一种应用于高压断路器的超温无线电报警器电路设计方案.docx

1、一种应用于高压断路器的超温无线电报警器电路设计方案一种应用于高压断路器的超温无线电报警器电路设计方案An application of high voltage circuit breaker in over temperature radio alarm circuit design摘要：电力工业技术进步的要求，开关柜正在向智能化、免维护、具备自诊断功能的方向发展，由原来的定期检修向状态检修技术发展。本项目研究的目的是研制一种经济、实用的触头温升在线监测装置，在不降低原有设备绝缘性能的前提下，解决触头异常温升的监测报警问题。这种装置既要经济实用，不能大幅度提高开关柜的成本，又要便于新设备的安

2、装和老设备的改造，提高开关设备运行的安全性、可靠性，减少恶性事故发生。本方案针对上述问题，提供了一个比较好的解决方案。Abstract: electric power industry technology progress, switchgear is intelligent, maintenance, and has since diagnosis function, from the development direction of the preventive maintenance to the state overhaul technology development. This

3、project the purpose of the research is to develop a kind of economic and practical contactor temperature on-line monitoring device, reduce the original equipment insulation performance, under the premise of solving the contactor abnormal temperature monitoring alarm. The device should not increase e

4、conomical and practical, and the cost will switch to a new equipment installation and old equipment, improve switch security and reliability of equipment, reduce malignant accidents. The solution to these problems, and provides a better solution.关键词：设备 接触器 监测 方案Keywords：equipment ；contactor； monitor

5、ing； solution目录1.导语2.超温报警装置的技术原理2.1 高压断路器触头异常温升的原因2.2参考国高压开关触点温升在线监测技术2.2.1 Fabry-perot槽进行温度在线监测，Fabryperot槽温度探头2.2.2 利用石英温度传感器埋入母线温升部位温升实时监测3. 技术方案及原理框图3.1、温度传感器及信号发射部分3.2 温度取样及超温信号转换、发射部分工作原理3.3、高压信号取样部分电源的解决方案4. 无线信号的传输5. 断路器触头超温自动报警系统样机的原理5.1 接收部分5.2 电源部分5.3 发射部分5.4 CG206-I型断路器触头超温自动报警系统原理框图5.5断

6、路器触头超温自动报警系统电路原理图6. 高压断路器的超温报警装置可靠性分析7. 装置的技术关键与可行性分析7.1 技术关键7.2本方案作为解决高压断路器的触头超温报警装置供电电源可行性分析7.2.1 可行性原理分析7.2.2 互感器电源的实施8. 安装试运行与测试8.1 实验准备8.2第一阶段实验8.3 第二阶段实验8.4 实验运行总结1. 导语：随着我国经济快速发展，能源工业成为焦点。在用电紧张、负荷增长迅速的情况下，电力工业中常用的10kV35kV开关柜，设计、制造或者使用上的原因，经常会出现触头温度异常上升的情况。如果不及时发现和处理，就会造成严重的设备事故。由这种原因造成的事故经常见诸

7、于报刊。为了改进工艺，防止触头温升异常造成的开关爆炸等恶性事故，国内一些厂家和运行单位经常会采用一些如变色片、红外热成像诊断等手段来监测触头、母线等其它部位的温升。这些方法在一定程度上抑制了事故的发生。但同时，这些方案由于存在着测量误差大、数据不能远距离传送到值班控制中心以及无法直接观测发热点等缺陷，不能有效地作为一种预防措施来推广。电力工业技术的进步，要求开关柜向智能化、免维护、具备自诊断功能的方向发展，由原来的定期检修向状态检修技术发展。本项目研究的目的，是研制一种经济、实用的超温 和无线电传送装置，在不降低原有设备绝缘性能的前提下，解决触头异常温升的监测报警问题。这种装置既要经济实用，不

8、能大幅度提高开关柜的成本，又要便于新设备的安装和老设备的改造，提高开关设备运行的安全性、可靠性，减少恶性事故发生，同时，还要有一定的兼容性，能够广泛地应用到其他领域。2.超温报警装置的技术原理2.1 高压断路器触头异常温升的原因自然界中的温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程都与温度有关，许多设备的故障是由异常温升而造成。高压断路器中正常的导电回路，在正常运行时，长期通过工作电流产生的一部分能量转变为热能，使电器材料温度升高不会超出规定范围，但导电回路不正常（阻容值）时，会使电器材料温度升高超出规定范围。这样电器材料的机械强度、物理性能等下降，形成事故隐患。因此，在国家标准中，强制规定了不

9、同电器材料允许长期工作温度。在高压断路器的结构中，静触头、动触头是一个基本元件，在静触头和动触头接触时，它们之间有一个接触电阻，当电流流过触头时，接触电阻的存在，要引起触头的发热，如果接触点的温度超过规定值，则会加速动、静触头接触处氧化，氧化结果又导致接触电阻上升，这样又促使发热、温度增加，形成恶性循环。因此，国家标准规定了接触电阻数值，在这个范围内，不会造成有损氧化。对额定电压3kV及以上、频率50Hz长期工作电器，如断路器、隔离开关、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关等产品，必须进行发热试验，以保证在长期通过额定工作电流下，电器各部的温度不超过标准允许的数值。高压开关柜内，母线联结

10、处的接触电阻有一定要求，在出厂前用“回路电阻测试仪”离线测试，其原理是在母线联结处通过100A直流电流，测出其两端电压，即可求得接触电阻。开关柜出厂后，由于运输、安装、使用不当等原因致使接触恶化，接触电阻增加，特别如手车推入，在插接处接触不良造成事故，造成供电中断的事故发生。 2.2参考国高压开关触点温升在线监测技术2.2.1 Fabry-perot槽进行温度在线监测，Fabryperot槽温度探头原理见图3，装置是由一薄硅片构成，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，因两种材料热膨胀系数不同，在其内部产生

11、内应力，内应力改变了硅片的形状和槽的深度。用光纤将多色光送入照射Fabryperot槽，反射出的调制光也经光纤送出，调制的输出信号是用光学干涉测量方法测量的。调制多色光的主波长随Fabryperot槽深度变化而改变。Fabryperot槽深度变化是毫微米数量级，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（图2-1）。由Fabryperot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，在智能化高压电器的温度在线测量方面有广阔的市场。2.2.2 利用石英温度传感器埋入母线温升部位温升实时监测该母线联结处温升在线检测装置由ABB 公司开发

12、的（见图2-1），其特点如下：（1）. 每一个传感器有一个电流源，电流通过母线时，交变电磁场提供了温度传感器探头所需的电源，才进行温度测量。母线电流40A（50Hz）时探头能正常工作，短路故障所产生的短路电流不会损坏传感器。（2）. 因为在测量点有强的电磁场，所以通过数字信号传递方案更为适合，输出数字讯号（频率）与温度有关。（3）. 传感器特点是体积小、准确度高，耐老化性好，且价格便宜。它由石英晶体、辅助电源及讯号输出回路组成。可以方便地安装在母线联结处。(4). 采用红外调制发射技术。一个红外发光二极管把高电位处温度值发送到低电位处的红外接收器上。可以把许多传感器的测量值送到同一接收器上。(

13、5). 1992年5月ABB提供的新型温度监视系统，在一面中压开关柜12个接点处（母线接触处）的暴露部分安装上这种尺寸极小的温度电子传感器，其中三个传感器装在母线联结处、三个装在开关连接线的上端，另三个在电缆终端。在一般情况下仅仅使用九个传感器，因为开关下面接线与电缆终端的距离很近。3. 解决方案技术路线及原理框图3.1、温度传感器及信号发射部分，见图3-13.2 温度取样及超温信号转换、发射部分工作原理图3-2 热敏电阻值随温度变化关系图 设计中，温度传感器及信号发射部分是由温度传感器（热敏电阻）、小CT线图和信号转换及发射模块等组成。该部分电路原理见图3。温度传感器（热敏电阻）被埋入断路器

14、触臂靠近梅花爪头的部分，温度传感器是一个随着温度值改变电阻值的热敏电阻，其阻值随温度的变化关系示于图3-2。 温度传感器将随温度变化的电阻变化值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，它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，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，则发射器的输入变为高电平，触发无线发射信号，将对应安装热敏电阻处的温度变化的编码信号发射出去。该部分电路的原理见框图3-5。 无线编码发射模块，当转入为低电平时，发

15、射器停止工作，当输入信号由低变高后，能使发射模块工作，发射携带温度变化信息的编码信号。发射器的频率、功率不会影响到其它二次电路正常工作，符合国标。 3.3、高压信号取样部分电源的解决方案该模块的工作电源由小CT线圈提供。当由高压母线通过该项触臂的二次电流达到5A以上时，小CT线圈中感应电流，通过电源转换器，就给该模块提供了足以正常工作的能量。由于温度转换发射模块必须工作于高电位，因此，这个由高电压的一次电流感应产生的电源也应处于高电位；处于高电位处的发射模块与处于低电位的接收模块是通过无线电波完成信号传输。因此，利用无线电波传输信号解决了高电位隔离问题。作为电源能量供给的小CT线圈在设计上采取

16、了整流滤波和一系列保护措施，使它满足一次电流从50A至5000A的大范围变化的条件下长期可靠工作，且能承受一次回路电流达100KA的冲击短路电流。 4. 无线信号的传输实现高、低电位传输的隔离，把处于高电位的超温指示及报警信号传输到低电位端。接收电路的原理见图3-5。5. 断路器触头超温自动报警系统样机的原理 5.1 接收部分（1）阻容降压和稳压管形成电源部分；（2） 7555芯片及其外围电路组成延时电路，现延时时间设置为10 秒左右；（3） 六路指示灯分别对应于断路器六路触头，六路触头中只要有一路发生超温现象系统即报警，六路指示灯可指明具体超温故障点，且继电器带报警输出。 5.2 电源部分（

17、1）、通过电流互感器和稳压管形成电源；电流互感器参数：用长钢卷成四层，0.2mm的漆包线绕2400圈（大约绕满三层），阻抗约为40欧姆，直径大小与断路器触头配合；（2）、其正常工作电压为10.8V，工作电流12mA;（3）、实验表明，电流互感器在各动触头通过电流超过50A以上时，即能满足模块工作，线圈工作无明显温升。 5.3 发射部分通过运算放大器LM393进行预置值与温度传感器的变化值相比较，发出高电平信号触发由7555芯片及其外围电路组成的延时电路，使发射装置发出信号；发射部分PT2262与接收部分PT2272之间的无线信号是通过编码解码的方式传送，并且为一一对应关系。 5.4 断路器触头

18、超温自动报警系统原理框图（见图3-5）5.5 断路器触头超温自动报警系统电路原理图（见图3-6）6. 高压断路器的超温报警装置可靠性分析该方案是采用相应的电子线路、传感器、无线收发装置组合而成的监测系统，在原有的高压断路器手车部分改造安装而成，改造装配完成的触头超温监测系统要能够完成对六路手车触头进行在线监测，又要求不能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，在该方案的设计过程中，采取了以下几项措施，来保证断路器原有的技术特性、绝缘特性。保证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

19、措施，使得原有的相间绝缘距离不受影响，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） 用小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。从信号取样、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。7. 装置的技术关键与可行性分析7.1 技术关键电流互感器电源设计，是该

20、超温报警装置的关键技术之一。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长期使用寿命要求。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。 7.2本方案作为解决高压断路器的触头超温报警装置供电电源可行性分析7.2.1 可行性原理分析由于断路器母线电流变化从几十安几千安培，其变化达到几十倍之大，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

21、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微小电流。7.2.2 互感器电源的实施我们选母线电流50A，互感器进入饱和，此时决定互感器的全部尺寸，这样母线电流大于等于50A之后，互感器一直处饱和，而且当母线电流为短路电流时，使互感器处于深度饱和。这样在50A以上，其二次侧电压、电流基本稳定。 8.安装试运行与测试实验室运行测试的过程如下：8.1 实验准备：(1) 将装有VS1型断路器的10kV高压开关确认停电后，将断路器拉出放置在小车上。（2） 安装上面提及的温度传感

22、器与超温发射装置，分步骤地将六组断路器的动触头、触臂拆下。（3）将温度传感器、无线超温发射板装入每一个触臂与绝缘套管之间的空隙内。（4） 装好一路接线后，从外部给发射板加入试验用12V工作电压（小CT从母线取电流变换成的12V电源），再给接收盒加上220V工作电源。8.2第一阶段实验：此刻，实验开始。用电热吹风机给传感器热风加温，同时用红外热像仪对传感器测量传感器的表面温度进行实时监控。随着加温，热像仪显示的温度逐步上升。当被测传感器的表面温度达到99.2时，接收盒上对应该相位置触头的红灯点亮，表示报警器已达到临界温度。与此同时，接收盒内的报警继电器动作，无线电模块启动，向远方发出超温报警信号

23、。自此，第一阶段实验完成。8.3 第二阶段实验：同样，按上述方法，将六个触头全部装上传感器与无线发射装置，并逐个进行温升超限的模拟试验，确认动作无误后，将断路器进行复位。六个发射完成安装后，将信号盒放置于高压柜的仪表盒内，接通电源，如愿进入监测待命状态。8.4 实验运行总结：1、 经过试验和模拟测试，说明该在线测温报警系统便于新设备安装和老设备的改造安装，且该装置装入后不影响高压柜原有的绝缘性能。2、 超温报警的温度测量限值准确，能正确反映触头的运行温度和过热超温状态。该系统除了已提过优点外，另有简单可靠成本较低的特点。3、 该系统能够数字显示六个爪头温度和柜内空间温度，还能显示触头的温升系数

24、，证明该系统的技术已成熟可靠，已达到应用的要求。 参考文献：1 丁孺牛,陈建军,谭佐军,卢军,吴晨阳. TS-A型温度传感技术实验仪的功能延伸设计性实验温度报警器的制作J. 大学物理实验, 2004, (04) . 2 张晓东. 电脑CPU温升报警器J. 家用电器.消费, 2000, (08) . 3 李春兰. 冰箱温度报警器J. 家庭电子, 2001, (12) . 4 李铁桥，李成伟，胡永昌，陈维强. 粮库温度微机监测管理系统研究J. 郑州粮食学院学报, 1994, (02) . 5 何春兴. 发射机超温报警保护装置J. 电视技术, 2001, (08) . 6 潘永雄. 基于过程的单片机

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