1、温度测量目 录摘 要 I第一章 绪 论 - 1 -1.1 概述 - 1 -1.2 研究背景与意义 - 1 -1.3 课题的主要研究内容 - 2 -第二章 热电堆式测量高压开关柜接点温度测量装置结构 - 3 -2.1 测量高压开关柜接点温度装置的结构 - 3 -2.2热电堆的工作原理 - 3 -2.3测量温度的方式 - 5 -第三章 热电堆测量温度装置的电路结构与特点 - 7 -3.1热电堆测量高压开关柜接点温度装置的特点 - 8 -3.2测量温度装置的功能介绍 - 10 -第四章 热电堆测量温度装置的工作流程 - 12 -4.1温度采集的流程 - 12 -第五章 热电堆测量温度装置的实际应用
2、- 15 -5.1实际应用领域 - 16 -结 论 - 17 -致 谢 - 20 -参 考 文 献 - 21 -第一章 绪 论1.1 概述随着我国经济的快速增长,电力需求量日益增加,电力供应量的持续快速增长给电网设备带来一系列安全问题,而电网设备主要集中在变电站,其中开关柜作为变电站的重要电气设备,担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重作用,对变电站的安全可靠运行起着举足轻重的地位。近年来,在电厂和变电站中,由于开关柜触头过热已发生多起事故,造成火灾和大面积的停电,因此解决开关柜触头过热问题是杜绝此类事故发生的重要手段。由于高压开关触头处于高电压、大电流、强磁场以及极强的电磁干扰环境中,
3、人工巡查测温困难,且无法使用常规的测温方法对温度进行监测。光纤光栅传感器的发展为高压开关柜内的温度监测提供了可能。因此,建立一套完善的变电站实时在线温度监测系统势在必行。本课题来源于日照五莲向阳站实时在线温度监测系统项目。在分析了当前变电站温度监测的现状以及系统的需求分析之后,设计并开发了基于光纤光栅传感器测温方法的实时在线温度监测系统。系统工作流程：底端数据采集模块将采集到的数据保存到数据库中,现场监测层首先从数据库中取得数据,然后进行相应处理,包括实时显示、报警以及历史查询等操作,并按照循环式远动规约CDT将实时测量温度及报警数值打包为遥测遥信上行传送到远程控制室中,及下行命令实现远程对时
4、等操作。满足了变电站与调度部门对信息的实时性、可靠性的要求,真正实现实时在线温度监测。数据库系统设计是系统设计的基础且重点部分。频繁的插入、查询等操作,给数据库的可靠性、实时性等性能带来严峻的考验,并直接影响整个系统的运行情况。因此,本系统选用数据库,首先对数据库进行结构设计,并着重分析了数据库性能优化问题,使数据库达到最高性能。本文详细介绍了非接触式的热电堆测量高压开关柜接点温度装置的设计,主要包括软件平台的搭建以及各个功能模块的具体设计与实现。采用开发出了良好的人机交互界面,主要包括：各测点的实时刷新模块、用户管理配置模块、实时列表实时曲线模块、历史列表历史曲线模块、报表打印模块、报警模块
5、以及CDT远动通信模块等。适用于无人值守的变电站温度监测。目前,系统已投入使用,而且运行良好。本系统实时在线监测温度变化情况,并可预测温度的变化趋势,把事故消灭在萌芽中,对保证设备安全可靠运行具有十分重要的现实意义。1.2 研究背景与意义 发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电器设备。设备在长期运行过程中，开关柜中断路器的触点因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度采用常规方法将无法监测，如果不能实时监测这些发热部位的温度并采取措施，最终将会导致火灾事故的发生。近年来，在电厂和变电站已发生多起开关柜过热事故，造成火灾和大面积的停电事故，高压开关柜中发热点温度的实时监测是杜绝此类事故发生的
6、关键。通过监测开关柜内触点温度的运行情况，可有效防止开关柜的事故发生，但由于高压开关柜内狭小的结构及高电压的存在，采用人工巡查测温是无法实现的，新型开关柜母线都加防护套，即使用红外测温枪，从观察窗也无法测温。因此进行温度在线监测是保证高压开关柜安全运行的重要手段。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，要对触头测温，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。1.3 课题的主要研究内容本研究课题通过深入分析热电堆的高压开关柜温度测量装置的工作原理，对温度测量装置的应用及发展趋势进行了分析。结合温度测量装
7、置的实际情况，从系统结构、特点、功能、设计开发的思想、方法及各子系统的应用等方面进行详细研究，并对系统应用前后的实施效果进行比较，提出存在的问题和整改建议，为系统的进一步完善提供可行性意见。第二章 热电堆式测量高压开关柜接点温度测量装置结构2.1 测量高压开关柜接点温度装置的结构测量温度主要决定于热端和冷端温度差所产生的热电势，如此虽然热端所处的温度保持恒定不变，但由于冷端产生不规则的温度改变，则所测得的温度值也就成为一原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度所产生的热电势，如此虽然热端变数，或不能代表被测处的实际温度。现代社会对电能的依赖性极高，用电密度越大的地区对电的依赖性越高
8、，因而对供电设备的可靠性提出了越来越高的要求。做为目前普遍使用的小车式开关柜由于断路器与开关柜之间采用插头联接，当小车与开关柜因制造、运输及安装不良等都将引起触头接触不良，接触电阻增大，出现触头温升过高，甚至烧毁停电，这些现象在大电流开关柜如进线柜上尤为突出，且影响极大。电力系统高压设备在长期运行过程中常出现表面氧化腐蚀、紧固螺栓松动,触点和母线排连接处老化等问题,造成设备过热甚至出现严重事故.设为避免此类事故的发生，开发一种能即时监测触头温升的装置显得非常迫切。下图为硬件结构图。图2-1温度测量系统的硬件结构框图2.2热电堆的工作原理热电堆的测温结构可解释为，辐射接收面分为若干块，每一块接一
9、个热电偶，把他们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和真烈性器件。被红外线照射的吸收膜是一种热容量小、温度容易上升的薄膜。在紧靠衬板中央的下部为一空洞结构，这种结构的设计确保了冷端和测温端的温度差。热电偶由多晶硅和铝构成，两者串联连接。当各个热电偶测温端温度上升时，热电偶间就会产生热电动势，因此在输出端就可以获得它们的电压之和。热电现象发现了已经有一个世纪了，但直到近几十年，归功于半导体材料的迅猛发展，才使热电制冷和热电发电走向了实用，从而广泛地应用在社会生活的各个方面，使热电材料与热电技术的研究、发展和应用达到了空前的高峰，解决了很多传统的
10、发电方法难于甚至是无法解决的问题。在国外，半导体电发电已用于浮标灯用电源、石油管道中无人中继站电源和野战携带电源。有应用于偏远无人地区的以天然气为燃料的热电发电机；也有用于汽车柴油机的余热发电机，其正常运行时的功率已经达到了1kW；特别值得一提的是在宇宙航行器上应用的碲化铅半导体热电发电机（以放射性同位素为热源）的效率已达到70%。热电发电适应于广泛的热源温度，没有旋转机械，在合适的温度范围内，可以保持长的运行寿命。如下图所示几种热电堆实例图： 图2-2双、三单元热电堆传感器 图2-3热电堆队列图2-4热电堆模块因此，它开辟了发电技术的一个崭新的分支，解决了许多特殊场合的发电问题，必然具有广阔
11、的应用前景。在西安交通大学制冷与低温工程研究所的温差实验台上对半导体热电堆的复现性进行了实验研究，并以此为基础进而对半导体热电堆的串并联性质做了实验研究；然后对热电堆的各项性能指标进行了有限差分的数值计算，最后对计算值和实验值作了详细的对比，为热电堆的串并联提供了理论和实验的依据，为热电发电的实用化奠定了基础。热电堆传感器是直接感应热辐射，提供完善的遥控测温装置，无需任何铜制品。珀金埃尔默的专利和改进性硅片的显微机械加工技术的融合，产生的了新一代的器件：超稳定性，非常低的灵敏度的温度系数，和光电参数的高重复性。热电堆传感器在遥控温度感应系统方面造价很低，无需制冷，可达1C 的精度，这要是测量量
12、程而定。对于窄的温度范围，作为体温计来说，精度达到C 是可能的。单元热电堆传感器：系列提供不同的尺寸和封装形式，还有各式的窗体可带或不带硅透镜，可以适用于任何一个可遥控测温的实际领域。双、三元热电堆传感器：TPL系列珀金埃尔默的热电堆传感器有两个或四个通道，每个中都可以配有红外频段滤波器。其主要用于气体探测，通过对IR 的吸收。主要用于探测的气体为CO2，氢气和CO。热电堆模块： TPL系列为了方便使用，珀金埃尔默的热电堆传感器提供了带有单元热电堆传感器和完整电路的模块，这是放大和与室温比较所必需的。这种模块有全面校准和实时工作的功能，有不同的温度和光学范围。大部分的模块是用户订制的。热电堆线
13、性和矩阵队列：TPL系列最新的珀金埃尔默热电堆传感器技术特性已经超出了试验阶段。新的TPA（矩阵队列）和TPL（线性队列）系列具有多元热电堆队列，还有光学透镜、放大器和界面电子，压缩与TO-39 型封装内。它结合了固态和无断路温度测量方式，无需实时校正。热电堆的复现性是指，在相同的外界环境下（包括冷、热端温度，环境温度等），热电堆表现出相同的热电性能的性质。热电堆的复现性对于热电发电的实验和理论研究具有重要的意义：1）对于复现性好的热电堆，我们可以根据2 块热电堆串并联的性质来预测多块的串并联的热电发电系统的热电性能，从而节约了实验成本；2）在实验测量时可以按照对称的原则大大减少实验测量工作量
14、；3）热电堆的复现性从一个侧面也反应了大批量生产中批量生产质量的好坏。2.3测量温度的方式高压开关柜温度过高的原因：（1）试验测得数据通常在试验室完成，持续时间不长，一般不超过8h，不具备温升累积效应，不能等同于长期运行并持续发热的设备。（2）不同金属的膨胀效应不同。钢制螺栓的金属膨胀系数要比铜质、铝质母线小得多，尤其是螺栓型设备接头，在运行中随着负荷电流及温度的变化，其铝或铜与铁的膨胀和收缩程度将有差异而产生蠕变，也就是金属在应力的作用下缓慢的塑性变形，蠕变的过程还与接头处的温度有很大的关系。（3）连接部位紧固螺栓压力不当。部分安装或检修人员在导体连接上认为连接螺栓拧得愈紧愈好，其实不然。（
15、4）选用的导体材料电导率不满足要求，多数属于导体原材料纯度不够。为避免此类事故的发生，开发一种能即时监测触头温升的装置显得非常迫切。几种测温方式：（1）普通测温常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。（2）红外测温红外成像仪无法透过柜门测量内部设备，开关柜运行时必须关闭柜门，导致红外方式无法测量。（3）光纤测温光纤式温度测温仪采用光纤传递信号，其温度传感器安装在带电物体的表面，测温仪与温度传感器间用光纤连接。第三章 热电堆测量温度装置的电路结构与特点3.1热电堆式测量温度装置的电路结构 可根据测量温度高低来选择，尽量选用贱金属型热电偶，以降低成
16、本。如铁康铜型热电偶，被测温度范围可达-1001 100，冷端补偿采用补偿电桥法，采用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。不平衡电桥由电阻R1、R2、R3（锰铜丝绕制）、R（铜丝绕制）四桥臂和桥路稳压源组成，串联在热电偶回路中。R与热电偶冷端同处于0,而R1=R2=R3=1，桥路电源电压为4V，由稳压电源供电，Rs为限流电阻，其阻值因热电偶不同而不同，电桥通常取在20时平衡，这时电桥的四个桥臂电阻R1=R2=R3=R，a、b端无输出。当冷端温度偏离20时，例如升高时，R增大，而热电偶的热电势却随着冷端温度的升高而减小。U与热电势减小量相等，U与热电势迭加后输出电
17、势则保持不变，从而达到了冷端补偿的自动完成。实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏（110）面（111）面。用各向异性腐蚀剂MAH（四甲基氢氧化氨）或KOH在一定温度下对硅进行腐蚀，得到倒金字塔结构，在顶部留下层硅膜厚约5000 一10m。4）吸收区制备为增强辐射吸收，在热结区要求涂黑。目前，有很多方法制作黑体物质，如，铝黑、铋黑、金黑、纳米碳管等，并且，在冷端覆盖绝热层，降低和稳定冷端温度，以提高热电堆的探测率。下图为探测器实例图。图3-3探测器感应单元截面图3.3测量温度装置的功能介绍由热电堆设计的温度测量装置实现了简单，操作容易等功能。目前也在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品
18、检测领域中，作为温度检测器件获得了广泛的应用。由于高压开关柜工作中产生大量的热，温度过高对仪器的使用产生很大的影响，甚至会损坏仪器，这就需要对高压开关柜的接点温度进行实时测量，本次研究课题采用的非接触热电堆式测量高压开关柜接点温度。可以实时监测仪器的温度以及做出措施。热电现象发现了已经有一个世纪了，但直到近几十年，归功于半导体材料的迅猛发展，才使热电制冷和电发电走向了实用，从而广泛地应用在社会生活的各个方面，使热电材料与热电技术的研究、发展和应用到了空前的高峰，解决了很多传统的发电方法难于甚至是无法解决的问题。在国外，半导体热电发电已用于浮标灯用电源、石油管道中无人中继站电源和野战携带电源。热
19、电发电适应于广泛的热源温度，没有旋转机械，在合适的温度范围内，可以保持很长的运行寿命。实验用热电堆的半导体材料为目前许多国家在较低热源温度发电时所采用的铋碲锑合金，它们的一些性质。1）测试类型：P 型：（70 75）%（分子）Sb2Te3 +（25 30）%（分子）Bi2Te3 + P 型杂质；N 型：（90 93）%（分子）Bi2Te3 +（7 10）%（分子）Bi2Se3 + 复合杂质。热电堆尺寸为：50mm 50mm 5mm，包括127对半导体热电偶（臂），两面采用氧化铍陶瓷片（氧化铍是一种极好的导热绝缘体，即使在极高的温度下，其热导率也是氧化铝的4 倍），热电偶由铜汇流片串联起来。流冷
20、却，热端由电加热器送风，使热端保持一定的温度。2）测试系统：串连或并联的热电堆接入一闭合回路中，该回路中包括一个可变电阻箱，精密数字电流表，数字电压表；在热电堆的冷、热端分别贴有三支铜-康铜测温热电偶，取其平均值作为冷、热端的温度；微机控制的温度数据采集系统。第四章 热电堆测量温度装置的工作流程4.1温度采集的流程根据DS18B20 的通讯协议, 主机控制DS18B20完成温度转换必须经过以下三个步骤:1） 启动转换:主机发出复位信号等待器件的响应信号主机发出跳过ROM命令主机发出温度转换命令. 2） 等待转换完成:根据不同转换精度,DS18B20所需转换时间是不同的,在12位精度时,所需转换
21、时间至多750ms. 3） 读温度数据:主机发出复位信号等待器件的响应信号主机发出跳过ROM命令发出读温度命令读低8位,读高8位.温度初始化：温度初始化时序如下图所示. 主机总线t0 时刻发送一复位脉冲（最短为480 s的低电平信号） ,接着在t1 时刻释放总线并进入接收状态,DS18B20在检测到总线的上升沿之后,等待1560 s,接着DS18B20在t2 时刻发出存在脉冲（低电平,持续60240 s） ,如下图中虚线所示.图4-1初始化时序技术特点分析：实时监测高压开关柜内接点的运行温度, 可确定触点接头处的过热程度, 当发生超温时, 系统就会发出报警指示。温度传感器被安装到开关柜内的带电
22、触头上, 测温通信终端负责收集开关柜内所安装的温度传感探头的温度数据, 并将所收集的数据通过MODBUS总线网络传到上位管理机, 通过上位计算机中的软件对所接收到的温度数据进行分析, 发现超过警戒的温度或探头故障则即时报警。采用先进的数字化及无线传输技术, 独特的绝缘性能, 使用方便经济。无线传感器内部经过特殊工艺处理, 温度参数变化通过无线传输方式到测温通信终端。接收到的温度信号准确可靠。无论是安装、运行、维修都会高度安全、可靠。不会对一次设备产生任何干扰和影响。标准化设计, 可方便扩展与其它系统互连, 费用低廉, 安装灵活。其中少不了采集过程，下图为数据采集模块电路。图4-2数据采集模块电
23、路从温度信息采集到数据处理、显示、通信自成系统, 可与电力系统综合自动化系统相连接, 也可和电力系统的局域网、广域网相连接, 融入电力自动化综合控制系统。 在软件设计上应用数字编码、解码技术，剔除干扰信号，并使用了软件滤波技术，如以下几点：1）在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波消除高频干扰。检测器与测温点处于同一电位，减 少电场的影响。2）采用ZIGBEE 无线技术。ZIGBEE 是一种搞可靠地无线通信方式：3）供电方式：为消除强电场的影响，温度检测器与测温点处同一高电位，检测器工作电源不能从外部供给，只能由内部产生。为此，在主导电回路上安装一感应线圈作为电源。但由于开关柜工作电流变化很大，一般可达十几倍，为保证感应线圈能提供较为稳定的电源，利用铁芯磁饱和原理，适当选择铁芯截面，小电流时铁芯正常励磁，大电流时铁芯饱和，从而提供了变化幅度较小的电源，再通过电子稳压装置，向检测器提供稳定可靠的电源（正常工作范围30A-2000A）。4）每个温度探头具有唯一的ID：当无线传感器发送被监测点温度的同时，把其自身的编号（ID 号）也传输出来，这些数据最终被传输到计算机时，计算机根据事先在数据库中保存的传感器编号与安装地点关系，自
