低压开关柜触头温度测量的研究与设计

0 引 言

低压开关柜中,可抽出式的柜型因其模块化设计、扩展性强、便于维护[1-3]等优点而被广泛使用。这种类型的开关柜,一般通过触头连接装置将可插拔功能单元的输入端导引到配电母排上和输出端导引到外部接线母排。在功能单元的插入过程中,其输入端和输出端与母排容易接插不对位,造成母排接触面小,长期大电流运行时可能导致插接部位温度过高,引起故障甚至烧毁设备[4]。但由于空间的限制,传统可插拔功能单元不能长期监控插接部位的温度,出现问题时无法及时进行报警、维护和更换。

目前间接测量接插部位温度的方法,即通过测量触头后部的电缆表面温度来进行。但由于测量位置离接插部位有一定距离,且电缆存在不同规格,如截面积差别、绝缘护套厚度不同等问题,换算成接插部位也即触头的温度,存在较多不确定因素,会有较大偏差,具有很大局限性。

本文研究并设计一种基于现有低压开关柜可插拔功能单元的结构、兼容性好、装配简单的集成式触头温度测量装置。温度传感器采用红外技术,实现了点对点实时监控被测触头的温度。

1 系统的硬件结构

考虑到兼容性和电气方面的要求,在原可插拔功能单元的触头连接装置上设计了与被测触头一一对应的导槽,用于插入红外测温模块。红外测温模块与触头连接装置如图1所示。借助于红外测温的非接触特点[5-6],测温模块与被测触头之间可保证要求的电气间隙和爬电距离。

红外测温示意图如图2所示。图2中,被测触头的测温区域涂覆有法向全发射率高于85%的黑体漆[7],用于增强红外线频谱的辐射能量。红外测温模块正对被测触头的一侧开有小孔,触头上黑体漆对外辐射的能量通过该小孔被模块内的红外热电堆传感器[8]接收。

图1 红外测温模块与触头连接装置

图2 红外测温示意图

红外热电堆传感器将接收的能量转化成对应的电压信号,并储存在芯片内部的寄存器。

红外测温模块的后部留有接口,用于连接数据线。多个红外测温模块采用菊花链拓扑的结构,由一根数据线串起后再与温度采集模块相连。不同测温模块以不同的通信地址来区分,通信拓扑结构如图3所示。温度采集模块设计了两个接口,可同时连接两组红外测温模块。

图3 通信拓扑结构

以某型可插拔功能单元为例,系统在低压开关柜内的典型应用如图4所示。3个红外测温模块装入可插拔功能单元的输入端触头连接装置,分别监控三相输入触头的温度,另有3个红外测温模块装在可插拔功能单元的输出端触头连接装置,用于监控三相输出触头的温度。这两组红外测温模块分别通过数据线与同样安装在可插拔功能单元内的温度采集模块相连。温度采集模块将计算得到的温度数据传给本地显示面板和远程上位机,并可根据设定的温度限值,在触头温度过高时进行预警或作保护动作。

图4 系统在低压开关柜内的典型应用

2 系统的校准与实现

根据Stefan-Boltzmann定律[9-10],一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量与黑体本身的热力学温度的四次方成正比。即

J=εσT 4

(1)

式中: J——黑体辐射的能量通量密度;

ε——黑体反射系数,理想状态下为1;

σ——Stefan-Boltzmann常数;

T——黑体的热力学温度。

红外热电堆传感器接收到黑体辐射的红外能量,在内部转换为对应的微伏级电压Usensor。Usensor的大小正比于黑体辐射的能量通量密度与传感器自身的能量通量密度之差[11-12]。在本系统中,可定义为

(2)

式中: C——系统经验常数;

Tobject——触头的热力学温度;

Tsensor——传感器自身的热力学温度,由传感器内置的温度探头提供。

故

(3)

在实际系统中,由于光路的传播效率、传感器的特性及其所处环境其他发热体的影响,应将传感器输出的偏置电压Uoffset以及温度修正系数S考虑进去补偿,式(3)更新为

(4)

通常,参数Uoffset会随Tsensor的不同而变化,参数SC则更接近于常数。为了得到对应关系,系统应在不同Tsensor和不同Tobject下进行矩阵式校准。校准试验时,整套系统放入环境试验箱内,通过控制试验箱的温度来调节传感器自身的温度Tsensor,通过改变流经触头的电流来调整触头的温度Tobject,触头的温度由高精度热电偶标定得到,某型触头的温度标定如图5所示。

图5 某型触头的温度标定

首先对参数Uoffset进行校准试验。系统的触头不通电流,此时触头的温度与传感器自身的温度一致。由式(4)可知,当Tobject=Tsensor时,采集到的Usensor即为Uoffset。分别调节环境试验箱的温度并稳定在至少3个温度值,如298.15、323.15、348.15 K,记录每个温度下读取到的Usensor数值。

以某公司某型触头为例,参数Uoffset的校准数据如表1所示。

表1 参数Uoffset的校准数据

3组数据接近于线性,将其拟合为直线,则

Uoffset=Usensor=4.159×10-5-2.361×10-7Tsensor

(5)

接着对参数SC进行校准。校准时,系统的触头通以电流,缓慢升高触头的温度至约398.15 K。在这个过程中,实时记录对应的Usensor、Tsensor以及标定的触头温度Tobject_TC。

同样以某型触头为例,联合式(4)和式(5),可得

(6)

将校准得到的数据应用到式(6),得到参数SC与Tsensor的关系如图6所示。

图6 SC与Tsensor的关系

由图6可以看到,参数SC在本系统中随Tsensor的升高而略有减小。这里将其拟合为直线:

SC=3.62×10-14-2.29×10-17Tsensor

(7)

若校准得到的参数与Tsensor的关系不是线性的,则应采用分段函数,或添加有关Tsensor的二次项,再拟合为曲线。

最后,将拟合后的式(5)、式(7)应用到式(4),那么

(8)

由式(8),即可在实际应用中根据传感器提供的Tsensor和Usensor,计算出被测触头的温度Tobject。此外,为提高精度,同一个系统中,还应对不同规格的触头做独立校准或补偿。

3 验证结果

将校准后的各组系统参数写入温度采集模块,温度采集模块安装在可插拔功能单元内,把功能单元推入开关柜验证测温精度。试验选取Ⅰ型和Ⅱ型两种不同类型的触头,其中Ⅰ型为630 A (带铜排)规格的输入端触头,Ⅱ型为125 A (带线缆)规格的输出端触头。验证得到的触头温度测量误差曲线分别如图7、图8所示(纵坐标为系统计算温度与热电偶标定温度的偏差;正值表示计算温度比实际偏高,负值表示计算温度比实际偏低)。

验证结果表明,对于这两种型号的触头,其最大温度测量误差不超过±1.5 K,满足一般低压开关柜对于温度监控及告警的要求。

图7 Ⅰ型触头温度测量误差曲线

图8 Ⅱ型触头温度测量误差曲线

4 结 语

本方案适用于低压开关柜的各种可插拔功能单元,可实时对功能单元的各触头温度进行监控,并在触头过温时发出预警信号或作保护动作,有效地解决了可插拔功能单元各触头温度过高的隐患,提高了开关柜运行的可靠性。