实时监测一次触头温度

在可移开式开关柜中，一次触头的接触部位往往有因工艺原因造成的手车中心距尺寸超差大，触头结构不好或表面镀层薄使动、静触头接触不良，从而导致局部严重过热、烧毁触片甚至引发燃弧、爆炸事故。因而对该部位温度的监控关注度尤其高。经多年研究，国内外已开发了多种采集高电位热量信号的传感器和数据传输、分析处理系统以及它们各种各样的组合方式。

按照测量方式来分，有接触式测量法和非接触式测量法两种。非接触测量是使用红外线测温仪的红外热相法，这是高压输变电设备运行监测应用很普遍、直观且具有高灵敏度的有效方法，安装在开关柜内可以精确地检测各触头的温度。但因仪器价格高、为防止电击必须在仪器与被测点之间保持相当大的安全距离等因素，同时由于在探头表面积灰的情况下测量会发生极大的误差，这一方法少有应用。接触式测量法是将传感器置于高电位的触头附近，直接测量该点温度，然后将之转换为数据信号传输给低电位的接收装置。

接触式测量法的技术关键之一是在电位隔离的条件下进行信号或数据的传输。按照传输的方式分类可有三种：①传感器接触测温，红外线传输数据；②传感器接触测温，无线电电磁波传输数据；③传感器接触测温，光纤传输数据。

这几种传输方式有着各自的特点。红外线和光纤数据传输不受强磁场的干扰，数据传输稳定、可靠。但应注意光纤表面如积尘严重可能有发生沿面闪络的危险，此外。在维护时还需注意勿将光纤折断；对此问题，国内有的厂家采取将光纤直接预埋入固封极柱内，然后把信号引到低电位接口的解决办法。采用无线电电磁波传输数据的方式则需注意其抗强磁场干扰的能力以及电磁波是否对微机型继电器正常工作的影响问题。

接触式测量法的另一技术关键是研发高灵敏度的传感器及小型信号转换装置。按照目前已研发的传感器原理来分，有石英温度传感器、半导体温度传感器、半导体吸收式温度传感器三类。随着技术的不断发展，今后还可能出现其他新颖的、功能更先进的信号采集元件。

各类传感器的工作原理与其配用的数据传输、接收系统的示例分述如下。

1.石英温度传感器——红外线数据传输系统

利用石英晶体通电后振荡频率与温度有关的特性，将晶体通电后产生的振荡电流或电压经一小型集成线路转变为红外线信号发射出去。石英晶体振荡频率随温度变化的规律近似符合以下关系式

式中：T0为任意的温度基准；T为任意温度；fT0为温度T0时的频率；fT为温度T时的频率；A、B、C为常数。

这套测温系统的接收装置包括光电转换、前置放大、分析和通信功能的电路等。位于高电位的测温和变送装置由小型感应线圈在工频电流磁场中产生的感应电压供给能量。

2.半导体温度传感器——电磁波数据传输系统(www.xing528.com)

这种在线测温系统有两种模式。一种模式是位于高电位传感器的温度采集元件选用性能稳定的热敏电阻，它被贴近地安放在测温点，热敏电阻阻值的变化经高温导线输入到信号发射模块的比较电路中。断路器触臂上附着一小型环形电流互感器TA，当触臂通过大于50A的电流时，TA输出的电流可供给信号处理、发射和命令接受单元工作。发射模块中的比较电路把接受到的电阻随温度变化信号R=f（t）转换成电压信号，然后将之与预先设置的电压信号进行比较。如预先设置的电压信号代表100℃，当被测温度大于100℃时，比较器的输出电压由低变高，使发射器的输入变为高电平，于是触发了无线电编码模块发射信号，此时CPU将温度模拟量信号转换成脉冲数字信号（不同温度值对应不同的脉冲编码）并连同该传感器的地址编码信号也一起调制在315MHz载频上然后发射。位于低电位的接收单元由高频接收放大器、整流滤波器、解码电路和报警电路组成，滤除高频载波后，低频信号被输入到解码电路就得到故障温度、地址、报警信息，并可通过RS485串行口远传上位计算机或控制系统[42]。

另一种模式采用热电偶做为温度采集元件。热电偶对应温度变化产生的电势输入到温度采集发射模块，被放大和编码处理后经无线发射电路以2.4MHz的频率发射出，在高电位的模块由锂电池供电。无线接收模块由无线发射电路、CPU、逻辑控制电路组成，系统的分辨率为0.5℃，测量精度达±0.5℃。

3.半导体温度吸收式传感器——光纤数据传输系统

光纤数据传输系统也有两种模式。一种模式的传感器采用对光有吸收作用的Ga As材料制作半导体温度传感器。Ga As是直接带系结构的半导体材料，禁带宽度决定了吸收峰的位置或波长。由于其禁带宽度有随温度升高单调下降的特性，Ga As吸收的波长λ随温度增加向长波方向移动，因而透射的光强减少，即透射率变小。对一束光强不变的入射光而言，这时它的反射率变大。利用这一变化，将单片微处理机控制的激光源按一定频率通过光纤入射到传感器内，再将从光纤原路反射的光强转换成电信号之后，经前置放大、滤波再由A/D接口输入到单片微处理机，根据反射光强的信号即可测得触头的温度。

图5-21　Ga As的光透射率和吸收的波长与温度的关系

Ga As吸收的光透射率随温度变化的特性如图5-21所示。

另一种模式的传感器采用Fably-Perot槽技术制作。传感器的主要元件为一薄硅片，在其中段的顶部和底部蚀刻有矩形槽（称Fably-Perot槽），然后在薄硅片顶部粘上一层玻璃。当该处温度变化时，由于硅片和玻璃的热膨胀系数不同，内部产生的应力使槽的深度发生改变。在用光纤将多色光入射到槽内时，由光纤输出的反射光主波长随槽的深度改变而变化，于是将主波变化信号转换后可得到被测点的温度信息。

4.数字式温度传感器—光纤数据传输系统

测温探头采用的是数字式温度传感器。该传感器由测温元件和温度采集终端组成，温度采集终端将采集的温度量值转化为脉冲光信号，经光纤传输到低电位的温度数据采集单元进行光电转换，再经SPI串行总线传送至温度监视单元或传至上位机。传感器的工作电流由附在断路器触臂上的小型电流互感器供给[43]。

在以上几种无源温度探测装置中，高电位的模块或功能单元大都由套在触臂上的小型电流互感器供电，能量取自通过触臂的工作电流。电流互感器采用铁芯结构，利用铁芯的饱和特性，对应断路器在几十安至4000A的工作电流范围内其输出电压可一直维持稳定。