高壓母線（滑觸線母線槽）溫度在線測量裝置021-56479692
2010-05-05
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在電力系統(tǒng)中，高壓開關(guān)、GIS（氣體絕緣變電站）等高壓電器和載流母線等電力設(shè)備在負(fù)載電流過大時(shí)會出現(xiàn)溫升過高，zui后溫度有可能使相鄰的絕緣部件性能劣化，甚至擊穿。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)發(fā)生事故原因中有相當(dāng)部分與過熱問題有關(guān)，因此采取有效措施監(jiān)測母線及電接觸溫度是電力系統(tǒng)需要解決的課題。
運(yùn)行中的載流母線、高壓開關(guān)等處于高電位，其溫度測量裝置具有以下特點(diǎn)：
a.處于高電壓環(huán)境中；
b.允許系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)過載運(yùn)行，但必須在母線溫度危及運(yùn)行安全之前發(fā)出報(bào)警信號；
c.由于溫升是由負(fù)載電流引起的，溫度隨負(fù)載（時(shí)間）而變化，因此需要實(shí)時(shí)在線監(jiān)測并按規(guī)定的時(shí)間間隔記錄；
d.母線溫度是電力系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)之一，為綜合監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，要求母線溫度測量裝置數(shù)字化輸出，以便于計(jì)算機(jī)處理，并可與其他電氣參數(shù)相配合，成為電力在線監(jiān)測系統(tǒng)的一部分。
1、高壓母線溫度測量技術(shù)現(xiàn)狀
母線處于高電位，目前國內(nèi)專門用于高壓母線及電接觸發(fā)熱測量的儀器還很少。溫度監(jiān)測的主要方法一是在電接觸表面涂一層隨溫度變化顏色的發(fā)光材料，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍，這種方法準(zhǔn)確度低、可靠性差，不能進(jìn)行定量測量；另外一種方法是利用光（紅外）輻射特性的紅外測溫儀，它能測量0℃~200℃之間溫度，基本誤差為±（1%×t十0.5%），準(zhǔn)確度較高，但由于需要光學(xué)器件，在高壓開關(guān)柜等特定場合使用不太方便，而且價(jià)格也比較高，推廣應(yīng)用有一定困難。
2、高壓母線溫度測量解決方案
根據(jù)高電壓作業(yè)環(huán)境下溫度測量的特點(diǎn)，母線和電接觸溫度測量裝置采取溫度就地測量，數(shù)據(jù)遙送地面，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的方法。溫度傳感器由浮動充電電池供電，減少高低壓之間的電氣，采用全數(shù)字方式工作，抗*力強(qiáng)、精度高、體積小。經(jīng)系統(tǒng)綜合測試，其工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足高壓母線溫度測量的要求。
2.1數(shù)字溫度傳感器的研制
在本裝置中，采用熱敏電阻作為溫度傳感器：與金屬材料相比，熱敏電阻的電阻率溫度系數(shù)為金屬材料的10倍~100倍，甚至更高，而且根據(jù)選擇的半導(dǎo)體材料不同，電阻率溫度系數(shù)可有-6%/℃~+60%/℃范圍的各種數(shù)值，而且由于半導(dǎo)體材料電阻率遠(yuǎn)高于金屬，因此熱敏電阻的尺寸可以很小。例如，珠形熱敏電阻可小至直徑為0.2mm的珠形體，這樣微小的測溫元件不僅熱慣性小、響應(yīng)速度快、對待測的環(huán)境影響很小，而且可以用于測量非常狹窄空間的溫度，例如空隙、高壓觸頭間隙等。由于熱敏電阻不存在類似使用熱電偶時(shí)的冷端補(bǔ)償問題，也無需考慮線路引線電阻和接線方式對測溫精度的影響，因此使用比較方便。由于NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、動態(tài)性能好、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高電壓環(huán)境下母線溫度測量的要求，因此將NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為優(yōu)選傳感元件。
為了得到數(shù)字化的溫度傳感信號，便于邏輯處理，在本裝置中將熱敏電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換為脈沖周期變化，再對脈沖計(jì)數(shù)可以得到與溫度值有一定關(guān)系的數(shù)字信號，經(jīng)微機(jī)處理后得到待測物體的溫度值。由熱敏電阻、高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻、電容等元件與定時(shí)觸發(fā)器555構(gòu)成的溫度傳感器電路如圖1所示。觸發(fā)器555輸出為方波脈沖：高電平脈沖T1=RlCln2，低電平脈沖T2=RtCln2，為減少電容C對測量精度的影響，取Tl/T2的比值作為傳感信號，Rt=R1T2/Tl，由測量信號的2個(gè)脈沖Tl ，T2和阻值R1計(jì)算出對應(yīng)測量溫度下的熱敏電阻阻值R，從而由Rt-T關(guān)系曲線計(jì)算出被測溫度值。傳感器的熱敏電阻從電路板上引出敷貼于被測量的母線表面，傳感器安裝在鄰近測量點(diǎn)的適當(dāng)位置上。
2.2傳感信號邏輯處理
溫度傳感電路中得到的信號是充放電脈沖T1，T2，為取得T1/T2的比值，用計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖調(diào)制T1，T2，并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到T1，T2兩個(gè)計(jì)數(shù)值，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。
為滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰，采用相鄰周期的T1，T2。由于一個(gè)充放電周期約為幾十毫秒，在此區(qū)間內(nèi)由于熱慣性，待測母線溫度變化很小，可以不考慮由此造成的誤差。
在傳感信號邏輯處理中，主要考慮以下幾點(diǎn)：
a.為了減小功耗，在數(shù)字溫度傳感器中采用CMOS IC。
b.誤差：由于計(jì)數(shù)器工作時(shí)zui低位計(jì)數(shù)的隨機(jī)性，為了減小測量誤差，計(jì)數(shù)器采用“減計(jì)數(shù)”的方法，將初始值設(shè)置成11111111（FF）狀態(tài)。在高溫情況下，雖然相應(yīng)的T2脈沖寬度很小，但可以得到較大的計(jì)數(shù)值，能有效地減小測量誤差。雖然在溫度較低時(shí)誤差會很大，但由于高壓母線溫度測量只在溫度較高的情況下才有意義，應(yīng)主要考慮在高溫時(shí)的測量誤差。因此采用“減計(jì)數(shù)”的方法是正確的。
c.注意時(shí)序配合和消除競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象，保持電路穩(wěn)定。
2.3數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在高壓母線溫度測量裝置中，溫度傳感部分與數(shù)據(jù)處理部分是分開的。溫度數(shù)據(jù)可通過紅外光波或無線電波傳給處于低電位的測量儀器。由于測量點(diǎn)可能有若干個(gè)，為便于控制，測量的數(shù)據(jù)帶有地址識別碼。紅外線數(shù)據(jù)傳送的缺點(diǎn)是光波傳輸要求空間無障礙物，傳送距離較短，一般只有3m~5m；無線電傳送的缺點(diǎn)受其他空間電波的影響較大，傳送誤碼率較高，但可通過多次重復(fù)傳送進(jìn)行修正。本裝置選用射頻無線遙控發(fā)射接收頭TDC1808/TDC1809作為發(fā)送裝置，當(dāng)工作電壓為5V時(shí)，發(fā)射距離可達(dá)十幾米，工作頻率為200MHz，無需使用發(fā)射/接收天線，能夠滿足實(shí)際要求。
2.4數(shù)據(jù)記錄與處理
由數(shù)字溫度傳感器得到傳感信號T1，T2的計(jì)數(shù)值，經(jīng)無線電傳送，由單片機(jī)接收、記錄、處理。單片機(jī)選用8098為主處理機(jī)，數(shù)據(jù)由其8255并行口輸入，經(jīng)處理后送微型打印機(jī)打印輸出。
從溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)是充放電脈沖T1，T2的計(jì)數(shù)值。根據(jù)溫度測量原理，為消除電容C的影響，采用Tl/T2的比值作為傳感信號，同時(shí)取多次測量結(jié)果的平均值，以減小測量誤差。
2.5傳感器電源
數(shù)字溫度傳感器和無線電數(shù)據(jù)發(fā)送裝置直接固定在高壓母線上。其電源采用由母線電流通過電磁感應(yīng)獲得低電壓電源，再向電池充電的方法。在傳感器供電母線短時(shí)間停電的情況下，溫度測量裝置能夠正常工作，在通常情況下，由充電電池向負(fù)載供電；當(dāng)充電電池容量下降時(shí)，由母線感應(yīng)電源向其充電，同時(shí)向負(fù)載供電。
3、結(jié)語
本文介紹了包括數(shù)字溫度傳感器、數(shù)據(jù)傳送與控制、單片機(jī)數(shù)據(jù)記錄與處理、傳感器電源等環(huán)節(jié)在內(nèi)的高壓母線溫度測量系統(tǒng)。該裝置已在現(xiàn)場技入試運(yùn)行，經(jīng)系統(tǒng)綜合測試證明該裝置能夠滿足高壓環(huán)境下溫度測量的要求。本裝置可廣泛應(yīng)用于高壓母線、高壓開關(guān)柜、GIS（氣體絕緣變電站）等處的溫度測量，并可與其他監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)合，對母線狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)視。
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