專利名稱：一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓開關(guān)電器安全運行監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種高壓開關(guān)電 器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的快速增長，電力系統(tǒng)的規(guī)模和負(fù)荷也不斷快速增長，高 壓開關(guān)電器設(shè)備的負(fù)荷水平也越來越高。長期處于高負(fù)荷狀態(tài)下的高壓開關(guān) 電器設(shè)備極易出現(xiàn)因載流等原因引起導(dǎo)電連接處溫升過高，從而導(dǎo)致開關(guān)電 器設(shè)備損壞，甚至發(fā)生"火燒聯(lián)營"的事故。因此，對高壓開關(guān)電器設(shè)備實 施溫升狀態(tài)的在線監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)其潛在的事故隱患，對于提高電力系統(tǒng)運 行的安全可靠性具有重要的經(jīng)濟和社會效益。
高壓開關(guān)電器設(shè)備的溫升狀態(tài)在線監(jiān)測采用的方法按照溫度傳感裝置是 否與被測物體直接接觸，分為接觸式和非接觸式兩種。
例如中國專利ZL200420041719.1，名稱為"一種成套開關(guān)在線監(jiān)測接觸 式溫度傳感裝置"，提出了一種接觸式的溫度狀態(tài)在線監(jiān)測方法。為了解決接 觸式溫度傳感裝置供電問題，該方法采用在母線取流、整流并濾波，并需要 保證母線流過小電流或流過短路電流時均能正常供電，造成取電時使用的鐵 芯制作成本昂貴，不利于大面積推廣實施；中國專利文獻(xiàn)CN1400453，名稱 為"分布式光纖溫度傳感裝置系統(tǒng)"，提出了一種通過激光發(fā)生器發(fā)出的光脈沖進(jìn)入帶雙向耦合器的光纖進(jìn)行測溫，這種技術(shù)易受到環(huán)境溫度的影響，且 采用激光發(fā)生器和光纖，成本較高，且光纖與一次回路有接觸的連接，人為 地增加了出現(xiàn)絕緣故障的可能性。
專利號為02258947.3，專利名為"基于軟件補償?shù)募t外測溫傳感裝置"， 采用紅外輻射原理，提出了一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用測溫 傳感裝置。該專利采用絕緣材料制作的熱源屏蔽筒來限制熱電堆探頭吸收紅 外熱輻射的面積，從而實現(xiàn)母線溫升狀態(tài)的測量。這種方式用于10kV及以下 (空氣絕緣距離^125mm)開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)監(jiān)測時效果良好。僅靠熱源 屏蔽筒限制紅外熱電堆探頭吸收被測物體(如載流母線)紅外熱輻射的面積 的方法，當(dāng)測量更高電壓等級開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)時，如40.5kV電壓等級 及以上電壓等級的高壓開關(guān)電器設(shè)備(空氣絕緣距離要求^300mm)時，因測 量區(qū)域過大，傳感裝置受非被測對象的干擾過于嚴(yán)重，使得測量精度大大降 低，無法滿足測量要求。
又如ABB公司研制的'Safe Guard'裝置，采用石英晶體聲表面波元件 作為溫度敏感元件，將其粘貼在待測部位，由其組成的振蕩回路輸出與溫度 有關(guān)的頻率信號，采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)，將高電位處溫度值發(fā)送到低電位 處的紅外接收器上。揚州工學(xué)院采用不導(dǎo)電的石英晶體傳感裝置解決了高電 壓隔離問題。但是，上述方法成本高昂，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
綜上所述，中國專利ZL200420041719.1、ZL01400453和ABB研制的'Safe Gimrd'、揚州工學(xué)院研究的石英晶體傳感裝置存在成本昂貴的缺點；中國專 利ZL02258947.3無法實現(xiàn)長距離(〉300mm及以上)高壓開關(guān)電器設(shè)備溫度 狀態(tài)在線監(jiān)測問題。因此，降低測溫傳感裝置的硬件成本、提高系統(tǒng)的抗干擾能力并實現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫升狀態(tài)在線監(jiān)測，對其在更高電壓等級開關(guān)電器設(shè)備 的推廣具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，它的硬件成本低，適用電壓等級高，抗電磁干擾性能好。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn) 一種高壓開關(guān)電 器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置，包括外殼，設(shè)置在外殼內(nèi)相互電連接 的紅外熱電堆探頭和信號調(diào)理電路板，設(shè)置在外殼上與紅外熱電堆探頭正對 的外界熱源屏蔽筒，其特征在于，所述外界熱源屏蔽筒內(nèi)設(shè)置有光學(xué)聚焦透
鏡o
本發(fā)明還具有以下特點
(1) 所述光學(xué)聚焦透鏡，其測量距離(即與被測物體的距離)為l
5000mm;其焦距為100 150 mm;工作波長范圍為6 14 u m。另外，透鏡 直徑15 30mm，被測物體面積^300 mm2，透鏡探頭面積^2mm2。
(2) 所述紅外熱電堆探頭，采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS534或TPS334
廣叩o
(3) 所外界熱源屏蔽筒由塑料絕緣材料制作而成。
(4) 所述外殼采用銅或者不銹鋼材料制作而成。
本發(fā)明采用光學(xué)聚焦透鏡對紅外輻射信號進(jìn)行聚焦，解決了紅外測溫傳 感裝置在線測溫距離小(〈300mrn)的問題，使得傳感裝置測溫距離大大增加， 可實現(xiàn)5000mm測溫距離，從而使得該傳感裝置可廣泛應(yīng)用于更高電壓等級(如 40. 5kV、 126kV及更高電壓等級)高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測。同時，傳感裝置外殼采用銅或者不銹鋼材料加工而成，可以起到電磁屏蔽的效果，
提高系統(tǒng)的抗強電磁干擾能力；熱源屏蔽筒采用絕緣材料制作，不但可以屏 蔽外界熱源紅外輻射對傳感裝置的影響，還可減小傳感裝置與被測物體之間 的距離，提高測量精度。本發(fā)明在保證測量精度的前提下，有效地降低了傳 感裝置的成本，提高了傳感裝置在惡劣電磁環(huán)境下的抗干擾能力，實現(xiàn)了傳 感裝置的優(yōu)化配置。


圖1為傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1中光學(xué)聚焦透鏡測溫示意圖； 圖3為信號調(diào)理電路板的電路原理框圖； 圖4為信號調(diào)理電路板的具體電路圖； 圖5為傳感裝置實際應(yīng)用示意圖。
具體實施例
以下通過附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 參照圖1，本發(fā)明的高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置包 括外殼1，后蓋2，紅外熱電堆探頭3，外界熱源屏蔽筒4，信號調(diào)理板5 和光學(xué)聚焦透鏡6。其中外殼l內(nèi)設(shè)置紅外熱電堆探頭3和信號調(diào)理電路板 5，紅外熱電堆探頭3與信號調(diào)理電路板5相互電連接，外殼l上還設(shè)置有用 來隔絕干擾熱源熱輻射的外界熱源屏蔽筒4，外界熱源屏蔽筒4內(nèi)安裝有一個 用來將被測物體的紅外熱輻射光線聚焦到紅外熱電堆探頭3的光學(xué)聚焦透鏡 6。傳感裝置的外殼l用純銅或者不銹鋼材料加工而成，可以起到電磁屏蔽的 效果，提高系統(tǒng)的抗強電磁干擾能力。外界熱源屏蔽筒3由塑料絕緣材料制作而成，屏蔽外界干擾熱源的紅外輻射對傳感裝置的影響，同時提高傳感裝 置的絕緣性能。
參照圖2，被測物體(母線)7輻射出的紅外光經(jīng)光學(xué)聚焦透鏡6聚焦到 紅外熱電堆探頭3的有效面積。光學(xué)聚焦透鏡6的選用直徑為15 30mm， 焦距100 150mm，可透過紅外光的波長范圍為6 14 ti m。紅外熱電堆探頭2 的有效面積小于2mm2，從而可降低紅外熱電堆探頭的成本。被測物體(母線) 7與光學(xué)聚焦透鏡6的距離可在為1 5000rnm調(diào)整，以適應(yīng)絕緣絕距離的要求。
參照圖3，信號調(diào)理電路板原理框圖包括信號放大電路501、熱敏電阻 信號放大電路502、電壓偏置電路503、有源濾波電路504、第一 V/F (壓/頻 轉(zhuǎn)換)505電路和第二 V/F電路506。其中，電壓偏置電路503與信號放大電 路501連接；紅外熱電堆探頭3的一路輸出依次連接放大電路501、源濾波電 路504、第一V/F電路505，輸出被測物體的溫度信號f。；紅外熱電堆探頭3 另一路輸出依次連接熱敏電阻信號放大電路502、第二V/F電路506，輸出被 測物體所在環(huán)境的溫度信號f6 。
被測物體的熱輻射紅外光通過光學(xué)聚焦透鏡6進(jìn)行聚焦，傳送到紅外熱 電堆探頭3，紅外熱電堆探頭3將的紅外輻射轉(zhuǎn)換成代表被測物體溫度的電壓 信號，紅外熱電堆探頭3內(nèi)的熱敏電阻輸出代表環(huán)境溫度的電壓信號，信號 調(diào)理電路板5將上述兩種微弱的電壓信號放大、濾波后轉(zhuǎn)換成頻率信號，輸 送到傳感裝置以外的控制板上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(包括溫度補償)，計算被測物體 的溫升。
參照圖4，是本發(fā)明的傳感裝置具體實施電路。對于被測物體的溫度，紅 外熱電堆探頭3的管腳1和3輸出由被測物體熱輻射產(chǎn)生的電壓信號，將紅外熱電堆探頭3的管腳1和3分別接到精密放大器INA128PA的管腳3和2， 精密放大器的放大倍數(shù)可達(dá)10000倍，通過跨接在精密放大器管腳1和管腳8 電位器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；由于被測物體溫度在0 150攝氏度內(nèi)，紅外熱電堆探 頭3輸出的電壓信號為-200uV 2mV ,所以INA128PA的5腳接一個5V的基 準(zhǔn)電壓源進(jìn)行輸出信號電平的抬升，保證其輸出電壓信號在OV以上；為了減 小電源波動對精密放大器工作性能的影響以及輸出電壓信號的干擾，利用鉭 電解電容和高頻獨石電容組成的電源濾波電路對精密放大器的正負(fù)電源進(jìn)行 濾波。為了濾除電壓信號中的高頻干擾，將精密放大器INA128PA管腳6輸出 的電壓信號輸入一個放大器LM124的管腳5，利用LM124和電阻、電容組成的 2階巴特沃茲有源低通濾波器進(jìn)行截止頻率為5Hz的濾波處理，實驗表明，該 濾波器對于波形有很好的改善效果，濾波器輸出比較穩(wěn)定的電壓；濾波后穩(wěn) 定的電壓信號從LM124的管腳7輸出并送入LM331的管腳7，利用由LM331和 外圍電容、電阻組成的V/F轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號(F。)從 LM331的管腳3輸出。對于環(huán)境溫度紅外熱電堆探頭3內(nèi)置的熱敏電阻產(chǎn)生 的電壓由其2腳輸出，將此信號輸入另一個LM124的管腳3，利用由LM124和 外圍電容、電阻組成的放大電路進(jìn)行放大，放大后從LM124的管腳1輸出， 此電壓信號經(jīng)過RC濾波后送入另一個LM331的管腳7，利用由LM331和外圍 電容、電阻組成的V/F轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號(F。)從LM331 的管腳3輸出。
參照圖5，是一個傳感裝置實際應(yīng)用例。傳感裝置安裝時，需將傳感裝置 內(nèi)部的熱電堆探測頭3正對被測物體(母線)7，使光學(xué)聚焦透鏡6也正對被 測物體7，以便更好地接收被測物體輻射出的紅外光，提高測量精度。傳感裝置的后蓋上設(shè)置有DIN導(dǎo)軌8，可使傳感裝置方便地安裝于導(dǎo)軌槽上，并可方 便的移動位置使傳感裝置的紅外熱電堆探測頭3對準(zhǔn)被測物體的測量點。
本發(fā)明為了將工頻和高頻干擾濾除，采用2階巴特沃茲有源低通濾波器， 其截止頻率為5Hz。實驗表明，該濾波器可有效濾除工頻和高頻電磁干擾，輸 出穩(wěn)定的直流電壓信號，大大提高了傳感裝置的測量精度；考慮到傳感裝置 的應(yīng)用對象是高壓開關(guān)電器設(shè)備，在外殼的加工上盡量使外表光滑；外殼的 厚度為2mm，以保證傳感裝置外殼的耐用和抗電磁干擾作用。
本發(fā)明利用光學(xué)透鏡實現(xiàn)遠(yuǎn)距離紅外熱輻射信號的聚焦，來實現(xiàn)高壓開 關(guān)電器設(shè)備載流母線溫升狀態(tài)在線監(jiān)測要求的遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測；利用軟件完 成傳感裝置環(huán)境溫度補償，輔以軟硬件抗干擾設(shè)計，系統(tǒng)優(yōu)化配置等方法， 在保證系統(tǒng)測量精度前提下，大大提高了測溫距離，并有效降低了在強電磁 干擾環(huán)境下系統(tǒng)的成本。
權(quán)利要求
1、一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置，包括外殼(1)，設(shè)置在外殼(1)內(nèi)相互電連接的紅外熱電堆探頭(3)和信號調(diào)理電路板(5)，設(shè)置在外殼(1)上與紅外熱電堆探頭(3)正對的外界熱源屏蔽筒(4)，其特征在于，所述外界熱源屏蔽筒(4)內(nèi)設(shè)置有光學(xué)聚焦透鏡(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，其特征在于，所述光學(xué)聚焦透鏡(6)的測量距離為1 5000mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，其特征在于，所述光學(xué)聚焦透鏡(6)的焦距為100 150mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，所述光學(xué)聚焦透鏡(6)的工作波長范圍為6 14um。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，其特征在于，所述紅外熱電堆探頭(3)，采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的 TPS534或TPS334產(chǎn)品。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，其特征在于，所外界熱源屏蔽筒(4)由塑料絕緣材料制作而成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感 裝置，其特征在于，所述外殼(1)采用銅或者不銹鋼材料制作而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及高壓開關(guān)電器安全運行監(jiān)測領(lǐng)域，公開了一種高壓開關(guān)電器設(shè)備溫升狀態(tài)在線監(jiān)測用傳感裝置。它包括外殼(1)，設(shè)置在外殼(1)內(nèi)相互電連接的紅外熱電堆探頭(3)和信號調(diào)理電路板(5)，設(shè)置在外殼(1)上與紅外熱電堆探頭(3)正對的外界熱源屏蔽筒(4)，其特征在于，所述外界熱源屏蔽筒(4)內(nèi)設(shè)置有光學(xué)聚焦透鏡(6)。
文檔編號G01J5/12GK101419093SQ20081023242
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者翊 吳, 楊愛軍, 王小華, 凡 白, 榮命哲, 馬瑞光 申請人:西安交通大學(xué)