光电复合式高压开关柜触头温度检测系统设计.doc

光电复合式高压开关柜触头温度检测系统设计.doc

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摘要

摘要

高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备。

测量和监视高压开关柜内触头的温度是避免重大事故发生、控制故障恶化的有力手段，所以对高压开关柜内触头温度的监测一直是电力系统中的重大课题之一。

它对于保证高压开关柜的正常运行，提高电力系统运行的可靠性和自动化程度具有非常重要的意义。

由于高压开关柜的工作环境十分特殊，目前主要的测温方法是针对解决开关柜中高压绝缘和强电磁噪声等问题，普通的测温技术不能够很好的应用到这一类装置中。

本论文是利用半导体的光吸收原理与现代光纤技术相结合，再配合现代光电检测技术、单片机技术和虚拟仿真等技术，提出了一种新颖的半导体吸收型光纤温度传感器系统。

该系统从根本上解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的难题，提高了电力系统的安全性和可靠性。

该系统采用半导体传感探头和光纤传输相结合的方法，充分利用成熟的半导体透射式探头结构与现代光纤传感技术，对开关柜进行高电压绝缘和抗电磁干扰。

采用半导体材料GaAs作为传感探头，光纤作为传输器件，利用光源发出的光通过半导体时被吸收能量而导致光波长变化的特性，推导出被测温度与光波长变化的关系，再利用光电探测器把接收的光信号转换成单片机可以识别处理的电信号，在单片微机的控制下组成多路温度巡回检测系统，实现了对电力系统中最常见的电气设备—高压开关触头温度的在线监测。

在温度标定方面采用双温度计的标定方法，利用二次差值算法进一步提高标定精度。

此系统可以实现温度显示、运行状态指示和报警等功能，并可通过标准接口与上位计算机和企业局域网相连，最后通过计算机计算出测量的温度，显示在屏幕上。

关键词　温度；传感器；半导体；实时监测；高压开关柜；光纤传输

I

燕山大学本科生毕业设计（论文）

Abstract

Thehighvoltagecabinetisaveryimportantinstallationinelectricpowersystem.Measuringandmonitoringthetemperatureofthehighvoltagecabinetcanaverttheimportantlymishapandcontrolthedeterioratedsituation,someasuringthetemperatureofthehighvoltageisalwaystheimportanttask.Itisgoodforthedependabilityandautomationdegreeinhighvoltageelectricpowersystem.

Sinceinsulationofthehighvoltageandtheelectromagneticnoise,theordinarywaysdon’tfittheseelectricpowerinstallations.Thepaperusedtheruleofabsorptionopticofthesemiconductorandthesensortechnologyhaveproposedanewsensoroftheruleofsemiconductorabsorptionfiber-optictemperaturesensorsystem.Thesensorsystemintegratedthephotoelectricitytechnology,PCtechnologyandvirtualtechnology.Thesystemresolvedtheproblemsthatthecontactedpointsofhighthevoltagecabinetisdifficultofmeasuringthetemperature.Thesystemhaveadvancedthesecurityanddependabilityoftheelectricpowersystem.Thesystemisseldomcoveredindomestic.

Thesystemisthattheruleofthesemiconductorabsorptionopticiscombinationwithfiber-opticsensortechnique.ThesemiconductoradopttoGaAsasthestuffoftemperatureprobeandfiber-opticastransfercomponent.Itusedtheintensityoftheincidedopticandtransmissionoptichavechangedwhentheopticthroughthesemiconductor.Thispropertyofthesemiconductorcalledtheruleofthesemiconductorofabsorptionoptic.Itexportedtherelationoftheopticwavelengthhadchangedandthetemperatureofthecontacrpoints.

AtlastthesignalpassedthePDandgointothePC.ThePCsystemalsocanembodytemperaturedisplayandwarningsection.ThecomputercancalculateresultbymeansoftheLANandsuperordinate.Atlast;theresultdisplayedonthescreen.

Keywords　Temperature;Sensor;Semiconductor;Monitoring;Highvoltagecabinet;Optical-fibertransmission

III

VII

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究现状及发展趋势 1

1.3多种方案的分析和比较 2

1.3.1红外测温 3

1.3.2荧光光纤测温 3

1.3.3光纤光栅传感器测温 3

1.3.4光纤电流传感器测温 3

1.3.5光功率推动光纤温度传感器 4

第2章光致电源及光纤传输系统的研究与设计 6

2.1光致电源 6

2.2光纤传感器概述 6

2.2.1光纤传感器的工作原理 8

2.2.2光纤传感器的分类 9

2.3光纤的特性与选择 10

2.3.1光纤的结构 10

2.3.2光纤的导光原理 11

2.3.3光纤的损耗 14

2.4光源的特性及其对光纤的激励 15

2.5信号光源LED的发光原理及结构 16

2.6光探测器的工作原理及特性 17

2.6.1量子效率 17

2.6.2响应度 18

2.6.3响应速度 19

2.6.4暗电流 20

2.7本章小结 20

第3章低功耗测温探头电路的设计 21

3.1集成温度传感器AD590 21

3.2测温探头电路的设计 22

3.2.1温度——频率转换电路 23

3.2.2单稳态触发电路 26

3.2.3LED驱动电路 27

3.3探头电路的功耗核算 28

3.3.1CMOS集成电路 28

3.3.2功耗核算 29

3.4本章小结 30

第4章二次仪表端的设计 31

4.1I/V转换与前置放大电路 31

4.2信号处理系统的设计 33

4.2.1硬件系统设计 33

4.2.2软件设计 37

4.3本章小结 40

第5章系统性能测试与误差分析 41

5.1实验系统设计 41

5.2实验结果及分析 41

5.3误差分析 44

5.3.1电路中的漏电流 44

5.3.2耦合误差 44

5.3.3噪声误差 45

结论 46

参考文献 47

致谢 48

附录1 49

附录2 6

第1章绪论

第1章绪论

1.1课题背景

长期以来，随着我国用电量的急剧增加，在电力系统中，高压开关柜承载电流越来越大，当承载电流过大时就会因温升过高而导致电力设备的损坏，从而影响整个电力系统的正常工作，造成巨大的经济损失。

因此，及时、准确地测出电力设备关键点的温度对于发现并排除故障、减少经济损失具有重大意义。

引发高压开关柜载流故障的原因之一是由于其隔离触头接触不良，导致设备短路，从而产生极强的高压电流，引起开关柜内的触头过热，温度过高将造成金属材料的机械强度下降、绝缘强度损坏、母线变形熔化、绝缘材料寿命降低等现象，并可能最终导致绝缘击穿，造成重大事故。

在高压配电所运行的设备中，经常会发生此类电气故障，造成巨大的经济损失。

据统计，2006年在我国10kV以上的电网中，由此原因造成的严重事故近20起。

因此，高压开关柜隔离触头的温度监测一直是保障电力工业安全运行的重大课题之一。

由于高压开关柜内触头处在强电磁场、高电压环境中，如果其绝缘部分缺陷或劣化，将会引发影响设备和电网安全运行的绝缘故障或事故，所以保障高压电气设备的安全可靠运行在电网中具有举足轻重的地位。

因此，在设备投入运行后，传统的做法是定期停电进行预防性试验和检修，以便及时检测出设备内部的绝缘缺陷，以防止发生绝缘事故。

但是，随着电网容量的增大，高压电气设备数量急剧增加，传统的预防性试验和事后维修已不能满足当今大容量、超高压电网的高可靠性要求，所以对当前新形势下高压开关电器触头的温度进行在线实时监测要有一个新的认识。

因此，本论文对于保障高压开关电器的安全运行，提高电力系统运行的安全性和可靠性具有重要的实际工程意义，为高压电器设备实现智能测温提供了一条有效途径.

1.2国内外研究现状及发展趋势

目前，国内外高压开关柜触头温升的测量方法主要分为接触式和非接触式两类。

接触式方法有热敏电阻法、热电偶法、高压石英晶体传感器法等。

这类方法需要将传感器直接安装在触头上，传感器信号经无线、光纤或红外方式传送给接收装置。

由于传感器直接与触头接触，测温结果比较准确，但是，要在母线上套装电流互感部件来解决传感器及关联电路所需的电源，这样将改变开关柜高压部分原有的结构，甚至缩短绝缘距离。

非接触式方法一般采用红外传感器，但如果传感器镜头或触头表面脏污，测量的准确度将显著降低，同时由于造价较高而难应用于高压开关柜隔离触头温升的在线监测

国内变压器制造业和电力部门十分重视高压开关设备的热点温度的监测问题，沈阳变压器厂早在10多年前便立项进行这一课题的研究。

1994年美国路克公司的光纤测温仪得到了IS09402认证，质量达到了更高水平，在此基础上，美国企业发展有限公司（EnterpriseMarketingInc.EMD）联合中国和美国的电力光学专家开始向中国介绍测量发电机、高压开关和变压器等高压电器设备内部热点温度的光纤测温仪，加速了我国光纤测温技术的