基于紅外測溫技術的開關柜非接觸式監測系統研究

史宏偉，王俊平，劉守明，卜祥洲，韓愛芝

（1.河南省電力公司周口供電公司，河南周口 466000；2.河南職業技術學院，河南鄭州 450046；3.河南宏博測控技術有限公司，河南鄭州 450002）

基于紅外測溫技術的開關柜非接觸式監測系統研究

史宏偉1，王俊平2，劉守明1，卜祥洲3，韓愛芝1

（1.河南省電力公司周口供電公司，河南周口 466000；2.河南職業技術學院，河南鄭州 450046；3.河南宏博測控技術有限公司，河南鄭州 450002）

供電行業常用的開關柜因熱故障常造成大面積停電等現象，對熱故障產生的機理進行分析，并對紅外監測技術進行了應用研究，設計了開關柜熱故障預警裝置。該裝置具有成本低、安裝方便的特點，通過非接觸式的紅外測溫儀對開關柜進行實時監測，可實現數據傳輸和報警提示，并且能夠對故障位置進行準確定位，便于故障查找和及時排除。

開關柜；非接觸式；監測系統

0 引言

供電行業常見的開關柜熱故障是由于高壓開關長時間大負荷運行、接頭松動、觸頭老化、接觸面壓力不夠等諸多因素導致接觸電阻增大，進而引起觸頭溫度升高所致[1]。熱故障造成設備的損壞影響到人民群眾的生活及企業的正常生產，給供電公司造成一定的經濟損失和負面影響。開關柜內結構環境復雜，不便于故障的查找，還浪費大量的人力、物力。通過研究分析，發現從開關觸頭發熱到觸頭融化故障發生，需要一個較長的時間周期，其發展速度比較緩慢。實時監測開關柜內部各部件的發熱情況，保證設備正常運行，降低事故率，如何全面監測開關柜的熱故障，以及建立一個溫度預警系統成為供電行業生產上迫在眉捷的大事。

常見的監控方法存在眾多弊端，不能滿足實際的需求。本文研究了一種切實有效的開關柜故障預警裝置，通過紅外監測技術實時監控開關柜內溫度，對容易產生過熱現象的設備部位進行溫度在線監測，能夠實時檢測開關柜內各元器件的溫度，將柜內溫度顯示在裝置后面的LCD顯示器上，當設備溫度超過設定溫度或溫度上升過快時，發出報警聲音和閃光警示信號，提醒運行值班人員開關柜異常，從而確保設備安全運行。該裝置成本較為低廉，安裝方便，適用于新開關柜出廠安裝或對老舊開關柜改造，應用前景十分廣闊[2-3]。

1 國內外開關柜測溫技術現狀

開關柜發熱的主要部位多表現在刀閘動靜觸頭處和開關、CT、刀閘聯接鋁排處，原因多為接觸不良，導流面積不足或刀閘觸頭接觸壓力不夠。實時監視、檢測開關柜內元器件的溫度是最終目的。監視柜內元器件溫度，可以在柜內置入測溫電偶，發熱點處于一個空間內，熱點溫升很高，但柜內溫度分布不均，再者也不一定能將整個柜內溫度提高多少，并且測量偏差太大；另外還可以在柜門上開孔安裝一個紅外透鏡，使用紅外成像儀，但造價高昂，性價比低，不符合實際。再者就是在高壓電觸頭表面涂上一層發光材料，其顏色會隨溫度的變化而變化，通過觀察其顏色變化來判斷目標表面的溫度范圍，這樣可以起到預防作用，但其準確度低，可靠性差，不能進行定量測量。

目前，國內外對開關柜測溫采取的方法主要有四種方式。

（1）在開關柜內觸頭附近，加裝帶傳感器的測溫裝置。將傳感器埋入或固定在可靠的觸臂上，使之十分靠近發熱點，傳感器將采集到的數據有線或無線傳輸至監測儀。其優點是數據就地顯示，也可實現對設備的遠程監控；徹底隔離高壓；手車和非手車型開關柜都適用。缺點是通道數量受限，導致實際發熱的部位因沒有裝傳感器而漏檢；測溫范圍為0～125℃。有線傳輸使柜內布線繁雜凌亂；無線傳出時受變電站強電磁場干擾，影響信號質量。開關柜內原有的電場均布改變，造成電氣設備放電等新的故障。電池能量有限，一旦電量耗盡，測量裝備將全面癱瘓，部分CT取電設備，往往因電量小而不能穩定工作，不方便檢測設備日常維護及出現故障時維修[4]。

（2）在開關柜門上加裝可透過紅外線的特殊透明材料，用紅外成像儀監測柜內發熱情況。其優點是測溫范圍廣；施工工藝簡單。缺點是不能實現遠程監控，需人為監測，工作量大；在巡檢過程中工作人員的責任心及巡檢間隔時間都會影響到巡檢結果；存在著一定的安全風險，不能實現實時監測，更不能預測未來情況并對故障缺陷及時報警；開孔位置受限，必須開在合適位置，才能監測到盡可能多的部位；紅外成像儀和透視片需配合使用，成本偏高，對推廣應用有一定難度。

（3）使用紅外線在線監測系統對柜內觸頭進行監控，該方式采用的是非接觸式測溫。其優點是測溫速度快，測溫范圍廣，且對被測溫場無干擾，與高電壓完全隔離；技術先進，系統可靠穩定。缺點是該系統測溫還停留在點對點上，一個觸頭需要對應一個溫度傳感，沒有探測到整個開關內接頭的發熱情況。

（4）將光纖傳感器固定在靜觸頭上，將采集到的溫度信號通過光纖傳至主處理器，進行溫度監控。其優點是抗干擾能力強，化學性能穩定。缺點是易受光源波動和連接器損耗變化的影響，一旦測溫設備出現問題，不易檢修，在電力系統中應用還處于一種初步嘗試階段，尚需要建立溫度與設備狀態運行模型，并且成本高，制約推廣；如果在空氣濕度相對比較大的情況下或出現霧水、霜露的情況下會給電氣造成安全隱患?？傊?，加裝傳感器，受通道限制，不一定能監測到實際發熱點，可能出現漏檢；加裝透視片，不能實現實時監測。而采用實時在線監測，又不能實現整個柜內在線測溫。

2 開關柜非接觸式監測系統設計

開關柜非接觸式監測系統是在紅外測溫技術的基礎上建立的，主要由光學單元、光電探測單元、信號處理單元、顯示轉換及報警單元RS485接口及無線傳輸單元、機械裝置單元、涂覆單元等6部分組成。

光學單元聚焦時匯集其視場內目標的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測儀，探頭到目標的距離直接關系到測量斑直徑大小，要確保目標大于儀器所測圓點的大小。目標越小，則應離得越近。所以要根據探頭到目標的距離，算出相對應的D：S，再設計相關透鏡。光學單元要濾除可見光及近紅外光，減少外界非目標光源對測量結果的影響。按照紅外熱相規則，結合柜內溫度的實際區間為300℃以內，取8～14μm光譜響應波段，這個波段的光譜能有效避免大氣塵埃和水汽對紅外線傳輸中的衰減，因此具有很強針對性的紅外輻射探測能力，有效解決了目前市場上紅外測溫儀測量有效距離短、抗干擾能力差的弊端。

光電探測單元主要有兩個功能。

（1）采集目標輻射的紅外信號，并轉化為電信號，傳感器能夠吸收紅外線能量并輸出一個與溫度成比例關系的電壓信號。TS系列紅外溫度傳感器由熱吸收區(熱端)、硅基片(冷端)和Sinx薄膜及外封裝組成。其工作原理類似于普通的熱電偶原理，是基于塞貝克效應（溫差電勢效應）。先在硅基片上沉淀出多個熱偶接點（thermo junc?tion）。這些熱偶接點串聯在一起形成一個熱感應通道（thermopile）。一端（熱端）與另一端（冷端）之間通過腐蝕方法形成的非常薄的薄膜進行熱隔離[5]。紅外吸收區域與熱端合并在一起以使熱端能升溫，這樣，與紅外線能量成正比的熱電勢便可產生。

（2）采集環境溫度，如圖1所示，在傳感器上內置一個環境溫度傳感器，該傳感器會自動采集環境溫度，主要用于比對修正被測物體的實際溫度。采集到的溫度信號經修正后，最終以數字信號輸出，抗干擾能力增強。

圖1 光電探測單元自動采集環境溫度

由于不同物體表面的發射率各不相同，為了保證溫度測量的準確性，一般要求發射率修正。由于測溫儀是以黑體標定的，而任何物體表面發射率都比黑體發射率小。所以，信號處理單元是對采集到的信號進行分析處理，進行環境溫度及光學系統的衰減補償，再根據目標物體的發射率及透鏡的透射率進行數據修正，提高溫度輸出的準確性，降低外界對它的干擾。顯示轉換及報警單元根據預設的時間，將預設的目標溫度數據及當前所掃描目標位置在LCD上實時顯示。當目標溫度超過預設溫度時進行聲光報警，按聲光報警復位鍵，消除聲光報警。

在RS485接口及無線傳輸單元留出通訊接口，以便標準通信協議通過RS485總線將整個網絡系統與變電站綜合智能化系統相連。利用總線將開關柜內溫度信息通過下位機傳至上位機，在上位機上實時顯示開關柜內溫度信息，并控制下位機運行。機械裝置單元是為前端探測模塊的掃描動作提供驅動的功能單元。該裝置安裝于柜門外部，用以更靈活實現掃描被測目標，在掃描過程中，可上下180度控制掃描，能夠精確定位被測目標。分為機械傳動和外結構件兩部分。其中作為前端探測裝置重要構成的光學單元模塊微探入柜體內，機械裝置帶動傳動軸進行上下轉動，實現對被測部件的掃描，如圖2所示。

圖2 機械裝置對被測部件進行掃描

在被測目標表面，涂覆一種特殊材質（透明、非金屬、不改變開關柜的電氣特性），不改變柜內電場分布，輻射涂膜使物體表面具有高發射率，并且改變原來物體的表面的物理化學性能。這種材質一來可以改變柜內物體的原有發射率，方便溫度數據采集和修正，能夠更精確的測出發熱點的表面溫度；二來不改變原有的相色，應具有高溫變色的功能，當溫度高于80℃時，由無色變為黑色，如圖3所示。

圖3 涂覆單元

非接觸式監測系統既可實現對柜內溫度檢測，又成功的解決了開關柜內測溫和故障點定位問題。通過及時發現柜內設備的發熱缺陷，即克服了接觸式測溫的不足，并且又安裝方便，與高壓系統完全隔離，其速度快、測量范圍寬，一個就可以覆蓋柜體內所有的可能發熱點，且對被測溫場無干擾，具有明顯優勢。通過聲光報警方式和數據遠傳，提示工作人員，再根據涂覆材料的色變來定位故障，把故障消滅在萌芽狀態，保證開關設備的安全穩定運行，提高了設備的可靠性。該測溫方式采用的紅外探測器是介于成像與非成像中間的技術，基于紅外技術的熱成像儀制造成本比較昂貴，基于接觸式的一些測溫手段又容易受諸多因素的影響，而場掃描式紅外技術的這種測溫即保證了測溫的效果，同時又彌補了熱成像成本過高的缺陷，比較經濟，安裝方便，適用于新開關柜出廠安裝或對老舊開關柜改造，批量投入使用，可節約巨大費用。

3 結論

開關柜非接觸式監測系統一旦投入使用，將能夠實時檢測開關柜內各元器件的溫度，將柜內溫度顯示在裝置后面的LCD顯示器上。當設備溫度超過設定溫度或溫度上升過快時，發出報警聲音和閃光警示信號。場掃描式紅外技術的這種測溫即保證了測溫的效果，同時又彌補了熱成像成本過高的缺陷，比較經濟，安裝方便，適用于新開關柜出廠安裝或對老舊開關柜改造，批量投入使用，可以在確保設備安全運行的前提下節約巨大費用，應用前景十分廣闊。

［1］王進米.淺談開關柜運行中發熱故障及措施［J］.北京電力高等?？茖W校學報，2012，29（3）：138-139.

［2］朱朝祥.降低開關柜內設備發熱故障率的方法［J］.云南電力技術，2011，39（5）：84.

［3］周喜忠.開關柜內接頭發熱的原因及監測［J］.電氣開關，2009（4）：6-7，11.

［4］魏韜，張洪濤，石軍.開關柜溫度報警器的研制［A］.2011年全國電力企業信息化大會論文集［C］.

［5］劉波.高強鋼同步預熱焊接方法的研究［D］.南京：河海大學，2006.

Research on Non-Contact Monitoring System of Switchgear Based on Infrared Temperature Measurement Technology

SHI Hong-wei1，WANG Jun-ping2，LIU Shou-ming1，PU Xiang-zhou3，HAN Ai-zhi1
（1.Zhoukou Power Supply Company，Zhoukou 463000，China；2.Henan Vocational Technology College，Zhengzhou 450046，China；3.Henan Hongbo Measurement&Control Co.，Ltd，Zhengzhou450002，China）

Power supply commonly used switchgear due to thermal failure often result in large area blackout phenomenon，the mechanism of thermal fault analysis and the infrared monitoring techniques conducted applied research，design switchgear thermal fault warning device.The device has a low cost，easy installation，non-contact infrared thermometer switchgear real-time monitoring，data transfer and alarm，and the ability to accurately locate the fault location，easy troubleshooting and immediately removed.

switchgear；non-contact；monitoring system

TP297.52

A

1009－9492(2014)01－0063－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.016

史宏偉，男，1972年生，河南鹿邑人，大學本科，助理工程師。研究領域：輸變電技術。

(編輯：向 飛)

2013－07－25