CN101666686B - 一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，包括取电电源，所述取电电源包括上半矩形铁芯和下半矩形铁芯相对设置构成可拆分矩形微晶铁芯，左右两侧的用于连接矩形母线的间隙处填充有粘接胶，且所述间隙处套装有连接护套，矩形母线设置在上半矩形铁芯和下半矩形铁芯之间，下半矩形铁芯上设有副边取电线圈，副边取电线圈的高压抽头、中压抽头和低压抽头通过绕组切换继电器K切换后，和整流滤波稳压电路连接。本发明所述的温度在线监测装置采取从高压母线或电缆感应取电，体积小，供电的母线或电缆的电流范围大，由于没有与低压侧有任何电气连接，与母线采用等电位方式，不存在绝缘击穿或影响原供电***的绝缘性能，可实现连续输出稳定直流电源。
Description
技术领域
本发明涉及温度监测装置，具体的说是一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置。
背景技术
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，因而对供电设备的可靠性提出了越来越高的要求。作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，造成停电，这些现象在大电流开关柜上尤为突出，且影响极大。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。由于高压开关处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适应性。目前的测温工作方式有被动式测温和主动式测温两种形式。
被动式测温需要接收测量点幅射出的远红外波，通过判断远红外波长来确定测量点温度；而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量温度。被动式测量的优点在于通过凸透镜直接接收测量点发出的远红外波，接收器(传感器)可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测量***结构简单；其缺点是只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，这往往成为致命的弱点。
主动式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布置灵活；其缺点是必需解决传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下的工作可靠性、传感器与主机之间的高电压隔离以及传感器自身的工作电源问题。
如上所述可知，作为开关柜的附加功能***，测温装置必须要解决以下问题：
(1)高压隔离：实现高压设备在线监测，首先要解决高压隔离问题。一般来说，解决这个问题有两个途径：一是通过空间隔离，另一是通过光纤隔离。空间隔离，信号可由光传送或无线电传送。而通过光纤隔离存在着沿面放电问题，需要有较长的沿面爬电距离。
(2)抗干扰措施：高压开关柜运行在高电压、大电流的状态，***事故瞬间还出现强烈的电磁暂态过程，这些都产生强电场、磁场及强电磁干扰，这对于微电子***及微弱信号处理非常不利。为消除这些干扰，同时采用软、硬件抗干扰措施，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；在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波消除高频干扰。
(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。
(4)热稳定性：温度检测器安装在主导电回路上，测量点温度可达120℃以上，这就要求检测器有良好的热稳定性。
(5)实用性：实际应用必须做到工作可靠、结构简单、体积小巧、便于安装又不影响开关柜的结构性能，而且产品的价格易被用户接受。
(6)为实现上述目标，选用通用、标准、可靠的元器件，在保证实际需要的前提下，既降低成本，便于安装施工。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，解决以下两个问题：(1)供电方式问题；(2)高压隔离问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，包括取电电源和红外通信的无线数据采集器，其特征在于：所述取电电源包括上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2相对设置构成可拆分矩形微晶铁芯，左右两侧的用于连接矩形母线的间隙处填充有粘接胶7，且所述间隙处套装有连接护套4，矩形母线3设置在上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2之间，下半矩形铁芯2上设有副边取电线圈5，副边取电线圈5的高压抽头11、中压抽头12和低压抽头13通过绕组切换继电器K切换后，和整流滤波稳压电路6连接，上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2的材质为超微晶合金。
在上述技术方案的基础上，整流滤波稳压电路6为整流滤波加DC/DC变换稳压电路。
在上述技术方案的基础上，绕组切换继电器K和整流滤波加DC/DC变换稳压电路间并联有大功率双向TVS瞬时电压抑制器件TVS-1、TVS-2。
在上述技术方案的基础上，在整流滤波电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，在DC/DC变换电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，在DC/DC变换电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，所述红外通信的无线数据采集器，包括分别和嵌入式微控制器94连接的模拟量输入电路91、开关量输入电路92、锂电池供电路93、红外发射电路95和红外接收电路96，红外发射电路95包括多个串联的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括3个呈品字形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括4个呈矩形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94的型号为C8051F350。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94的型号为C8051F350。
本发明所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，配置有可拆分矩形微晶铁芯的高压母线取电电源，采取从高压母线或电缆感应取电，体积小，供电的母线或电缆的电流范围大，由于没有与低压侧有任何电气连接，与母线采用等电位方式，不存在绝缘击穿或影响原供电***的绝缘性能，可实现连续输出稳定直流电源。具有以下优点：
1，上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2采用超微晶合金，具有体积小，磁场强度高，涡流损耗小的优点。
2，上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2构成可拆分矩形微晶铁芯，便于安装和施工。
3，其固定的装置可采用卡扣结构，固定方便。
4，采用副边线圈，可以根据母线电流的大小，在后面的整流滤波电路中可以自适应地切换副边绕组的匝数，在母线电流大范围波动时稳压电路仍然得到稳定直流电压。
本发明所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，还配置有微功耗红外通信的无线数据采集器，采用空间隔离的方式解决了高压隔离问题，利用940nm近红外波段的红外光为传递信息的载体，采用多个发射管串联同时发送通信，使得数据通信的覆盖方位角增大，通信距离变远，最远可以达到8米左右。嵌入式微控制器C8051F350带有模拟/数字转换器A/D，程序可以动态地改变自身工作的晶体振荡器地频率，因此可采用改变工作频率的方式，使得微控制器的功耗低，供电电压在3.6V时，在不通信时3～5mA，通信时瞬时电流在15mA。
红外通信是利用940nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，即通信信道。发送端用脉时调制(PPM)方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光，而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原成二进制数字电信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输，而红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外通讯采用点对点的数据传输协议，是目前国际上普遍采用的无线传输技术。它采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间，通讯距离一般在0到1米之间，它的频率高于微波而低于可见光。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本实用新型的结构示意图
图2自动切换取电线圈匝数的控制电路
图3自动切换取电线圈匝数的继电器控制电路
图4整流和过压保护电路
图5DC/DC变换电路芯片的功能框图
图6DC/DC变换电路图
图7采用NCP699的线性稳压电路和引脚说明图
图8线性稳压电路输出和过压保护电路图
图9微功耗红外通信的无线数据采集器的结构框图
图10红外发射电路实施例
图11锂电池供电路实施例
图12嵌入式微控制器实施例
图13红外数据接收装置的结构框图实施例
图14红外数据通信的接收电路和PC上位机通信接口电路实施例
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明公开了一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，包括取电电源和红外通信的无线数据采集器，所述取电电源包括上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2相对设置构成可拆分矩形微晶铁芯，左右两侧的用于连接矩形母线的间隙处填充有粘接胶7，且所述间隙处套装有连接护套4，矩形母线3设置在上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2之间，下半矩形铁芯2上设有副边取电线圈5，副边取电线圈5的高压抽头11、中压抽头12和低压抽头13通过绕组切换继电器K切换后，和整流滤波稳压电路6连接，上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2的材质为超微晶合金。
在上述技术方案的基础上，整流滤波稳压电路6为整流滤波加DC/DC变换稳压电路。
在上述技术方案的基础上，绕组切换继电器K和整流滤波加DC/DC变换稳压电路间并联有大功率双向TVS瞬时电压抑制器件TVS-1、TVS-2。
在上述技术方案的基础上，在整流滤波电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，在DC/DC变换电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，在DC/DC变换电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
在上述技术方案的基础上，所述红外通信的无线数据采集器，包括分别和嵌入式微控制器94连接的模拟量输入电路91、开关量输入电路92、锂电池供电路93、红外发射电路95和红外接收电路96，红外发射电路95包括多个串联的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括3个呈品字形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括4个呈矩形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94的型号为C8051F350。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94的型号为C8051F350。
本发明中所述的取电电源是一种可拆分矩形微晶铁芯的高压母线取电电源，主要用于高压母线取电，应用在高压***回路的监控***中，如高压柜的高压开关温度监控和母线的电流测量，取代使用电池供电，具体来说涉及母线和高压电缆穿过微晶铁芯作为原边线圈，缠绕在微晶铁芯的线圈作为二次副边线圈向整流滤波电路提供交流供电，再通过稳压电路输出稳定的直流电压，为高压侧二次仪表提供电能。如图1、2所示，本发明所述的可拆分矩形微晶铁芯的高压母线取电电源，包括由上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2相对设置构成的可拆分矩形微晶铁芯，左右两侧的用于连接矩形母线的间隙处填充有粘接胶7，且所述间隙处套装有连接护套4，矩形母线3设置在上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2之间，下半矩形铁芯2上设有副边取电线圈5，副边取电线圈5的高压抽头11、中压抽头12和低压抽头13通过绕组切换继电器K切换后，和整流滤波稳压电路6连接，上半矩形铁芯1和下半矩形铁芯2的材质为超微晶合金。上述技术方案中，可拆分矩形微晶铁芯的矩形外形是为了便于矩形母线穿过铁芯和便于方便、快捷的安装施工，铁芯使用的超微晶合金是一种新型的软磁材料，超微晶合金软磁材料具有优越的综合电磁性能及良好的应用前景，具有体积小、性能高、价格低廉的优点，已开始逐步取代传统的硅钢、坡莫合金、铁氧体等电磁器件，用于电磁器件领域。
在上述技术方案的基础上，整流滤波稳压电路6为整流滤波加DC/DC变换稳压电路。具体地说可分为整流滤波电路、DC/DC变换电路和稳压电路三大块，整流滤波稳压电路6的所有器件可采用SMT表面贴装工艺，使其体积小，工艺紧凑，可靠性提高。上述技术方案中，整流滤波稳压电路6中的直流稳压电路采用DC/DC变换电路，在整流滤波输出电压波动范围大(4V-40V)的情况下仍然能正常工作，输出电流大，可达到1A的电流输出。DC/DC变换电路可采用自激振荡的MC34063开关电压芯片，MC34063开关电压芯片的功能框图如图5所示，图6为一个可用于本发明中的DC/DC变换电路的具体实施例，其***电路简单，实用性强，成本低。图4所示的整流和过压保护电路即为一个可用于本发明中的整流滤波电路的具体实施例，输入的交流电压通过JPW连接器接到D1，D2，D3，D4，D5，D6组成的整流和过压保护电路，R1和C1消除高频信号和浪涌脉冲，D1和D6是双向TVS浪涌电压吸收管，C2，C3，C4和C5起到滤波作用，整流管采用SS14肖特机基二极管，降低二极管的压降。图7、8为一个可用于本发明中的稳压电路的具体实施例，图7为采用NCP699的线性稳压电路和引脚说明图，图8为线性稳压电路输出和过压保护电路图，根据需要，NCP699可以选择输出3.3V和3.0V，其中U2为输出电压过压保护电路，型号为MMBZ5V6ALT1，相当于一个稳压管的作用，防止输出电压过压。C8、C9、C10、C11和U3组成线性低压差稳压电路。
在上述技术方案的基础上，如图2所示，绕组切换继电器K和整流滤波加DC/DC变换稳压电路间并联有大功率双向TVS瞬时电压抑制器件TVS-1、TVS-2，可防止交流输入高压击穿整流管和滤波电路过压损坏。
在上述技术方案的基础上，在整流滤波电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件，可防止滤波输出直流过压，损坏其后面的DC/DC变换稳压电路和芯片。大功率单向TVS瞬时电压抑制器件的具体设置方式可采用现有技术实现。
在上述技术方案的基础上，在DC/DC变换电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件，可防止DC/DC变换稳压电路输出直流过压，损坏其后面供电的相应的电路和芯片。大功率单向TVS瞬时电压抑制器件的具体设置方式可采用现有技术实现。
本发明为了解决在母线电流大范围波动情况下切换不同的线圈抽头为后面的整流电路提供比较稳定的电压，使整流滤波稳压电路6的输出电压稳定，如图2所示的自动切换取电线圈匝数的控制电路，通过绕组切换继电器K的常开和常闭触点在图3所示的控制电路控制下，自动切换取电线圈的匝数，调节输出的交流电压大小，并在TVS1和TVS2的保护下防止浪涌电压对后面电路的影响。即：根据母线电流的大小，可自适应地切换副边绕组的匝数，在母线电流大范围波动的情况下，稳压电路仍然得到稳定的直流电压。图3所示的自动切换取电线圈匝数的继电器控制电路中，当VIN比较小时，D8不导通，Q1的基集为低电平，Q1不导通，使匝数较高的抽头通过绕组切换继电器K(型号为HRAH-S-5-DC5V)的常闭触点接到输入保护和整流滤波电路。反之，当VIN比较高时，D8导通，Q1的基集为高电平，Q1导通，继电器得电闭合，使匝数较低的抽头通过继电器K的常开触点接到输入保护和整流滤波电路，自动切换取电线圈的匝数，调节输出的交流电压大小，并在TVS-1和TVS-2的保护下防止浪涌电压对后面电路的影响。
取电电源的工作过程如下：采用可拆分微晶矩形铁芯的线圈(类似开口式穿芯电流互感器)从高压母线或高压电缆线路中获取感应交流电源，经过绕组切换继电器K切换绕组连接到整流滤波电路，再通过DC/DC稳压开关电源电路稳压，输出稳定的直流电压，向相应的仪器和仪表，或者检测电路供电，并且在每一级电路中采用双向或者单向大功率TVS瞬时电压抑制器件保护其输出电路。当感应线圈的输入交流信号电压过高时，通过滞后回环的比较器电路控制继电器闭合，切换到匝数较小的绕组，降低输入的交流电压，防止损坏后面的整流滤波和DC/DC变换电路。
本发明中所述的取电电源具有以下优点和功能：
(1)根据母线电流大小和负荷情况，自动切换取电线圈的匝数，防止输入交流电压过高，损坏后面的稳压电路。
(2)在交流侧采用TVS1和TVS2二极管吸收浪涌电压。
(3)采用肖特基整流二极管SS14构成整流桥，降低整流桥的电压降，是的在比较小的母线电流情况下，后面的DC/DC变换电路也能正常工作。
(4)在DC/DC变换电路中采用MC34063，它的输入电压范围广，从4-38V都能正常工作，而且成本低。
(5)整个***采用SMT表贴工艺，体积小，满足高压环境的要求。
(6)使用电压等级范围广，由于没有二次侧，只要满足安全绝缘距离，从低压***到超高压供电***，都可以使用。
本发明中，高压矩形母线从矩形铁芯的中间通过，整个取电装置没有二次接地和绝缘问题，整个电路参考地电位和高压母线组成等电位体，不存在绝缘和击穿问题，而只要保证相邻母线直接在相应电压等级的安全距离即可。只要母线上有一定的负荷电流，下半矩形铁芯上的线圈就可以感应一定的电压，在母线负荷电流小的情况下，通过继电器K的切换，输出比较高的电压。
本发明中，通过四个锗管SS14整流，滤波后得到直流电压，该直流电压在母线电流变换时波动很大，只要该电压在4V-40V之间变换，通过后面的MC34063就可以得到稳定直流电压，为了与后面的线性低压差稳压电路配合输出3.3V的直流电压，在图6中，选取R3＝4.7KΩ，R4＝2KΩ，W1＝1KΩ是为了微调输出电压，使输出电压在3.8V左右，该电压输入到NCP699，在NCP699的输出3.3V的低纹波噪声的直流电压，供给相应的电路。
为了保证整流滤波后得到直流电压不超过38V的上限电压：
1、在整流前的交流回路并上D1双向稳压管，限制交流电压不超过25V左右。
2、在整流后电路通过R2和双向大功率稳压管在整流后的电路通过R2和双向大功率稳压管，限制输出电压不超过30V，以防过压损坏MC34063芯片。
3、其中R1和C1为瞬时浪涌电压吸收电路。
4、C2、C3、C4、C5为滤波电容。
如图9所示，本发明所述的红外通信的无线数据采集器是一种微功耗红外通信的无线数据采集器，包括分别和嵌入式微控制器94连接的模拟量输入电路91、开关量输入电路92、锂电池供电路93、红外发射电路95和红外接收电路96，红外发射电路95包括多个串联的红外发射管。每个红外发射管的指向不同方位，可同时多方位的发送通信，增大了发射方位角，克服因为接收管和发射管因对不准而造成的通信不可靠的问题。上述技术方案中所述的电路均可采用现有技术实现。红外发射电路95包括至少3个红外发射管。本发明采用多个红外线发射管的发射电路/单个红外接收管FT002的电路的方式，从而解决现有的红外线接收/发射装置通信时接收方向角度小技术问题。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括3个呈品字形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括4个呈矩形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，红外发射电路95包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。
在上述技术方案的基础上，嵌入式微控制器94的型号为C8051F350。
图10为红外发射电路95的一个具体实例，由型号为74LS02的或非门U4A、U4B、电阻R38、R18、R19、C17和电位器RW1组成38KHz的振荡电路，输出38KHz的方波信号到U4C的8脚，与来自嵌入式微控制器4的发送数据信号TXD相或非后，经过电阻R17驱动三极管Q6的基极，驱动940nm的三个红外发射管LED-1、LED-2和LED-3，R16、C15和C16组成电源退耦电路，防止红外发射管工作时的干扰纹波的影响。该电路采用三个红外发射管同时发射工作，使得通信的可靠性得到提高。由TXD来控制信号发送，当TXD信号为高电平时，禁止发送红外信号；若TXD信号为低电平时，反向后的异步串行数据调制38KHz载波，然后推动达林顿管Q6，使红外发射管发送信号。红外发射管采用HG505中功率红外二级管，峰值发射波长为940nm，辐射功率为50mW左右。
图11为锂电池供电路93的一个具体实施例，在图11所示的DC/DC变换供电电源电路中，电池或者外接电源从连接器JBATT引入，经过DC/DC变换集成电路MIC4680和相应的***电路后，从连接器J3输出稳定的3.3V直流电源给嵌入式微控制器94供电，其中R10、R33和C8组成电源的开关使能电路。L1、D14、C9、C10、R11、R12、D15、D16、R13、C12和C13组成输出滤波和保护电路，D15起防止电源过压保护的作用，D16起防止电源接反保护的作用。图11中连接器J3连接一个大容量的法拉级的双电解层电容C11，防止发送红外信号的冲击电流对电源的影响。该电源电路具有输入电压范围宽，从4.5V到40V都可以工作，电源纹波低的特点。
图12为嵌入式微控制器的一个具体实施例，其核心是型号为C8051F350的嵌入式微控制器，C8051F350内部带有24位Δ-∑结构的A/D转换器，自带模拟切换电子开关。电阻R32～R39和电容C24～C31组成输入一阶低通滤波电路，来自连接器JAIN的8路输入模拟信号经过输入一阶低通滤波电路后，连接到C8051F350的A/D的输入端IN1～IN8进行转换成数字信号。来自连接器JIO-1和连接器JIO-2的数字开关量信号由微控制器P00和P01口(13、14引脚)读入，把相应的模拟信号和数字信号进行数组编码，组成一个需要发送的数据包。R25和C19组成复位电路，晶体振荡器1、R26、C22和C23组成微控制器C8051的工作时钟产生电路，R32、R9、C15组成红外接收器receiver的电源退耦滤波电路。该时钟频率在嵌入式微控制器内部根据功耗要求动态地分频工作，以降低嵌入式微控制器的功耗。
PC机本身并不具备红外通信接口，利用单片机W77E58的串行接口1与红外发射和接收电路组成一个与红外数据采集器的通信接口，PC机与单片机W77E58***的红外串行通信接口，如图13所示。图13是红外数据接收装置结构框图，包括嵌入式微控制器W777E58、红外收发射电路和RS232串口通信电平转换电路，负责与上位机通信。利用单片机W77E58的一个串行接口与红外发射和接收电路组成一个红外数据采集器的通信接口，利用单片机W77E58的另一个串行接口通过RS232电平转换电路连接到PC机的RS232通信口，将红外接收电路采集的数据通过W77E58组成的接收终端发送到PC机，以便以后的数据储存和分析。W77E58的另一个串行接口还可通过RS232转USB电缆连接到PC接USB接口，将红外数据采集器的采集的数据通过W77E58的中继接收和转发到PC，以便以后的数据储存和分析。即：红外接收电路96中微控制器W77E58中包括两个串口，一个用于红外数据采集装置的红外光通信，另一个用于连接PC机的RS232串口。为满足本发明需要随时随地地可移动采集数据，本发明可以通过RS232串口相连到PC机的串口，或者通过RS232转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，数据可以直接存储到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘***。
在图14所示的红外数据通信的接收电路和PC上位机通信接口电路中，采用专用红外数据通信接收集成电路FT002T(如图12中标号为RECEIBER器件)连接到J3的4、5和3脚，它采用3脚单列直插式塑料封装，内部包括自动偏置控制电路、前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较和施密特整形输出电路等。它具有自动偏压控制电路(ABLC)，以均衡放大强弱不同的信号，再配合少量外接元件，能完成对红外信号遥控接收与处理的全部功能。红外信号经光敏二极管进行光电转换后，在IC内部经过两级放大、带通滤波、峰值检波和积分整形后，由第3脚输出串行数据信号RXD。FT002T是塑封一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。图14是图13的具体实现的电路图，由W77E58组成接收终端接收红外数据采集器的采集的数据。红外接收解调器通过连接插件CON5连接通过W77E58的串口1，或非门U5A，U5B和U5C的作用如同图10一致，产生38KHz的红外调制信号，Q2的作用如同图10中的Q6，控制红外发送，在CON5的2脚连接红外发送管，CON5的5脚、4脚和3脚连接红外接收解调器件，在3脚解调出数据信号送到W77E58的TXD脚。W77E58的另一个串口引脚P13和P12通JP2连接到RS232电平变换芯片MAX3232芯片，将接收到红外数据采集器的数据中继转发到PC，以便以后的数据储存和分析，该串口输出的RS232电平连接到PC串行接口。在该电路中，由变压器T1和整流桥DR1、稳压电路U8LM7805组成电源供电电路，非门U4B和U4C组成通信的接收和发送指示电路，在JLED连接发光二极管，指示发送和接收工作状态。
本发明利用940nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，采用低功耗的嵌入式微控制器和红外通信技术，替代普通电磁无线通信，完成数据采集通信功能，整个采集器采用表面贴装技术，使得采集器体积小、功耗低、便携和成本低廉特点，根据需要随时随地地可移动采集数据，经过与PC机相连的接收器，通过RS232串口相连到PC机的串口，或者通过RS232转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，存储到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘***。
综上所述，所述的红外通信的无线数据采集器的优点是：
1、由于采用了红外数据通信技术，相比与无线电磁波数据传输，没有电磁干扰，特别适用于电力高压***、医院和携带心脏起搏器人员的特殊环境人员使用。本发明采用多个红外线发射/单个接收装置，包括多个红外线发射管、红外线接收管、红外数据发射调制电路和数据采集控制的微控制器C8051F350，从而解决现有的红外线接收/发射装置不能同时探测多个方向数据通讯的技术问题。
2、由于采用红外线传输数据，形成了数据通信设备非接触的方式，彻底隔离了雷电、冲击电压、线路短路或感应电流等的影响，真正起到了全面保护串行通信的作用，同时还能解决因环境因素或受工作制约无法采用有线通信的设备，具有一定的实用性。
3、采用红外光线进行信号传送，它具有隔离彻底、结构简单、抗干扰能力强、工作可靠等特点。
4、红外温度采集器与测温点处于同一等电位体，减少电场的影响。
5、为消除随机干扰，利用触头温度变化相对缓慢的特点，对检测点信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠，整机有了较好的抗干扰能力，测量数据稳定可靠。
6、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，利用微晶铁芯磁饱和原理，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。
7、测温探头与温度采集器之间用导线联接，检测器可远离高温区，安装在导电回路温度较低处(一般可在80℃以下)，从而降低了检测器耐高温的要求，使***达到较高的热稳定性。
红外通信的无线数据采集器应用实例
在高压回路中，经常要监控各种电力参数，如温度、电压、电流、振动和绝缘状况等，高压侧本身无法供电，也不能采取电阻和电容接地分压来供电，这样会影响***的绝缘性能，可以采用本红外数据采集器，利用高能锂电池供电，相应的成本低，***简单，可靠性高。由于没有与低压侧有任何电气连接，与母线采用等电位方式，不存在绝缘击穿或影响原供电***的绝缘性能。红外传数据采集器制作简单，使用方便。
如上所述，本发明公开的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，该装置的电路部分主要包括一种采用微晶铁芯的高压母线感应取电电源和低功耗的红外通信的无线温度采集器。其中，高压母线感应取电电源其特征在于由微晶矩形铁芯、多抽头线圈、整流滤波和稳压电路组成，铁芯为对称可拆分矩形微晶材料，矩形外形是为了便于矩形母线穿过铁芯和安装施工。铁芯使用的超微晶合金是一种新型的软磁材料，超微晶合金软磁材料具有优越的综合电磁性能及良好的应用前景，具有体积小、性能高、价格低廉的优点，已开始逐步取代传统的硅钢、坡莫合金、铁氧体等电磁器件，用于电磁器件领域。多抽头副边线圈解决在母线电流大范围波动情况下切换不同的线圈抽头为后面的整流电路提供比较稳定的电压，使稳压电路的输出电压稳定。而红外温度数据通信的无线数温度据采集器，其特征在于高压母线感应取电电源供电下，由半导体温度传感器LM35和带有模拟/数字转换A/D低功耗的微处理器C8051F350和红外数字通信温度数据收发电路组成，整个温度采集器采用表面贴装技术，使得采集器体积小、功耗低、便携和成本低廉特点。温度采集器与温度显示终端通过红外温度数据通信，在LCD屏上显示相应相的母线和电缆的接头和触头的温度，通过RS485或者RS232相连到PC机的串口，或者通过RS232/RS485转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，存储温度温度数据到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘***。由于采用了红外温度数据通信技术，相比与无线电磁波温度数据传输，没有电磁干扰，特别适用于电力高压***。本发明采用多个红外线发射/单个接收装置的温度显示终端，包括多个串连红外线发射管、红外线接收管、红外温度数据发射调制电路和温度数据采集控制的微控制器C8051F350，从而解决现有的红外线接收/发射装置不能同时探测多个方向温度数据通讯的技术问题。
本发明具有自供电功能，采用数字测温，解决了高压隔离难题，可靠的检测高压开关三相触头的实时温度，及时、准确发出报警信号，保证电网供电安全。本发明采用半导体温度传感器元件对高压、超高压或者高压母线以及高压电缆的接头和高压开关的触头等进行在线的温度监测***，采用了新型的微晶铁芯母线感应电源和红外温度数据通信的温度数据采集器，利用950nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，采用低功耗的嵌入式微控制器和红外通信技术，替代普通电磁无线通信，完成温度数据采集通信功能，整个采集器采用表面贴装技术，使得采集器体积小、功耗低、便携和成本低廉特点，根据需要随时随地可移动采集温度数据，经过与PC机相连的接收器，通过RS232串口相连到PC机的串口，或者通过RS232转USB的转接电缆连接到PC机的USB接口，存储到PC，可以实时地分析处理和存储到硬盘***。
首先介绍微晶铁芯的高压母线感应取电电源的设计：是针对目前高压侧监控供电需要解决的问题，研制出一种微晶铁芯高压母线或电缆感应取能供电的的供电电源，可以实现连续在线输出直流电源。
本发明目的是这样实现的：可拆分矩形微晶矩形铁芯的多抽头高压母线感应取电线圈，它由可拆分矩形微晶铁芯、多抽头线圈、整流滤波电路和直流稳压输出组成，绕在固定铝盒的微晶铁芯上的多抽头线圈先经过控制切换的继电器1常闭触头相连到整流滤波电路连接，整流滤波输出的直流电压由稳压电路输出稳定的直流电压，该直流电压与电压比较电路比较，如果高于设定的电压值，继电器1得电闭合，切换到副边匝数小的绕组，降低副边输入的交流电压，这样不管原边高压母线侧的负荷电流比较大，还是可以输出比较稳定的直流电压，输出功率根据直流电压的负载，相应设计微晶铁芯的截面积来确定，其特征为可拆分矩形微晶铁芯，线圈采用多抽头出线方式。具有以下优点：
1、铁芯采用微晶铁芯，磁导率高，磁强强度高，涡流损耗小。
2、采用多抽头的副边线圈。
3、自适应地切换多抽头副边线圈的绕组，适用母线和电缆负荷电流范围大。
4、后端的直流稳压电路采用DC/DC变换电路，在整流滤波输出电压波动范围大(4V-40V)的情况下仍然能正常工作，输出电流大，可达到1A的电流输出。
5、后端的直流稳压电路采用DC/DC直流变换电路采用自激振荡的MC34063开关电压芯片，***电路简单。
6、在其副边线圈的交流输出采用大功率双向TVS瞬时电压抑制器件，防止交流输入高压击穿整流管和滤波电路过压损坏。
7、在其整流管和滤波电路输出电路采用大功率单向TVS瞬时电压抑制器件，防止滤波输出直流过压，损坏其后面的DC/DC直流变换电路和芯片。
8、在其DC/DC直流变换输出电路采用大功率单向TVS瞬时电压抑制器件，防止DC/DC直流变换输出直流过压，损坏其后面供电的相应的电路和芯片。
9、所有器件采用SMT表面贴装工艺，使其体积小，工艺紧凑，可靠性提高。
本发明装置采用可拆分微晶矩形铁芯的线圈(类似开口式穿芯电流互感器)从高压母线或高压电缆线路中获取感应交流电源，经过继电器切换绕组连接到整流滤波电路，再通过DC/DC稳压开关电源电路稳压，输出稳定的直流电压，向相应的仪器和仪表，或者检测电路供电，并且在每一级电路中采用双向或者单向大功率TVS瞬时电压抑制器件保护其输出电路。当感应线圈的输入交流信号电压过高时，通过滞后回环的比较器电路控制继电器闭合，切换到匝数较小的绕组，降低输入的交流电压，防止损坏后面的整流滤波和DC/DC变换电路。
其次介绍红外数据通信的温度数据采集器的设计：本发明的红外通信是利用940nm近红外波段的红外线为传递信息的载体，采用多个发射管串连同时多方位的发送通信，使得通信的指向性的方位角大，通信距离远，可以达到在0到8米之间，采用改变工作频率的方式，使得微控制器的功耗低，供电电压在3.6V时，在不通信时3-5mA，通信时瞬时电流在15mA。
本发明采用多个红外线发射/单个接收装置，包括多个串连红外线发射管、红外线接收管、红外数据发射调制电路和数据采集控制的微控制器C8051F350，从而解决现有的红外线接收/发射装置不能同时探测多个方向数据通讯的技术问题。
本装置的微控制器为C8051F350，内部带有24位Δ-∑结构的A/D转换器，自带模拟切换电子开关，来自连接器JAIN的1到8个温度传感器LM35输入的8路模拟信号经过R32和C24等组成输入一阶低通滤波电路，连接到C8051F350的A/D的输入端进行转换成数字信号，如图9所示。来自JIO-1和JIO-1的数字开关量信号由微控制器P0和P1口读入，把相应的模拟信号和数字信号进行数组编码，组成一个需要发送的数据包，其包结构如下：
发送数据包的结构
本发明实施由两个半矩形微晶铁芯、多抽头取电线圈、副边线圈匝数自动控制电路和继电器切换电路、整流滤波电路、DC/DC变换电路MC34063和线性低压差稳压电路NCP699组成，根据需要，NCP699可以选择输出3.3V和3.0V，其中高压矩形母线从矩形铁芯的中间通过，整个取电装置没有二次接地和绝缘问题，整个电路参考地电位和高压母线组成等电位体，不存在绝缘和击穿问题，而只要保证相邻母线直接在相应电压等级的安全距离即可。
只要母线上有一定的负荷电流，下半矩形铁芯上的多抽头线圈就可以感应一定的电压，在母线负荷电流小的情况下，通过继电器K的切换，输出比较高的电压，通过四个锗管SS14整流，滤波后得到直流电压，该直流电压在母线电流变换时波动很大，只要该电压在4V-40V之间变换，通过后面的MC34063就可以得到稳定直流电压，为了与后面的线性低压差稳压电路配合输出3.3V的直流电压，在图5中，选取R3＝4.7KΩ，R4＝2KΩ，W1＝1KΩ是为了微调输出电压，使输出电压在3.8V左右，该电压输入到NCP699，在NCP699的输出3.3V的低纹波噪声的直流电压，供给相应的电路。
为了便于安装和调试，铁芯采取两个半矩形微晶铁芯，相当于开口式电流互感器结构，为了保证在瞬时大母线负荷电流通过时，取电线圈不产生高压输出，设计时使铁芯磁通饱和。
Claims (11)
1.一种高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，包括取电电源和红外通信的无线数据采集器，其特征在于：所述取电电源包括上半矩形铁芯(1)和下半矩形铁芯(2)相对设置构成可拆分矩形微晶铁芯，左右两侧的用于连接矩形母线的间隙处填充有粘接胶(7)，且所述间隙处套装有连接护套(4)，矩形母线(3)设置在上半矩形铁芯(1)和下半矩形铁芯(2)之间，下半矩形铁芯(2)上设有副边取电线圈(5)，副边取电线圈(5)的高压抽头(11)、中压抽头(12)和低压抽头(13)通过绕组切换继电器K切换后，和整流滤波稳压电路(6)连接，上半矩形铁芯(1)和下半矩形铁芯(2)的材质为超微晶合金；
整流滤波稳压电路(6)为整流滤波加DC/DC变换稳压电路；
绕组切换继电器K和整流滤波加DC/DC变换稳压电路间并联有大功率双向TVS瞬时电压抑制器件TVS-1、TVS-2。
2.如权利要求1所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：在整流滤波电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
3.如权利要求1所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：在DC/DC变换稳压电路的输出端设有大功率单向TVS瞬时电压抑制器件。
4.如权利要求1所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：所述红外通信的无线数据采集器，包括分别和嵌入式微控制器(94)连接的模拟量输入电路(91)、开关量输入电路(92)、锂电池供电路(93)、红外发射电路(95)和红外接收电路(96)，红外发射电路(95)包括多个串联的红外发射管。
5.如权利要求4所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：红外发射电路(95)包括3个呈品字形分布的红外发射管。
6.如权利要求4所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：红外发射电路(95)包括4个呈矩形分布的红外发射管。
7.如权利要求4所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：红外发射电路(95)包括5个以上呈扇形分布的红外发射管。
8.如权利要求4所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：红外发射电路(95)包括9个按3×3矩阵分布的红外发射管。
9.如权利要求4或5或6或7或8所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：嵌入式微控制器(94)中包括至少一个用于连接PC机的RS232串口。
10.如权利要求4或5或6或7或8所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：嵌入式微控制器(94)的型号为C8051F350。
11.如权利要求9所述的高压柜母线和电缆接头和触头的温度在线监测装置，其特征在于：嵌入式微控制器(94)的型号为C8051F350。
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