紅外雙視熱像在線監控系統在海上平臺的應用

鄒 菁，胡 盼

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

開關柜屬于配電系統的重要組成部分。中、低壓開關柜集成多種電氣元件，結構緊湊、空間間隙小，且設備處于密封及帶電狀態，無法直觀觀察內部情況，安全風險大。中、低壓開關柜通常工作在高電壓或大電流狀態或者設備本身含整流和功率元器件，會造成設備的某些部位發熱，產生異常溫升，如不及時處理最終會導致設備燃燒爆炸等事故。

1 研究背景

海上平臺的高壓盤、低壓盤在海上孤島電站電力系統發電、輸電、配電、電能轉換中起通斷、控制等作用。高壓盤、低壓盤出現發熱異常導致故障形成的過程是一個循序漸進的過程：處于不良工作環境中或自身出現異常情況時的高、低壓盤接觸面溫度升高，同時電流發熱效應的持續作用會促使觸頭溫度逐漸提高。當這種溫度升高趨勢過快，致使觸頭溫度高于絕緣套管的耐熱設計標準時，會導致電流互感器或絕緣套管的損壞，造成接地或兩相間短路，使得該發熱故障的破壞力被放大蔓延到其他附屬設備，造成供配電系統或者電力變壓器的穩定性受到影響乃至出現火災爆炸事故。如果異常發熱度能得到及時有效的處理，會大幅度降低高壓盤、低壓盤的故障發生率，降低對供電可靠性的影響。因此，有必要給高壓盤、低壓盤配置溫度實時在線監測系統，對溫度參數進行監測，出現異常溫度時及時預警。

2 檢測手段

由于高、低壓盤等設備處于高電壓、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾環境中，要實現對它們的測溫，必須解決電子測量裝置在上述惡劣環境條件下工作的適應性，解決溫度傳感器的電位隔離、抗電磁干擾、小尺寸和便于安裝等問題。目前常用的溫度監測方法有以下3 種：

（1）熱電偶測溫。熱電偶結構簡單、使用方便，直接與被測對象接觸，不受中間介質影響，但信號調理復雜，容易受雜散電場的噪聲影響。

（2）手執式紅外測溫。通過手執式紅外測溫進行人工巡檢效率低，主要依賴人工，無法實時監控以及數據管理，且存在帶電作業風險。在以往的中、低壓盤過熱故障檢測中，采用手執式紅外測溫儀進行人工巡檢，不僅費時、費力，而且不易及時發現事故。

（3）紅外在線測溫系統。紅外測溫具備相應速度快、敏感度高、測量覆蓋面廣、非接觸測量等優點，實現了無人化作業，可實時儲存并及時智能報警，而且可事后查證。

3 系統設計原則

應用非接觸式紅外在線監測系統，可確保高、低壓開關柜等重要設備安全穩定運行，杜絕運行中觸頭及母排、整流及功率元器件等過熱引起短路、接地造成重大電力設備事故。

溫度在線監測系統應有特點：①設備安全，保證安全距離，不能因安裝監測系統而改變電氣設計參數；②技術成熟，應選擇技術先進，成熟穩定的溫度監測系統；③安全可靠，應保證溫度傳感器出現故障時，不影響電氣設備的安全運行。

4 紅外在線測溫模塊工作原理及優點

4.1 系統主要參數（表1）

表1 紅外在線測溫模塊主要參數

4.2 工作原理

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量，紅外輻射能量的大小與物體表面溫度有著密切的關系。當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內部熱運動存在而不斷向四周輻射電磁波，其中就包含波段位于0.75～100 μm的紅外線。其特點是在給定的溫度和波長下，物體發射的輻射能有一個最大值，這種物質稱為黑體，物體的輻射能量越強，輻射峰值向短波方向移動，因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度。紅外測溫技術就是基于這個基本物理原理（圖1）。

圖1 紅外在線測溫模塊工作原理

4.3 主要優點

（1）滿足現場設備全方位24 h 對設備表面溫度的實時精確監控，出現超溫情況準確定位故障部位，同時立足《帶電設備紅外診斷應用規范》，最終完成自動預警、自動錄像、報告生成等智能分析監控工作。通過對監測數據的分析、判讀、預警，極大限度地避免惡性停電事故發生，同時直觀準確地判斷設備事故缺陷

（2）該系統采用雙視（可見光、紅外）同步監測技術，實現可見光和紅外雙圖像實時同視場吻合和融合功能，大大提高了故障部件的可識別率和定位率，降低測溫區域的誤測率。

（3）基于數字化網絡的分布式系統架構。系統采用第三代全數字雙視監控器，全程數字化及單一IP，大大簡化了系統布線，降低安裝維護成本，提高數據傳輸的可靠性。后端監控軟件平臺可隨時隨地接管前端攝像機，實現視頻查看、模式調控以及觸發報警設置。

（4）采用監測和控制中央（后端）處理，通過服務器對配電系統所有監控器統一數據采集、監測處理、控制，大大提高了系統的監控處理能力和效率，增強了軟件功能可擴展性，簡化了軟件更新升級工作，降低系統維護成本。

（5）采用自由設定多預置位多監測區域，通過圖形標識（點、線、圓、矩形、多邊形）、設定濾除監測區域中非重點或存在干擾的部分，實現多目標跟蹤和重點區域實時監測。同時，系統可根據各電器部件屬性單獨設置測溫和報警參數，實時計算溫度或溫升的變化值或趨勢并顯示，提高了測溫分析的準確度。

（6）前端監控裝置主要安裝于現場配電柜內部，降低人工打開柜門近距離接觸帶電設備所帶來的風險，提高了無人值守監控系統的智能化水平。

（7）以智能電網發展前瞻為設計實施依據之一，系統在軟硬件開發，多接口開放集成等功能開發過程中，可有效兼容變電站原有電力設備負載、環境監測、設備狀態監控等數據，在統一的平臺下進行有效的預前故障監測，給出適當的輸變電設備事故處理措施及方案。

5 網絡架構及說明

（1）網絡架構：采用單以太網架構。非接觸式紅外在線測溫模塊與交換機之間通過屏蔽網線連接，各交換機之間通過鎧裝屏蔽網線互聯，再通過鎧裝屏蔽網線、Modbus TCP/IP 通信協議將最高溫、最低溫、平均溫度等數據實時傳輸至中控系統或第三方系統（圖2）。

圖2 紅外在線測溫系統網絡架構

（2）安裝方式：在每面中壓盤盤后上方的母排室、下方的電纜室分別安裝一臺非接觸式紅外在線測溫模塊，在每面低壓盤盤后安裝一臺非接觸式紅外在線測溫模塊。非接觸式紅外在線測溫模塊配備安裝支架，實時監測母排及三相電纜接頭的溫度及周邊的溫度，形成錐形立體實時測溫，實現溫度逾限報警，有效避免中壓盤母排室、電纜室及低壓盤電纜室常年處于封閉帶電運行狀態下，無法直觀觀察內部元器件運行溫度情況，導致發熱、異常高溫、冒煙、火災等情況的發生。

（3）供電電源：工業級交換機及非接觸式紅外在線測溫模塊均支持DC 12 V 供電。由平臺提供一路AC 220 V/AC 110 V交流電，通過AC 220 V/AC 110 V 轉DC 12 V 的開關電源轉換后統一給工業級交換機及紅外在外測溫模塊供電。每一列中壓盤提供一路AC 220 V/AC 110 V 交流電、每一段400 V 母線提供一路AC 220 V/AC 110 V 交流電。

（4）系統性能：采用工業級的非接觸紅外在線測溫模塊，探測器芯片采用進口品牌。設備為全金屬外殼，同時具備紅外熱成像鏡頭和高清可見光鏡頭雙鏡頭，并提供補光燈。紅外熱成像鏡頭用于紅外實時測溫，分辨率160×120；高清可見光鏡頭用于異常情況下的圖像保存，分辨率1920×1080。測溫范圍達到-10～400 ℃，并具備溫升報警功能。非接觸紅外在線測溫模塊具備RJ45 標準10/100/1000 M 自適應以太網網口、Modbus TCP/IP標準通信協議，可直接將最高溫、最低溫、平均溫度等實時溫度數據傳輸給中控系統或第三方監控系統。

（5）軟件：提供紅外在線測溫系統軟件或提供免費SDK 開發軟件包，中控系統或第三方系統可以在SDK 開發軟件包基礎上進行二次開發。紅外在線測溫系統軟件及客戶端用于紅外在線測溫系統的實時監視、紅外實時圖像、歷史數據、報警管理、用戶管理、日志管理等。

6 實現功能

（1）對變壓器、開關柜、UPS 等設備進行在線溫度監測。

（2）實時紅外圖像展示（圖3）

圖3 紅外實時圖像

7 結束語

局部發熱嚴重是電力系統出現故障的典型先兆，發現、處理不及時將導致電力系統故障。線紅外熱像儀能夠實時監測電力系統運行情況，能夠發現人察覺不到的隱患，為電力系統的安全運行提供保障。紅外在線監測系統軟件對前端監控設備進行監控、測量、分析，故障時觸發報警，并完成對前端設備的配置管理，實現歷史數據歸檔等功能，分析軟件耗用資源少，客戶端能自動預警，保證操作人員及時干預，避免電氣火災事故的發生。