机和水泵按顺序启停的工作效果，同时本系统通过触发器配合可控整流装置来移动触发脉冲相位，从而改变轴流风机和水泵的电机转速，使得轴流风机和水泵电机的转速随着母排的温度的变化而变化，温度越高，转速越快，母线室的空气循环速度和水冷系统的冷却液循环速度也就越快，此种散热模式更加节能高效，而当前风冷散热的风机转速是恒定不变的，其效果不甚理想；

4、由于母线室中的反射辐射对微型热像仪的监测存在极大的干扰，同时空气中水蒸气的吸收作用，红外辐射能量在传播过程会产生损耗，母线室产生的凝露会对微型热像仪的测量精度产生极大的影响，必然也会影响到母排反馈的温度数据，进而会干扰到散热系统的运转。因此通过使用湿度传感器和石墨板，不仅能够生成更为精准的图像数据，同时也能使监测到的母排反馈数据尽可能地接近母排本身的温度，从而使散热系统的运转效率更为精准、高效和节能。

5、本系统包含了母线室风险诊断系统和保障系统，两者的操作均可由基于NB-loT处理器实现与用户沟通互联，避免了人工巡检存在的诸多不便。

附图说明

图1为本实用新型的装置示意图1，“→”表示冷却液流动方向。

图2为本实用新型的母线室三维示意图。

图3为本实用新型柜体正视图。

图4为柜体三维图。

图5为本实用新型的控制原理示意图。

图6为系统流程示意图。

图7为轴流风机和水泵控制流程图。

图1和图2中，1为微型热像仪，2为基于NB-loT处理器，3为触发器a，4为可控整流装置a，5为触发器b，6为可控整流装置b，7为RS485集线器，8为轴流风机，9为母排，10为小母线，11为水冷部件，12为隔板孔，13为水泵，14为云台，15为母线室柜顶安装板，16为仪表室安装板，17为仪表门，18为湿度传感器，19为母线室隔板，20为石墨板，21为绝缘子，22为触头盒，23为水冷管，24为搭接排，25为母线室后板，26为导管，27为电缆孔。

具体实施方式

本系统属于中置柜二次控制回路，由微型热像仪1、基于NB-loT处理器2（以下简称处理器2）、触发器a3、可控整流装置a4、触发器b5、可控整流装置b6、RS485集线器7、轴流风机8、小母线10、水冷部件11、水泵13、云台14、湿度传感器18和石墨板20构成。上述的小母线10固定于中置柜仪表室上方柜顶外侧，用于对整个系统的供电。上述的云台14固定于母线室隔板19，由电机驱动，用于微型热像仪1进行上下范围内的摆动，微型热像仪1用于接收母线室中视场角范围内物体的红外辐射能量。由于所有高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射，其采用的是红外热像原理，探测能力强，能够适应母线室内光线暗弱的工作环境，并能够做到全天24小时监测，相比红外测温仪只能显示铜排表面某一点或某一个小型化区域的温度来说，微型热像仪1可以探测到母排9表面和其搭接的搭接排24表面各点的温度情况，搭接排24由触头盒22引出。由于铜排搭接部分和螺栓紧固件是发热故障的高发位置，所以其能够直观地显示铜排搭接部分及螺栓紧固件的温度场，并以图像形式显示出来。上述的处理器2，作为物联网数据终端，固定于中置柜的仪表门17内侧，用于接收、处理、传输来自于微型热像仪1探测的图像信息、数据和应用层用户端发出的控制轴流风机8和水泵13的指令信息。上述的RS485集线器7固定于中置柜仪表室的安装板16，用于微型热像仪1和处理器2之间进行数据传输的节点。上述的轴流风机8固定于中置柜母线室的柜顶安装板15，用于对母排9以及整个母线室的风冷散热。上述三块水冷部件11的一端分别固定于三相母排9的表面，另一端由三个绝缘子21分别固定于母线室后板25，水冷管23和水冷部件11为一个整体，其中A管内径＞B管内径＞C管内径＞D管内径。上述水泵13布置于柜外，它的供电导线由柜顶小母线10引出，再穿过电缆室的电缆孔27接入水泵13，水泵13将冷却液抽出后通过导管26，送入电缆室的水冷管23中，再由水冷管23穿过隔板孔12将冷却液送入水冷部件11中，从而实现水冷循环，水冷循环系统可以与轴流风机8相互配合地用于对铜排的散热。上述引用的风冷和水冷双系统的散热方式，散热效率不仅更高，而且可以适应不同地区不同气候的配电系统，无论在何种气候模式下，只需通过处理器2设定好标准温度，即可实现预期的散热效果。上述的触发器a3、触发器b5和可控整流装置a4、可控整流装置b6均固定于中置柜仪表室的安装板16，用于控制轴流风机8和水泵13的转速。微型热像仪1探测到的是一组很全面的数据，整个视场角范围内物体（包括母排9）的温度场均可被其探测。因为母线室中存在大量的反射辐射，根据基尔霍夫热力学定律，即物体的发射率、反射率和透射率满足如下公式：

α+ρ+τ=1，ε=α （Ⅰ）

α为发射率，ρ为反射率，τ为透射率，ε为吸收率，物体受到其他物体投射来辐射的辐射能量为Q，其中被本物体吸收的能量为Q_α，被本物体反射的能量为Q_ρ，被本物体透射的能量为Q_τ，α=Q_α/Q，ρ=Q_ρ/Q，τ=Q_τ/Q, 其中，非透明物体的透射率近似于零，而母线室由敷铝锌板构成，敷铝锌板的发射率大约为0.02～0.1，由（Ⅰ）可知，该材料的发射率和吸收率很低，而反射率很高，是普通钢板的两倍，不易吸收母线室环境中的反射辐射，这会对微型热像仪1的监测带来极大的干扰，为了让母排9的温度数据更为精准，通过在母线室的上下及四周均匀布置石墨板20，石墨的发射率大约为0.9，是一种吸收辐射的优良材料，其贴合于母线室的内壁，不仅可以用于吸收母线室环境中的反射辐射，有效降低对微型热像仪1的干扰，还可以充分结合敷铝锌板的导热性，将吸收的热辐射通过敷铝锌板传导至开关柜外部。由于大气环境的吸收作用，红外辐射能量在传播过程会因目标物和镜头之间的距离或者水蒸气而产生损耗，而母线室的空间有限且微型热像仪1本身就具备距离补偿能力，故距离因素对损耗的影响可忽略不计，但高压电气设备受凝露的影响很大，为了减少测量误差，微型热像仪1所处环境的大气相对湿度不应超过75%，因此通过设定湿度传感器18的标准值Ho，由湿度传感器18获取母线室中的湿度信号H，计算出补偿量信号△H后，传输至处理器2的运算模块中进行湿度补偿计算，以此获得的图像数据也更为精准。这组全面的图像数据可以直接由处理器2中的运算模块进行整形处理后，再经过射频电路模块发送至NB-loT基站（即网络层），再由基站传送至用户的应用层，用户即可借助相应的PC端应用程序、手机应用APP，通过温度场图像对母线室（包括母排9）的工作环境进行全方位诊断和风险评估。而对于轴流风机8和水泵13的控制则须母排9的反馈数据，如图5的控制流程图所示，首先需要用户设置处理器2中母排9的温度标准值To和温差标准值△To，上述微型热像仪1中生成的图像数据通过处理器2中的基带电路模块过滤掉母线室中的石墨板、绝缘子等物体的数据，调制出母排9的温度数据T，再经过运算模块进行比较计算，若△T＞0，则将ΔT（温差）信号转化为电压信号Ua，传输给外部的触发器a3配合可控整流装置a4，移动触发脉冲的相位启动轴流风机8；若△T＞△To，则此时会将△T同时转化为电压信号Ub，传输给外部的触发器b5配合可控整流装置b6，移动触发脉冲的相位启动水泵13，即当母排9的温度T＞To时，会触发风冷散热；当母排9的温度T＞To+△To时，会同时触发风冷散热和水冷散热；当To＜T＜To+△To，会暂停水冷散热；当T＜To时，散热系统均暂停。上述关系体现了在较低温度时，由轴流风机8进行散热，在较高温度时，由轴流风机8和水泵13共同散热的特征，同时轴流风机8的转速n1和水泵13的转速n2，分别满足下列两组公式：

，

（Ⅱ）

，

（Ⅲ）

其中，Ua和Ub分别表示轴流风机8和水泵13的电枢电压，Ia和Ib分别表示轴流风机8和水泵13的电枢电流，Ra和Rb分别表示轴流风机8和水泵13电枢回路的电阻，Φa和Φb分别表示轴流风机8和水泵13的励磁磁通，K是感应电动势常数，Uoa和Uob分别表示轴流风机8和水泵13的自感电动势，在电流恒定的回路中，只有在轴流风机8和水泵13通断电的瞬间才会产生自感现象，在正常工作状况下，Uoa=Uob=0。由公式（Ⅱ）和（Ⅲ）可知，在中置柜运行工作中，母排9的温度逐渐升高，当温度超过预先设定的标准值时，通过本系统的比较运算分析，得到电枢电压Ua和Ub，从而启动轴流风机8和水泵13给母排9散热，与此同时，由于各种因素，母排9的温度可能会持续升高，这也相应的导致电枢电压Ua和Ub持续升高，进而控制轴流风机8和水泵13的转速，即母排9温度越高，ΔT越大，Ua和Ub也就越大，转速越快，母线室的空气循环速度和水冷系统的冷却液循环速度也就越快，散热效率也就越高。上述处理器2对轴流风机8和水泵13的控制过程也可由基带电路模块和运算模块处理后，通过射频模块传送至NB-loT基站，再由基站传送至应用层，用户亦可使用PC应用程序和手机APP对母线室的散热系统进行控制，进而实现智能物联。相比目前较为单一的风冷散热，本系统不仅采用了风冷和水冷相结合的散热方式，对母排9的散热问题可以双管齐下，而且还配备了微型热像仪1，其能够得到整个母线室（包括母排9的温度场分布图，通过NB-loT基站传输至后台应用层，对散热系统可以做到可监测、可控制、可协调、对母排9的工作状况、工作环境、发热原因和潜在风险能够提前进行分析和诊断，对事故风险可以做到早发现、早处理、早预防，可切实保障整个设备的安全，大幅提高电网工作的稳定性。

Claims (7)

1.一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，包括热像仪（1），所述热像仪（1）用于接收母线室中视场角范围内物体的红外能量；

还包括处理系统以及冷却系统，所述处理系统用于接收所述热像仪（1）所形成的数据，继而通过处理系统控制所述冷却系统采用可变模式进行对母线室的散热。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，还设置有用于安装所述热像仪（1）的云台（14），所述云台（14）的结构满足所述热像仪（1）实现相关自由度的运动，使所述热像仪（1）实现对母线室大范围的监测。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，在所述母线室内壁设置有用于吸收母线室内反射辐射的反射辐射板（20）。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，所述冷却系统包括风冷系统和水冷系统，所述风冷系统和水冷系统由所述处理系统控制实现运转。

5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，所述水冷系统包括水泵（13），所述水泵（13）通过导管（26）将冷却液输送至水冷部件（11）中；

所述水冷部件（11）包括有若干水冷管（23），所述水冷部件（11）的一端分别固定在三相母排（9）的表面，所述水冷部件的另一端分别通过绝缘子（21）固定在母线室后板（25）。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，所述处理系统包括NB-loT处理器（2）、触发器a（3）、可控整流装置a（4）、触发器b（5）、可控整流装置b（6）、RS485集线器（7）；

所述处理器（2）固定于中置柜的仪表门（17）内侧，用于接收、处理和传输来自于热像仪（1）探测的图像信息、数据以及应用层用户端发出的控制冷却系统的指令信息；所述RS485集线器（7）固定于中置柜仪表室的安装板（16），用于热像仪（1）和处理器（2）之间进行数据传输。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的中置柜母线室风险诊断装置,其特征在于，还设置有湿度传感器（18），所述湿度传感器（18）固定在母线室隔板（19）上，所述湿度传感器（18）用于获取空气中的湿度信号并将其传输至处理系统中进行处理。

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