高电压结课论文

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高电

变电站高压开关柜接点温

度在线监测系统研究

课程名称：高电压技术

任课教师：高金兰

所在学院：信息技术学院

专 业：电气工程及其自动化

班 级：电气08-4

学生姓名：吴亭

学 号：20084073413

中国·大庆

2011 年 12 月

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变电站高压开关柜接点温度在线监测系统

研究

摘要：

在高电压电气设备的故障中，发热造成停电的问题，时有发生。因此，对高压电气设备实施在线温度监测已成为电力系统中电气设备安全运行所急需解决的问题。为了解决这个问题，本文从监控系统用户需求与功能分析入手，结合当前飞速发展的光纤传感技术、计算机软件技术、硬件技术、自动控制技术和通讯技术，开发了一套高压开关柜接点温度在线监测系统。本系统针对当前电力系统的实际情况及需要提出了一种简单可行的新测温方法：光纤温度传感器：它具有不受电磁干扰、安全可靠、结构简单、成本低、安装方便等优点。硬件采用新型C8051芯片。

通过实验结果表明本系统实现了接点温度在线监测、显示、报警等功能，且具有较好的扩展性和维护性，可以稳定、可靠的运行。

关键词：光纤温度传感器，高压开关柜，在线监测，C8051,双金属片

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目录

前言 .................................................................................................................................................. 3

1 接点温度监测系统的总体设计 ................................................................................................... 3

1.1 监测系统简介 .................................................................................................................... 3

1.2 系统设计原则 .................................................................................................................... 3

1.3 系统的总体方案 ................................................................................................................ 3

2 光纤温度传感器的硬件设计 ....................................................................................................... 4

2.1 光纤传感器简介 ................................................................................................................ 4

2.2 光纤传感器的选择 ............................................................................................................ 5

2.3 光纤温度传感器与传统传感器性能比较 ........................................................................ 6

3 温度监测仪的硬件设计 ............................................................................................................... 6

3.1 监测仪的主板设计 ............................................................................................................ 6

3.2 RS485与PC的接口电路设计 .......................................................................................... 7

3.3 光纤温度传感器的标定 .................................................................................................... 8

4 结论 .............................................................................................................................................. 8

参考文献........................................................................................................................................... 9

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前言

本温度监测系统是专门用来测量变电站高压开关柜接点温度的。传感器采用光纤温度传感器。适用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境，采用外置电源的方式。鉴于开关柜的环境，要求设计的监测仪能对接点进行温度采集并保存于存储器中；测量完毕后，可以通过上位机温度采集软件将监测仪采集到的数据通过串行接口载入计算机中。同时上一级管理系统在线观察到现场的温度。

该系统利用单片机构成的监测仪对高压开关柜接点温度进行采集和处理。本监测系统主要由光纤温度传感器、监测仪和上位机三大部分组成。

1 接点温度监测系统的总体设计

1.1 监测系统简介

本温度监测系统是专门用来测量变电站高压开关柜接点温度的。传感器采用光纤温度传感器，实用于高电压、大电流、强磁场的特殊环境，采用处置电源的方式。鉴于开关柜的环境，要求设计的监测仪能对接点进行温度采集并保存于存储器中；测量完毕后可以通过上位机温度采集软件将监测仪采集到的数据通过串行接口载入计算机中。同时，上一级管理系统在线观察到现场的温度。

该系统利用单片机构成的监测仪对高压开关柜接点温度进行采集和处理。本监测系统主要由光纤温度传感器、监测仪和上位机三大部分组成。

1.2 系统设计原则

（1）先进性：系统需在了解国内外发展动态，吸收其经验和成果的基础上进行方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性；

（2）可靠性：系统运行安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境长期连续工作；

（3）通用性：在设计时，应充分考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性，可以在开关柜接点推广使用；

（4）扩展性：系统的设计容量要足够大，满足系统今后的扩充需要；

（5）经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高；

（6）操作维护方便性：在软件方面，要求人机界面友好，操作简便；在硬件方面，要求维护检修方便。

1.3 系统的总体方案

系统的光纤温度传感器采用双金属片结构，由计算机和监测仪进行监测，计算机可充分利用其快速的计算功能和丰富的外设资源；监测仪由单片机控制，可发挥其接口简单，数据传输方便，价格低等优点。RS-485总线收发器运用具有光电隔离的数据通讯接口MAX485，利用它构成的外电路比较简单，数据传输稳定、可靠、命令简单。经过上述配置的系统，能

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够实现对测点的覆盖范围较大区域进行监测，性能优于其他形式监测系统，且系统使用简单、方便。

由于本系统的的重点在于实时的监测开关柜接点温度信号，考虑到现场的设备、测点的分散性和系统要求能够通过局域网在线监测系统开关柜接点温度，整个系统从体系结构分为三个层次：数据采集层、监测层、上一级管理层。如图1-1所示。

（1） 数据采集层主要包括光纤温度传感器、监测仪。主要完成对测点的数据采集、数

据处理、实时数据显示、数据传送。传感器安装于被测接点处。监测仪安装于开

关柜前面板，三位数码管分别显示通道和温度。

（2） 监测层由上位机组成。主要完成对所有测点的数据采集、数据处理、数据显示、

声光报警。值班室人员可以对多开关柜、多通道接点温度的实时在线显示。

（3） 上一级管理层主要面向高级管理人员使其能查看各站的监测计算机中监测的温度

数据。 光纤温度传

感器

监测仪

光纤温度传

感器

监测仪

上位机上级监测

光纤温度传

感器

监测仪

图1-1 系统的体系结构

2 光纤温度传感器的硬件设计

2.1 光纤传感器简介

光纤传感器的基本工作原理：由光源发出的光经过光纤送入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使其成为了被调制了的信号光，再经过光纤送入光探测器和一些电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。按照信号在光纤中被调制的方式差异，光纤传感器可以分为强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型和波长调制型。

光强度调制是光纤传感技术中相对比较简单，用的最广泛的一种调制方法。自从光纤传感器在70年代出现以来，强度调制型光纤传感器得到了广泛的应用。强度调制型光纤传感器除具有一般光纤传感器的特点外，还具有成本低，结构简单等优点。他们在近三十年来发展很快。在目前一些高新技术中，如纳米级技术，智能结构，生物和医学等方面，它们的应

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用受到了重视。和干涉型光纤传感器相比，强度调制型光纤传感器灵敏度低，但仍能满足多数工程应用的要求。

由于本课题研究的光纤传感器主要是应用于电力系统，而决定产品能否在电力系统大范围应用的一个主要因素是性能价格比。就调制器本身和探测过程而论，强制调制是最简单的方法。只要注意选择光源和探测系统。

2.2 光纤传感器的选择

光强度调制的具体调制方法很多，根据本实验所要求的测温环境，目前可用的强制调制方法有：

（1）利用光纤微弯产生损耗进行光强度调制

其原理如图2-1所示。一根多模光纤夹在一对变形板之间，以周期T弯曲成规则的形状，变形板的形状，变形板响应环境的变化，对光纤施加一压力，使其产生形变，导致光纤内发生模式间的耦合，使得有少量芯模能量转换成包层能量而损失掉。通过检测纤芯中光功率的变化，就能确定微弯板位移量的大小或微弯板收到压力的大小。

光强与变形板位移间的关系，在小位移时是线性的。对大位移或用聚合物涂复的光纤，这个关系是非线性的，但实现测量的动态范围大。

图2-1 光纤微弯型光强度调制

（2）迅衰场型光强度调制

它包括一对单模光纤或多模光纤，其原理如图2-2所示。图中的L表示两光纤相互作用长度，d表示两纤芯的距离。在作用区内，包层被减薄或整个剥去，以便使纤芯之间的距离减小到足以在这两光纤的相当小的相互作用长度之间产生迅衰场耦合。只要两导波是相同的，则两光纤的间隔改变时，相互之间的耦合功率就会改变。若把两导波的相互作用封闭在折射率（与包层折射率相同）为n2的留质或可塑弹性体中，耦合就能增强。待测特定立场感生的间距，相互作用长度或折射率只要发生一点微小变化，耦合进入下部光纤或传感光纤的光将产生重大变化。

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图2-2 迅衰场型光强度调制

利用这种光强度调制可以探测多种外界物理量的变化，因为很多物理量都可以用位移作为中间手段实现测量。缺点是，对装置的加工精度要求特别高。

2.3 光纤温度传感器与传统传感器性能比较

光纤温度传感器与传统传感器性能比较如表2-1所示。

表2-1 光纤温度传感器与传统传感器比较

3 温度监测仪的硬件设计

3.1 监测仪的主板设计

监测仪的硬件系统由电源、光电转换装置、C8051、LED、RS485、JTAG等部分组成。每个监测仪控制六个光纤温度传感器，即六个通道。光纤温度传感器将温度的高低转变为光纤中的光的强弱，光电转换装置将光光强转变为电压，通过引脚AIN0-AIN7，C8051芯片光电转换后的电压传入其芯片内部，调用已设定好的程序对数值进行处理。LED由CPU控制，采用三位数码管显示，第一位显示通道号，二三位显示温度值。RS485串口传送，用于监测仪与上位PC机间的数据传送。JTAG用于软件的调试与安装。通过调压、稳压、降压后形成的3.0V的稳压电源，供单片机使用。由于采用了新型芯片C8051使电路设计更加简单，省去了放大电路、A/D转换电路、不用再扩展引脚。所以整个电路的设计显得简单高效。 硬件系统总体框图，如图3-1所示。

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AIN0

模拟输入

AIN7RXDTXDP1.0

P1.7

P0.4

RS485稳压电源3.0V

JTAG

图3-1 硬件系统总体框图

3.2 RS485与PC的接口电路设计 P0.04TXD8

7

6

5VCCBAC8051P0.1P0.21RXDROMAX4852/REDE

图3-2 RS485与PC的接口电路图

由表3-1可知：DE为发送器输出使能端，DE=1时，允许发送器工作，DI端为输入端，

A、B端为输出端；DE=0时，发送器被禁止，输出端为高阻。从表3-2可见，RE为接收器输入使能端，RE=0时，运行接收器工作，A、B为输入端，RO输出端；RE=1时，接收器禁止，RO为高阻。在图3-2中，将DE与RE端接在一起，并与C8051单片机的一个I/O口（P0.2）相联，通过P0.2口控制MAX485的工作状态。

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表3-2 MAX485的接收功能

输入 输出

RE A-B RO

0 0.2V 1

0 0.2V 0

0 输入开路 1

1 X 高阻

3.3 光纤温度传感器的标定

在实验室内用传感器对不同的温度梯度进行测定，通过检测部分得出标定曲线，然后进过软件设计，修正校准检测结果以得出准确温度值。测得温度与电压值见表3-3。

表3-3 所测温度与电压数据

为求的电压与温度之间的函数关系，决定采用约束三次样条曲线差值计算方法，这种计算方法比起传统的三次样条曲线差值计算方法，解决了过冲与欠冲的问题，光滑度差一些，但是各区别的分段函数更加准确。

4 结论

此温度在线监测系统实现了对多柜、多通道温度在线监测、实时显示、具有声光报警的功能。传感器安装在母排上。监测仪安装在开关柜的前面板，以利于共组人员现场观察，三位数码管分别显示通道号和它的温度。值班室人员可以通过上位机对多开关柜、多通道温度实时在线监测。上一级管理者可以在Intranet中实现对多个变电站温度在线监测及信息查询。此系统解决了传统传感器可靠性低、应用范围窄、抗干扰能力差等缺点和不足。具有抗干扰能力强、灵敏度高、测量范围广、可实现对测量的远距离监控和成本低等特点，操作界面具有可视化好、人机界面简单、易使用等优点。

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参考文献

[1]黄建华,全三零.变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展，电力系统自动化，2001,25(16):56~31.

[2]赵仲刚等.光纤通信与光纤传感[M].上海:上海科学技术文献出版社,1993.

[3]郑华耀.检测技术[M].北京：机械工业出版社,2004.

[4]郑冕,巩建平.现代可编程序控制器原理与应用[M].北京:科学出版社,2000.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xsxj.html