高压柜温度控制系统

1.1.2
目前对高压开关柜的监测大都基于人工巡检，用手持式红外测温仪获得开关柜内温度数据，但由于开关柜的结构越来越复杂，元件遮挡的影响使得红外测温仪往往无法获得准确的温度数据；同时人工操作中的失误不可能完全避免，且巡检时间间隔相对于故障发展时间来说也过长。电力系统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡，作为输配电系统中广泛运用的高压开关柜，对其实施状态检修是非常必要的。因此，研究开发一种新型高精度、高可靠性的高压开关柜在线监测及故障诊断系统具有重大的意义。
(2)光纤测温的方式目前应用较多，光纤温度传感器测温头通常采用粘接、捆扎两种方式安装在触头表面，此种安装方式很容易受到温度、振动的影响，并因此降低测量精度。开关柜内的电触头在开关动作时有很强烈的振动，从而会对以上的安装可靠性和测量精度带来很不利的影响。此外，光纤温度传感器所配套的光纤传感网络分析仪体积较大，无法在开关柜内部安装，同时该分析仪只提供了与单台PC机的通信接13，无法嵌入已有的自动化监测系统中。
2.2本系统研究方案
本文在总结目前研究现状的基础上，综合考虑了高压开关柜的内部实时温度以及负荷因素，提出并研究了一种新型高精度、高可靠性、廉价的高压开关柜在线监测及故障诊断系统。在设计中摒弃了昂贵的红外温度传感器或光纤光栅温度传感器，采用单一的集成数字温度传感器，对传感器柜内位置进行合理的布置，通过传感器测得的数据获得柜内温度场的分布，以此为依据对高压开关柜的状态进行诊断，对温度发展趋势做出预测以及对可能发生的故障做出预警。
关键词：高压开关柜、在线监测、状态检修、数字式温度传感器
第一章
1.1
1.1.1
高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线路故障保护、监测运行电量数据等重要作用，在电力系统中获得了日益广泛的运用。随着国家“十一五”计划的实施、国民经济的发展，社会对供电可靠性提出了更高的要求。国务院于2006年2月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，超大规模输配电和电网安全保障被列为能源这一重点领域中的优先主题。电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环节，高压开关柜作为一种广泛运用的电力设备，其安全可靠性也因而受到了更多的重视。据不完全统计，国内不少发电公司、电力公司均出现过不同程度的高压开关柜故障并造成了一定的经济损失，这些故障一方面来自开关柜本身的质量问题，更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜的有效监测手段。
1.2
常规的监测方式并不能发现开关柜潜在的故障，更无法判断故障发展趋势，针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜
温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。这些装置的测温原理大致分为如下几类：
①红外成像
通过红外热像仪获得开关柜的红外图谱，通过红外图谱间接判断开关柜的温度。
2)热敏元件的线性化处理与量程定标；
3)自动显示及控制。
优点：
1)热敏元件性能稳定，应用V／F转换技术及光纤传输技术，抗干扰的能力强：
2)与微机相连，可进行远程控制，实现了电力系统的网络控制与监测；
3)光纤式温度在线监测仪，采用光纤传导温度值，不受高压和环境的干扰，监测仪所带的光纤测温传感器能够安装到欲测带电物体的表面，直接检测出温度值；
(3)目前所采用的高压开关柜在线监测技术，只能对高压开关柜进行点对点的温度测量，而不能对高压开关柜内各点进行全面监测，缺乏灵活性，且在价格方面都比较昂贵。
总之，以上装置除了上述局限性外，还存在高压开关柜故障诊断策略上的共同局限性。并且，它们都是孤立地对高压开关柜电触头温度进行测量，而没有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此，这些装置无法对电触头的工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而当出现异常温度时，开关柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属于电力设备故障检修的范畴。
④光纤测温
在电触头表面上贴装光纤温度传感器，通过光缆连接到安装于柜体的光纤解调器，光纤解调器输出对应的温度数据。以上提到的装置虽然解决了人工巡检存在的问题，但依然存在不足，其主要的局限性如下：
①红外成像的方法在变电站套管、避雷器、母线等设备的温度监测中应用较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，通过红外图谱间接获取温度数据其准确性不能满足要求，对红外图谱的计算机识别技术水平还不能替代人工识别，自动化程度不高，同时红外热像仪的成本较高，不利于推广使用。
2
本系统可为高压开关柜由故障检修、预防性检修过渡到状态检修提供有效手段，从而提高高压开关柜的运行水平，降低事故率，保障变电站的安全可靠运行．
本系统的设计原理是通过数字温度传感器对高压开关柜运行状态的温度参量进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开关柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心计算机的智能诊断系统对高压开关柜的状态进行诊断，并对开关柜内关键部件进行状态评估和电寿命预测，从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出预警。
为保证电力设备安全运行并最大限度地减少停电维修引起的损失，电力系统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检修过渡。作为输配电系统中广泛运用的高压开关柜，对其实施状态检修有极大的重要性。在这种形势下，开发一种新型高精度、高可靠性的高压开关柜在线监测及故障诊断系统具有重大的意义。
第
2
由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。
(1)准确设定被测物体表面的发射率；
(2)尽可能靠近被测物体进行测量，并j聚焦于被测处，以减小大气衰减，并充分利用红外分辨率；
(3)尽可能直射被测物体表面；
另一种是利用光纤温度监测仪，实现对在运行的高压开关柜的触头温度进行测量。例如：Nsmart 8型光纤温度监测仪已用于开关柜触头温度监测，其单个单元装置包括温度传感器、传输光纤、监测仪主机。测量电路转换测温点采集的温度量为相应的电信号，经逻辑控制电路产生数字信号并传给光调制器,调制后由光纤传给监测仪主机，FhLCD屏显示各测点温度。温度测量范围在30℃～+100℃，误差小于0.5℃，分辨率为±O.1℃。
分 类 号密 级：
毕 业论 文
题 目：高压柜温度控制系统
姓名
学 号
系 别
专 业电气自动化
指 导 教 师
论文提交日期2011年10月
高压柜温度控制系统
摘 要
目前高压开关柜温度测量装置主要针对电触头进行，由于测温原理和方式的局限，必须采用昂贵的红外温度传感器或光纤光栅温度传感器完成对温度的测量，而这两种测温手段在目前集成化程度越来越高的开关柜内实施难度也越来越大，同时，孤立地测量电触头的温度无法对开关柜内的温度整体分布做出判断，因而无法对开关柜内可能发生的部件过热故障做出准确预警。本文介绍了一种新型高压开关柜在线监测及故障诊断系统，采用开关柜内合理布置的数字式温度传感器阵列获得高压开关柜内温度场分布，结合从SCADA系统获得的开关柜运行数据以及数据库中的历史数据，对高压开关柜进行横向和纵向的比较分析，实现在线监测基础之上的状态诊断和故障预警。实际安装调试验证了本系统对于高压开关柜进行状态综合评估的正确性和可行性。
被动式测温采用接收被测量点辐射出的远红外波，通过判断远红外波长来确定测量点温度；而主动式测温则是通过装设在测量点的温度传感器直接测量温度。被动式测量的优点在于通过凸透镜直接接收测量点发出的远红外波，接收器(传感器)可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测量系统结构简单；其缺点是只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，这往往成为致命的弱点。
另外，还有基于CAN总线的红外温度在线监测系统，以及利用红外热成像仪对电力系统中高压设备进行监测，从而预防和发现故障。其功能包括：
(1)红外测温技术能够及时发现和检测出设备内部绝缘状态以及外部的发热缺陷，对设备缺陷及时处理，保证电网的安全运行；
(2)红外测温技术能及时发现高压电气设备的发热缺陷；在使用红外技术测温时，需注意：
主动式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布置灵活：其缺点是必需解决传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下的工作可靠性、传感器与主机之间的高电压隔离以及传感器自身的工作电源问题。
目前，在高压开关柜的在线监测中广泛采用的有如下两种方案：
一种是利用红外监测装置，采集红外辐射信号，对在运行条件下的高压开关柜的触头温度进行测量。红外传感器进行温度测量是通过接收被测目标发出的红外辐射来确定其温度的。因此可以测量高温的、有腐蚀性的、高压带电的物体，并以其速度快、范围宽、且对被测温场无干扰等优势在高压电力设备的温度在线监测领域中得到越来越广泛的应用。
②传统接触式测温、红外信号传输
采用传统的接触式温度传感器(热电耦、集成温度传感器等)测温，传感器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高压母线获得。测量所得信号经数字编码后驱动红外发射管，由安装于柜体低电位上的红外接收管接收红外信号，再通过解码电路得到温度数据。
③红外探头测温
在开关柜柜体上安装若干红外测温探头，通过接收电触头的红外辐射来确定其温度。
4)由于开关柜内的空间非常狭小，光纤可以根据开关柜的内部结构弯曲成不同
形状，不影响原有的开关设备。
以上这些监测方法都是对高压开关柜进行点对点的温度测量，在测温原理和方式上分别具有不同程度的局限性：
(1)红外温度传感器在高压开关柜内的安装是固定的，且红外测温探头必须与被测物体保持一定的安全距离，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难，同时有可能降低开关柜内部的绝缘水平．此外，红外探头测温的方式容易受到开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素很多且具有时变性，无法对其一一校正。因而，这种方式通用性较差，无法推广使用。
②传统接触式测温、红外信号传输的方式需要将温度检测器和获取电源的感应线圈安装于高压母线上，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难，同有可能减小开关柜内部的绝缘净距。
③红外探头测温的方式容易受到开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素很多且具有时变性，无法对其一一校正，因而这种方式通用性较差，无法推广使用。
Nsmart 8型光纤式温度监测仪还可以组成测量网络，由上位计算机在线监测所有监测仪所测量的温度。此外，光纤温度监测中，光纤温度传感器是直接安装到开关柜内的监测点(如开关触头)上，在线监测运行温度。
基于光纤传输的温度测试，成功地解决了高压开关柜中触头温度的测量。其功能、优点如下功能：
1)实现高压、强磁场、狭窄空间下的信号拾取，传输与转换；
④光纤测温的方式目前应用较多，但其配套的光Fra Baidu bibliotek传感网络分析仪体积较大，无法在开关柜内部安装，同时该分析仪只提供了与单台PC机的通信接口，无法嵌入已有的变电站自动化系统中。
除了在测温原理和方式上分别具有不同程度的局限性外，以上装置还存在高压开关柜故障诊断策略上的共同局限性。以上装置都是孤立地对高压开关柜电触头温度进行测量，而没有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此，这些装置无法对电触头的工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而当出现异常温度时，开关柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属于电力设备故障检修的范畴。
系统运行目标：建造先进的高压开关柜温度在线监测系统，实时掌握设备运行状态，及时发现发热异常的部件，避免因突然停电造成生产事故，从而带来不必要的经济损失。
在每个高压开关柜内放置3N个红外测温探头，分别采集柜内N个三相隔离开关触头的温度。通过RS485总线将温度数据上送至数据采集单元；数据采集单元负责将温度就地显示，设置报警参数，并在温度超限时报警，同时将温度数据和报警信号通过RS485总线上送至数据主控单元；数据主控单元将3N个数据采集单元的信息汇总，并留出通讯口，以便依据标准协议(如电力系统101规约协议)，通过RS485总线将整个网络与变电站综合自动化系统相连141。