摘 要 为了防止空气绝缘高压开关柜断路器手车触头接触不良发热烧毁的事故,研发了一种基于信息编码调制解调、无线传输技术,在不降低开关柜绝缘水平的前提下实现,断路器手车触头温度及环境温温度在线监测及超温报警的装直;具有温度采样、变送无需外部电源特点,测量数据可远传组成多个变电站断路器触头温度实时监控网络系统。
关键词 空气绝缘 高压开关柜 断路器 手车触头 温度 在线监测。
1 前言
中压开关设备因高压断路器动、静触头接触不良发热引发中压开关设备烧损故障的问题,一直没有得到有效的监控,已成为开关柜安全运行的一大障碍,影响电力系统正常供电造成巨大经济损失o图1为因触头接触不良而烧损的lOKV高压断路器手车照片。因此电力行业急需研制一种经济、实用的触头温升在线监测装置,在不降低原设备绝缘性能的前提下对运行中开关设备断路器手车动、静触头等关键部位进行温升在线测量、分析并预警提高空气绝缘高压开关柜的运行安全性、可靠性。
2现有测量方法比较
2.1示温腊片
设备停电时在导体接触处贴上示温蜡片。如果设备运行后,若发现蜡片有软化、熔化现象,可以粗略判断接触处发热程度。这种方法准确度低,可靠性差,不能用作定量测量。
2.2远红外诊断技术
远红外诊断技术是通过吸收红外线辐射能量,测出设备表面的温度及温度场的分布,从而判断设备发热情况。红外测温方法的精度和可靠性受距离、大气背景及物体辐射率等因素影响也无法适用于针对开关柜内部的断路器触头温升测量。
2.3 Fabry-悦目槽技术
FabIγ-perot槽由薄硅片构成,在它的中段的顶部和底部蚀刻出矩形槽,然后在薄硅片顶粘贴上一层玻璃,该玻璃的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数不同。
当该处温度变化时,因二种材料不同的热膨胀系数,在其内部产生内应力,内应力改变了槽的深度。用光纤将多色光送入照射Fabry-perot槽,反射出的调制光也经光纤送出,调制多色光的主波长随Fabry-perot槽深度变化而改变因为温度的变化是连续的,槽深变化也是连续的,当然主波长是温度的连续函数,由Fdry-perot槽构成的光纤传感系统其组成元件耐腐蚀、小巧、测量灵敏度高而且不受电磁干扰影响,但装置成本较贵,经济性差。
3 高压断路器触头温升在线测量装置研发
3.1 测温技术原理与结构
装置由高压端模块和低压端模块两大部分构成,其中高压端模块由温度传感器、温度取样、比较器单元、无线发射单元、高电位取样部分电源(小CT丁组成,其结构如图2所示;低压端模块由解码电路、整流滤波单元、报警电路及电源组成,其结构如图3所示;断路器触头温升在线测量装置原理框图如图4所示。
高压端模块中温度传感器为性能稳定的热敏电阻,被埋入断路器触臂靠近梅花爪头的部分,其阻值随温度而变化,通过高温导线与信号转换发射模块相连接,输入到比较电路中O当高压侧通过大于5OA电流时,小CT的输出提供了信号处理、信号发射及命令接收部件的工作电源,将随温度变化的电阻变化值转换成电压信号由温度转换成的电压信号与预先设定的电压信号进行比较如果预先设定的电压信号代表100℃,当安装热敏电阻部位的温度大于100℃时,则比较器的输入电压低于预先设定的100℃的翻转电压,比较器的输出由低变高,使发射器的输入变为高电平,触发无线电编码模块发射信号,此时微处理机芯片AT89C2051将温度模拟量信号转换成脉冲数字信号(不同温度值对应不同脉冲编码),且连本传感器
地址编码信号一起调制在315MHZ载频上,将对应安装热敏电阻处的温度变化的编码信号发射出去。
低压端模块接收单元由高频接收放大器、整流滤波器、解码电路和报警电路组成。高频放大器将携带温度变化信息及地址信息编码的无线电信号放大后,输入到整流滤波器电路滤去高频载波后,将低频信息输入到解码电路,经过解码后得到超温故障触头地址,然后报警,并可通过RS-485串行接口将温度数据、故障触头地址及报警信息远传,以便实现系统联网。
3.2技术关键与安全性能
3.2.1电流互感器电源技术(小CT线圈)
电流互感器电源是该超温报警装置的关键技术之一口在设计该装置供电电源时,必须考虑到绝热、绝缘及较好的稳定性。如果使用化学电池,则无论是储备电池和燃料电池都无法满足断路器的使用寿命。不能连续不断地提供稳定、可靠的电能,也无法维护及更换。如果采用光伏电池,由于断路器绝缘套筒内无法安装光源,因此无法提供稳定的能量来源。
解决方案是在母线上安装电流互感器,从中取出电流为后端测温传感电路供电。由于断路器母线电流变化从几十安~几千安倍,其变化达到十几倍之大,为保证互感器能提供较为稳定的电源,要利用铁心磁饱和特性,即适当地选取电流互感器铁心的截面积及铁磁材料的导磁率,使它在母线流过正常电流时能正常励磁。一旦母线流入大电流,铁心磁饱和,使感应电动势缓慢变化,再加稳压管,可以使它能向温度传感器电路提供较稳定的工作电源。
3.2.2信息编码与传输技术
断路器触头地址信息和触头处温度信息都处于高电位,而故障报警单元处于低电位;另外,系统处于严重电磁干扰环境下因此要解决不同电位下及严重电磁干扰环境下的信息正确元误的传输。装置采用无线电编码技术,编码模块设定地址端八个(A1~A8);数据端Dl~D4八个地址可以任意组合以获得不同地址,而数据码D1~D4可组成15位数,通过地址码及数据码的不同组合可有数十万不同数据输出。无线电编码发射模块发射携带温度变化信息及地址信息的编码信息,接收模块接收携带温度变化信息及地址信息的编码信息它们之间是通过编码的方式传递,且一一对应。采用信息编码、调制、解调后再传输,可以将高、低压信号隔离,提高抑制电磁干扰能力。
3.2.3安全性能
高压断路器手车触头超温报警装置由相应的电子线路、传感器、无线发射、接收装置组合而成,安装在原有的手车式高压断路器触头内装配完成的触头超温监测系统要能够完成对六路断路器触头温升进行在线监测,又要不影响高压断路器原有的技术特性和绝缘特性。为了达到这一要求在该项目方案的设计和实施过程中,采取了以下几项措施来保证断路器原有的技术特性和绝缘特性和监测电路的长期可靠工作。
(1)发射电路和传感器紧贴每一相的触臂安装,使得该部分电路完全套在触臂的绝缘筒内;同时在安装时采取了隔热、抗震等措施使得原有的相对绝缘距离不受影响,保障了原有的绝缘能力。
(2)对传感器、导线和电子元件各部分在设计、选用及安装时充分考虑了各部分的温度承受能力和过流、过压冲击的承受能力,保证该部分装置在断路器运行的恶劣环境中能生长期可靠工作。
(3)小CT取每相工作电流感应作各部分工作电源,使得每相之间无任何电路连接上的关联,每相触头一旦超温,监测装置立即会发出无线信号。接收装置通过接收解码电路,分辨出超温的某一相点,亮相对应的指示灯告警,并发出触头超温报警信号。信号取样、传输告警都是通过无线发送、接收来实现高压与低压端之间电位隔离传输。
4 实时断路器触头温升远方采集监测系统
以一个变电站为例,在每台开关柜内配置1套高压断路器触头温升在线测量装置完成该开关柜断路器A、B、C三相的上、下触臂数据及环境温、湿度数据的采集、显示和报警通过RS-485串行接口将1#柜、2#柜……N#柜内的高压断路器触头温升在线测量装置以总线方式连接,各自将数据传送至采集终端器,通过采集终端器的内置网卡可直接将每一台开关柜的所有测温点数据及环境温、湿度数据通过以太网向监控中心上传。组成变电站实时断路器触头温升远方数据采集、监控系统(见图5)。利用此系统还可进行温度历史曲线查询等各类应用功能监控软件的开发,真正实现开关柜触头状态检修。
5 结束语
高压断路器触头温升在线测量装置于2005年5月在上海市电力公司嘉定供电分公司35kV高家变电站投入运行,装置循环采样A、B、C三相上、下触头六路温度及环境温、湿度,测量范围O~150℃,精度±1.5%FS。运行证明其温度变送、信号发射系统安装在断路器手车动触头侧,便于安装、维护和检修;变送单元的供电电源取自母线电流,不需要外装电池,实用性强;不影响高压柜的原有绝缘性能,能实时监测触头温度变化,具有触头温度数据显示、超温报警功能,并且触头温度数据可通过以太网向监控中心上传,组成变电站开关柜触头温升远方采集监测系统,有利于提高开关柜安全运行、提高电网供电可靠性。
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