高压开关柜触点温度在线监测系统的研究

论文摘要

近年来普遍使用的小车开关柜的开关触点经常因接触不良,接触电阻增大,而出现触点温升过高,甚至烧毁,造成停电的现象,这种情况在大电流开关柜中更为突出。因此,对开关柜的触点温度在线监测具有十分重要的工程意义。由于高压绝缘和强电磁干扰等问题,普通的测温方法无法应用于此领域。本课题设计了一个光/电混合式测温系统,利用光纤的传输特性实现高压隔离传输,同时还对探头电路进行了低功耗设计,可以利用锂电池对其进行长期供电,从而解决在高压环境下不能从外部埋入电线进行供电的难题。本文首先对基本光电器件的特性进行了分析,合理选择了光纤、光源和光电探测器及其之间的耦合方式,设计了一个有效的光纤传输系统。在温度信号采集端,系统根据实际要求选用了无源的热敏电阻作为传感器,对整个测温探头电路全部采用CMOS微功耗集成芯片进行了低功耗设计,其中包括温度-脉冲频率调制电路的设计、脉冲宽度调制电路的设计和光源驱动电路的设计,最后还对整个探头电路的功耗进行了核算;在温度监测仪表端,设计了光电二极管前置放大电路,把光纤传输的光信号转换为同频率的电压信号,然后经过滤波整形处理,通过六通道测温切换电路送入单片机进行计数,最后实现通道转换、温度液晶显示、超温报警等功能;在软件方面,系统编制了数据采集、液晶显示、报警温度上限设置和数据线性化处理等子程序,满足了系统温度采集的各种功能的需要。本文还研究了在高电压、强电磁场的环境下如何保证系统的可靠性,提出了有效的绝缘和抗干扰措施。本课题在实验室现有的条件下,对整个温度采集和光纤传输系统的实现进行了测试,并采用恒温箱设置的温度对系统测量的温度进行了校验,结果表明:本课题所研制的高压开关柜触点温度在线监测系统温升越限报警准确,通道转换及温度显示反应速度较快,测温误差在±1 oC以内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 高压开关柜触点温度监测技术的研究现状
• 1.2.1 高压隔离传输方式的国内外现状
• 1.2.2 温度采集端供电电源的国内外现状
• 1.3 系统的设计方案
• 1.3.1 设计思路
• 1.3.2 系统的框架方案
• 1.3.3 论文的主要工作
• 第2章 光纤、光源，光电探测器的特性分析及其耦合
• 2.1 光纤的传输特性及选择
• 2.1.1 光纤的传输原理
• 2.1.2 光纤的损耗特性
• 2.1.3 光纤的色散特性
• 2.1.4 光纤的选择
• 2.2 光源
• 2.2.1 光源的选择
• 2.2.2 半导体发光二极管的结构与主要特性
• 2.3 光电探测器
• 2.3.1 光电探测器类型的选择
• 2.3.2 硅 PIN 光电二极管的结构及原理
• 2.4 信号光源、光电探测器和光纤的耦合
• 2.4.1 信号光源 LED 与光纤的耦合
• 2.4.2 光电探测器与光纤的耦合
• 2.5 本章小结
• 第3章 微功耗测温探头电路的设计
• 3.1 半导体热敏电阻
• 3.1.1 热敏电阻的结构和种类
• 3.1.2 负温度系数热敏电阻的数学模型
• 3.2 微功耗温度采集探头电路的设计
• 3.2.1 温度--脉冲频率调制电路的设计
• 3.2.2 脉冲宽度调制电路的设计
• 3.2.3 光源驱动电路的设计
• 3.3 微功耗探头电路的功耗核算
• 3.4 本章小结
• 第4章 温度监测仪表端的设计
• 4.1 光电二极管前置放大电路的设计
• 4.1.1 光电二极管的工作模式
• 4.1.2 前置放大器的选择
• 4.1.3 前置放大电路的最优设计
• 4.2 滤波和整形电路的设计
• 4.3 单片机硬件电路的设计
• 4.3.1 键盘模块电路
• 4.3.2 温度液晶显示电路
• 4.3.3 声光报警电路
• 4.3.4 六通道测温切换电路
• 4.3.5 串口通信电路
• 4.4 单片机软件设计
• 4.4.1 主程序设计
• 4.4.2 按键识别子程序
• 4.4.3 报警温度设置子程序的设计
• 4.4.4 数据采集子程序
• 4.4.5 温度计算子程序设计
• 4.5 仪表端电源电路的设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统的可靠性设计
• 5.1 探头装置的绝缘措施
• 5.2 屏蔽措施
• 5.3 印刷电路板的抗干扰设计
• 5.4 软件抗干扰设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验结果校验及误差分析
• 6.1 温度—频率实验及数据的线性化处理
• 6.1.1 实验装置及数据记录
• 6.1.2 实验数据的线性化处理
• 6.2 温度校验
• 6.3 误差分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的学术论文