戶外高壓隔離開(kāi)關(guān)溫度在線監(jiān)測(cè)裝置的研究

劉士偉

(朝陽(yáng)電業(yè)局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 引言

高壓開(kāi)關(guān)是電力行業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，開(kāi)關(guān)的主要部分導(dǎo)電觸頭，因接觸面不潔、觸頭氧化、機(jī)械變形松動(dòng)等原因，造成觸頭嚴(yán)重發(fā)熱燒毀的事故時(shí)有發(fā)生。以往由于沒(méi)有可靠的手段在線監(jiān)測(cè)觸頭溫度等運(yùn)行狀況，往往采用“計(jì)劃維修”，因而極易導(dǎo)致設(shè)備燒毀或突然停電等事故，在一定程度上影響了企業(yè)的效益。近年來(lái)，電力生產(chǎn)中采用了各種先進(jìn)的測(cè)溫設(shè)備，如紅外線測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫，熱電偶測(cè)溫、手持式測(cè)溫儀、觸電過(guò)熱指示器等方法，在實(shí)際中均取得一定的效果，開(kāi)關(guān)觸頭的溫度得到有效監(jiān)測(cè)，觸頭發(fā)熱事故也逐漸減少。其存在的主要問(wèn)題一是功能單一;其次是無(wú)法與其他智能設(shè)備共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)互操作。解決上述問(wèn)題是隔離開(kāi)關(guān)改進(jìn)的趨勢(shì)。

2 采用非接觸測(cè)溫——紅外測(cè)溫技術(shù)方案

紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)控制、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。與接觸式測(cè)溫方法相比，紅外測(cè)溫有著精確、便捷、安全等突出的優(yōu)點(diǎn)。近20年來(lái)，非接觸紅外測(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)占有率也逐年增長(zhǎng)。

2.1 紅外測(cè)溫的工作原理

根據(jù)基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩公式這三大輻射定律，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。三大輻射定律均是以“黑體”作為研究對(duì)象分析得出的。但是，自然界中存在的實(shí)際物體都不是黑體，所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為了使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0～1之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。物體表面發(fā)射率主要決定于材料性質(zhì)和表面狀態(tài)(如表面氧化情況，涂層材料，粗糙程度及污穢狀態(tài)等)。紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)，首先是測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量;紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào);該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)，單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例;雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。

3 總體方案設(shè)計(jì)

智能化裝置采用:“一次設(shè)備+智能組件”模式。智能組件構(gòu)成:狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、測(cè)控/保護(hù)單元、智能終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其原理是:

把隔離開(kāi)關(guān)的(一對(duì)、或多對(duì))常開(kāi)、常閉輔助觸頭，經(jīng)光電隔離轉(zhuǎn)換為遙信信號(hào)，用來(lái)判斷主觸頭的關(guān)合狀態(tài);

圖1 智能組件總體方案

使用電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的情況時(shí)，其分合閘線圈電流經(jīng)電流變送器/遙測(cè)轉(zhuǎn)換電路后，用來(lái)判斷傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否需要檢修;

通過(guò)紅外測(cè)溫探頭照射主觸頭，實(shí)現(xiàn)主觸頭接觸溫度在線監(jiān)測(cè)。目前，這種非接觸測(cè)溫方法在電力設(shè)備在線發(fā)熱監(jiān)測(cè)方面比較成熟，測(cè)溫范圍為0～500℃，誤差≤1℃。完全滿足隔離開(kāi)關(guān)溫度監(jiān)視需求;

數(shù)據(jù)采集控制單元完成數(shù)據(jù)采集控制，系統(tǒng)工作方式設(shè)置等，數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)仫@示、報(bào)警;

通訊模塊可實(shí)現(xiàn)與變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的通訊，從而為遠(yuǎn)方監(jiān)視、設(shè)備互動(dòng)操作提供數(shù)字量信息。智能化組件實(shí)現(xiàn)的功能:

(1)通過(guò)智能化改進(jìn)為遠(yuǎn)方監(jiān)控或設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量信息，提供設(shè)備互動(dòng)的數(shù)據(jù)支持。如:通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的分、合閘控制;控制隔離開(kāi)關(guān)、斷路器之間的配合，實(shí)現(xiàn)倒閘操作;防止出現(xiàn)誤操作。

(2)為隔離開(kāi)關(guān)的檢修提供運(yùn)行狀態(tài)依據(jù)。

①對(duì)隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的分、合閘操作。根據(jù)電動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘電流大小，認(rèn)定隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)是否應(yīng)該進(jìn)行檢修;

②通過(guò)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電部分的溫升進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)判定隔離開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電部分是否能滿足要求;

③通過(guò)安裝記數(shù)裝置，累計(jì)操作次數(shù)，限定隔離開(kāi)關(guān)的開(kāi)合次數(shù);

④通過(guò)安裝帶電顯示裝置，提高隔離開(kāi)關(guān)在檢修過(guò)程的可靠性。

4 智能測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在網(wǎng)絡(luò)的最底層是紅外測(cè)溫探頭"每個(gè)高壓開(kāi)放置3個(gè)測(cè)溫探頭"分別采集三相隔離開(kāi)關(guān)觸頭的溫度，通過(guò)RS485總線將溫度數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)采集單元%數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將溫度就地顯示"設(shè)置報(bào)警參數(shù)"并在溫度超限時(shí)報(bào)警"，同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)通過(guò)RS485總線上送至數(shù)據(jù)主控單元。數(shù)據(jù)主控單元將數(shù)據(jù)采集單元的信息匯總，并留出通訊口，以便依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。如電力系統(tǒng)185規(guī)約協(xié)議。通過(guò)RS485總線將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相連。

4.1 紅外測(cè)溫探頭的硬件實(shí)現(xiàn)

采用熱電堆傳感器作為溫度敏感元件，目標(biāo)物體的紅外輻射透過(guò)紅外濾光片被傳感器內(nèi)部的黑體吸收。從而使熱電堆的熱端受熱產(chǎn)生溫差電勢(shì)。該電勢(shì)就表征了目標(biāo)物體與熱電堆冷端的溫差。此外，傳感器內(nèi)部自帶了一個(gè)熱敏電阻!它的輸出電壓表征冷端溫度。但考慮到盡量縮小探頭的體積!省去輸出冷端電壓的調(diào)理放大電路，用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，替代熱敏電阻輸出冷端溫度?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量要求和安裝方式，需要確定傳感器的光學(xué)參數(shù)，一般的熱電堆傳感器都帶有紅外濾光片，由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的溫度變化范圍為0～15℃，選取的紅外濾光片對(duì)波長(zhǎng)為7.5～14nm的紅外輻射透過(guò)率不低于70%，可以滿足要求。在對(duì)光路要求較高的情況下，需要選取帶有透鏡的傳感器以避免光路的交叉影響。在現(xiàn)場(chǎng)探頭的安裝方式見(jiàn)圖2，測(cè)量距離為1.2m，目標(biāo)直徑為12cm選取的帶透鏡傳感器視場(chǎng)張角為7°，距離系數(shù)即視場(chǎng)直徑與測(cè)量距離的比值(約為，8:1)，能夠滿足測(cè)量要求。單片機(jī)作為探頭部分的控制芯片，利用其片內(nèi)自帶的10位A/D將調(diào)理放大后的溫差電勢(shì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)接收DS18B20送入的環(huán)境溫度信號(hào)，單片機(jī)將這兩路信號(hào)處理后由串口輸出，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由RS485總線將數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)采集單元，探頭的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 探頭硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2 數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)控制單元的硬件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)主控單元的硬件實(shí)現(xiàn)由于數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)主控單元所需的系統(tǒng)資源大體相同，因此在硬件上兼顧兩者的需求，設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的電路，只是通過(guò)采用不同的接口)跳線及軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)單元的轉(zhuǎn)換選用INTEL16位單片機(jī)80C196KC作為主控制芯片，外擴(kuò)了32KBRAM及64KB的ROM，分別用于數(shù)據(jù)寄存+程序存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)記錄，選用時(shí)鐘芯片DS12C887記錄系統(tǒng)時(shí)間，選用128*64點(diǎn)陣液晶顯示操作界面、溫度數(shù)據(jù)及報(bào)警畫(huà)面等，利用65HVD3082實(shí)現(xiàn)485通信，它具有1/8單位負(fù)載接收器輸入阻抗允許多達(dá)256個(gè)收發(fā)器接于單總線上，利用80C196KC的I/O接口控制多個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位和相關(guān)的菜單操作，選用IMP705芯片實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗功能，它能夠在程序出錯(cuò)或電源過(guò)低時(shí)對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。無(wú)論是數(shù)據(jù)采集單元還是數(shù)據(jù)主控單元，均處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中間層!既要響應(yīng)上層的召喚，又要接收下層的數(shù)據(jù)，因此，只用80C196KC僅有的一個(gè)串口實(shí)現(xiàn)與上下層間的通訊，需要擴(kuò)展單片機(jī)的串口。對(duì)于數(shù)據(jù)采集單元而言，兩路通訊的實(shí)時(shí)性要求都不高，可以用一片PLD芯片GAL20V8控制兩個(gè)485芯片的選通，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)串口的分時(shí)復(fù)用，但對(duì)于數(shù)據(jù)主控單元而言，由于需要隨時(shí)響應(yīng)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊，用分時(shí)復(fù)用的方式不能保證與上層系統(tǒng)通訊的可靠性，因此選用串口擴(kuò)展芯片ST2250外擴(kuò)出一個(gè)串口與上層通訊，而單片機(jī)自帶的串口負(fù)責(zé)與下層的通訊。數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)主控單元的硬件結(jié)構(gòu)分別如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)控制單元硬件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

戶外隔離開(kāi)關(guān)在線溫度監(jiān)測(cè)裝置的研究，為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、分析決策在線化、設(shè)備檢修狀態(tài)化提供數(shù)據(jù)支持。提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)少維護(hù)或免維護(hù)，同時(shí)可以降低成本，節(jié)能減排。

［1］張艷，等.基于紅外傳感器的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研制［J］.高壓電氣，2005，4.

［2］葉洪波，吳劍敏.LW1111-252型SF6高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.華東電力，2009，37(7)，7.

［3］吳志宏，關(guān)煥新.GW5系列高隔離開(kāi)關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新與智能化研究［J］.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，7(4):10.