海上平臺開關柜內紅外測溫系統應用分析

蔣志鵬，孟祥婷，唐 怡，蔡連博，杜銀昌

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海洋石油平臺電氣設備主要包括：主發電裝置、應急發電裝置、配電裝置、電動機、變壓器、蓄電池組、電器保護設施、照明設施、電伴熱設施和電加熱設備等。其中，配電裝置多以中、低壓開關設備和控制設備為主，是海上平臺保證電力系統安全可靠、穩定運行的重要設備[2]。不同接觸器、斷路器、熱繼電器、熔斷器等元器件的排列組合共同構成了開關柜的內部結構，由于其空間緊張，操作間隙有限，內部處于外殼封閉且帶電狀態，無法直接觀察開關柜的內部運行情況。隨著設備的長期運行，伴隨著可能出現：①工作在不穩定電壓或過電流等非正常狀態；②容易造成開關柜中的觸點和母排連接處、電纜接頭處等部位因老化或接觸電阻過大而發熱；③設備本身內部元器件的溫升過高，削弱相鄰的絕緣部件性能等不良影響。而產生這些不良影響的源頭如果無法監測，當溫度達到一定程度就可能導致絕緣擊穿、停產、火災等事故。

傳統檢測開關柜內部溫度的手段有以下兩種：

1）接觸式熱敏電阻測溫：熱敏電阻的優點為體積小、響應迅速、結構簡單，能夠顯示安裝點溫度。缺點為需修改原開關柜內部結構原理，現場改造工作量大，熱敏電阻與測溫點一一對應，造成系統布線、接線復雜，如果損壞，現場維護量巨大，且熱敏電阻沒有自檢和數據傳輸功能，顯示局限性和人員依賴性較高。

2）非接觸式手持紅外測溫：手持測溫的優點為不影響原開關柜內部已有結構，現場改造工作量少，測量覆蓋范圍大，能夠顯示任一檢測點溫度。缺點為人力依賴性高，主要通過工作人員日常巡檢完成檢測[3]，故障點判斷主觀性占比較高、檢測效率低、實時性差，需要打開柜門測量，存在帶電作業風險，尤其對于中高壓開關柜，帶電狀況下為全封閉狀態，無法通過手持式紅外測溫儀進行過熱檢測。

1 紅外熱成像原理

在光譜圖中，熱紅外線波長范圍在0.76μm～1000μm之間[5]，一切溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都在不斷自發地向外界輻射出紅外線。而物體表面的溫度直接反映出物體熱輻射能量的大小，人們利用這一特性可以通過非接觸的方式對物體進行溫度測量和狀態分析，通過接收這些輻射出的紅外線并進行轉換成像，從而形成人眼所能識別的熱圖像[1]。這就是紅外熱成像基本原理，從而衍生出了本文提到的紅外測溫系統。

2 紅外測溫系統

本文介紹的紅外測溫系統在開關柜設計階段考慮測溫傳感器與盤柜集成，通過對正在運行的設備進行非接觸檢測，探測物體發出的紅外輻射，實時顯示測溫傳感器檢測區域溫度值，顯示檢測區域溫度變化曲線，數據傳輸給開關間內的配套上位機系統，通過系統分析判斷進行故障原因分析與診斷、越限報警等。基于紅外熱成像原理，將人眼不可見的熱輻射能量轉換為帶溫度值顯示的開關柜內部圖像，同時具有實時遠程監測、直觀靈敏顯示、歷史數據查詢等優點。

紅外測溫系統不僅克服了開關柜全封閉狀態下無法帶電檢測、測溫點眾多布線接線困難的難題，而且通過上位機數據管理監控界面實時顯示測溫傳感器覆蓋范圍的不同溫度等級的溫度值、最低點溫度和最高點溫度等，并能夠提前做出越限報警指示[6]。改良了手持式紅外測溫依靠大量人力、物力日常巡視打開開關柜柜門檢測的方式，降低了人員巡視可能出現的巡檢遺漏，提高了故障發生源的檢測準確性，使事故預判更加可預見、更具實時性。為海上平臺開關柜的安全可靠運行保駕護航，從源頭避免開關柜運行過程中可能出現的內部觸頭及母排連接處、電纜接頭處等部位因老化或接觸電阻過大而發熱所引起的絕緣擊穿、短路故障、火災等重大電力設備事故。

2.1 傳感器電源

海上平臺常用電制為110V交流電用于低壓控制配電，而傳感器測溫模塊一般支持電制為24V或12V直流電。通過海上設施常用電氣設備應用分析，24V用電設備一般在開關柜內部配置電源轉換模塊，轉換電源后統一給紅外測溫傳感器模塊供電。

2.2 傳感器布置

中高壓開關柜內母排室、電纜室容易出現溫度升高現象，安裝紅外測溫傳感器模塊測溫效果較好；低壓開關柜電纜出線處容易發生溫度升高現象，安裝紅外測溫傳感器模塊效果較好。紅外測溫傳感器模塊故障不影響盤柜正常運行，且安裝局限性較小，盤柜集成后也可安裝，實時監測母排及三相電纜接頭及周邊的溫度值與不同溫度等級圖像顯示[4]。

2.3 邏輯拓撲連接

開關柜內置交換機，紅外測溫傳感器模塊采用Modbus TCP/IP通訊協議，以太網通訊接口，與交換機之間通過鎧裝屏蔽網線CAT 5E連接。各開關柜內交換機完成數據轉換集成之后，通過鎧裝屏蔽網線CAT 5E外傳，將溫度值、紅外成像、報警信號等數據傳輸至開關間內上位機系統或第三方系統實時顯示。

2.4 上位機功能顯示

紅外測溫系統上位機具備開關柜內部傳感器覆蓋檢測點溫度監測的實時顯示、紅外熱成像圖像的實時顯示、同一檢測點溫度數據的歷史查詢、越限報警管理與解除、管理員與用戶權限管理、故障日志分析報告等功能。

3 項目應用

南海某項目海上石油平臺開關柜內部應用紅外測溫系統，通過上位機軟件系統對開關柜內部的檢測區域進行實時監控圖像、實時測量溫度、故障觸發預警、故障原因分析，并完成對監控設備的統一協同配置管理，實現檢測點、溫度值、故障源等歷史數據歸檔、自動生成報表日志等功能。

當觸發報警時，上位機能自動彈出報警頁面，頁面詳細體現故障發生時間、故障點名稱及故障源大概位置，伴隨聲光報警提醒現場值班人員檢查，故障排查后值班人員可以打印故障報警記錄，與歷史數據庫進行對比研究分析。

該系統的應用提供了完備的分析處理與運算功能，包括溫度越限分析、溫度走勢曲線分析、故障點溫度歷史數據對比分析、數據庫日志更新與分析處理，保證現場值班人員在開關柜發生事故之前能夠及時預警溫度變化及時做出處理。該系統軟件還具備二次開發功能，后續將建立完整的設備數據庫（擴展延申至變壓器監測、UPS監測等），幫助工作人員實時監測和動態分析開關柜內部溫升情況，提前預測出故障可能發生的部位，保障海上平臺開關柜設備的安全可靠運行。

3.1 溫度顯示主畫面

主畫面對所有開關柜設備中的紅外測溫傳感器模塊進行監控、模擬、顯示實時溫度，如圖1。

圖1 溫度顯示主畫面Fig.1 Temperature display main screen

3.2 紅外實時圖像

單擊主畫面開關柜示意圖，進入相應開關柜非接觸式紅外實時圖像界面，在該窗口中，可查看到各個測溫區域的平均溫、最高溫、最低溫等屬性。

3.3 報警與歷史數據查詢

當有溫度報警信息時，在標題欄“報警管理”處有一個紅點出現，點擊查詢報警溫度、級別、開始時間、結束時間等信息。點擊“歷史數據”欄，在左側站點欄選擇對應站點、機柜、設備名稱、測溫對象、開始時間、結束時間，單擊“查詢”，顯示溫度曲線如圖2。當鼠標移動到溫度曲線上的“正常采集粒度”點時，顯示出改點的溫度、采集時間，雙擊該點，彈出該點的圖像，單擊“生成報表”按鈕，即可以Word文檔形式生成該點的溫度報表。

圖2 溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curve

3.4 運行效果圖

針對南海某海油平臺應用紅外測溫系統，應用效果良好。通過開關柜內紅外測溫傳感器模塊監測數據傳輸，可以從紅外測溫系統上位機界面中實時觀測到開關柜內部溫度情況，分別以黃色、橘黃、紅色等不同深度的顏色反映出不同測溫點的實時溫度等級。當圖像溫度變為深紅色，超過開關柜內溫度設定限值時，伴隨有聲光報警及上位機頁面報警指示，提醒現場值班人員盡快完成開關柜內故障排查。

4 結論

為了降低海洋石油平臺因中低壓開關柜故障導致的停電、火災等安全事故概率，并結合具體項目應用紅外測溫系統分析研究。本次應用相對于以往平臺的常規開關柜溫度檢測手段，有了更實時、更智能、更全面、更精準的監測。通過在線監測，及時發現故障開關柜、故障時間點及實時溫度。通過各項參數記錄分析溫度變化趨勢，到達設定閾值并發出預警。全面監測各個測溫區域的平均溫、最高溫、最低溫等屬性，通過歷史數據分析有效保證了故障可追溯性，有著比以往平臺月檢項目更多的數據支持。通過紅外成像不同顏色深度區域以及智能分析，直觀顯示溫度異常區域。同時，該系統具有不因安裝紅外測溫傳感器模塊而改變開關柜內部原有電氣設計參數，當溫度傳感器模塊出現故障時，不影響開關柜設備的安全可靠運行的特點。

紅外測溫系統在海洋石油平臺開關柜內的應用，為今后海洋平臺設備的供電安全性、可靠性提供了堅實保障，同時也為智能化、無人化平臺的推進提供了經驗借鑒。