基于紅外傳感的GIS隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)研究

叢浩熹 ，李慶民 ，齊 波 ，李成榕 ，劉有為 ，肖 燕

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院 山東省特高壓輸變電技術(shù)與氣體放電重點實驗室，山東 濟南 250061；2.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，北京 102206；4.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

隨著我國電力工業(yè)的大力發(fā)展和需求量的不斷增長，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中［1-2］。GIS設(shè)備加工工藝嚴(yán)格、技術(shù)先進，且絕緣介質(zhì)為SF6氣體，因而具有良好的開斷能力且觸頭燒傷輕微，具有檢修周期長、故障率低、維護費用少、占地面積小等優(yōu)點。正是由于GIS設(shè)備的這些突出優(yōu)點，其在變電站中的應(yīng)用日益廣泛。當(dāng)GIS設(shè)備觸頭接觸不良時，由于接觸電阻變大，在負載電流流過時會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。觸頭、母線過熱會引起絕緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)短路，形成重大事故，造成巨大的經(jīng)濟損失［3-4］。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)的眾多發(fā)電公司、電力公司所采用的GIS設(shè)備均不同程度地出現(xiàn)過封閉母線、隔離開關(guān)、電纜頭等部件由于絕緣老化或接觸不良，造成溫度異常變化，從而引發(fā)事故的現(xiàn)象［5］。因此，實現(xiàn)對GIS設(shè)備的在線溫度監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)并消除熱故障隱患，對GIS的安全可靠運行具有非常重要的意義。

目前，在現(xiàn)場中應(yīng)用的預(yù)防GIS設(shè)備觸頭過熱的措施主要有3種：人工觀察觸頭表面顏色［6］、定期測量回路電阻和使用紅外成像儀［7-8］對固定監(jiān)測點定期進行溫度監(jiān)測。這些方法均存在著一定不足：前2種措施需要GIS設(shè)備停電檢修，第3種措施中紅外成像技術(shù)的分辨率和精度都難以達到要求，而且這3種監(jiān)測方法均難以實現(xiàn)對GIS設(shè)備溫度的持續(xù)測量，即不能實現(xiàn)在線監(jiān)測。而目前在開關(guān)柜觸頭測溫中應(yīng)用較為廣泛的光纖光柵在線測溫方法［9-11］，由于GIS結(jié)構(gòu)的特殊性還未在GIS設(shè)備觸頭溫度檢測中得到廣泛應(yīng)用。紅外在線測溫方法［12-13］不與被測物體直接接觸，不會擾動和破壞被測物體的溫度場和熱平衡，也解決了高壓隔離和測量部分的高溫問題，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動測量GIS設(shè)備觸頭的溫度并及時進行溫度越限預(yù)警，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文針對GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點，提出了一種基于紅外傳感的適用于GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測的方法，并對影響紅外測溫精度的因素進行了實驗研究。該方法具有較強的實用性，對提高電氣設(shè)備運行可靠性和電力系統(tǒng)運行可靠性都具有重要的意義。

1 GIS設(shè)備紅外在線溫度監(jiān)測特點

紅外測溫是一種非接觸式的測量方法，通過接收被測物體的輻射來確定被測物體的溫度。在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不斷地向周圍空間輻射紅外輻射能量。物體紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因而，通過測量物體自身輻射紅外能量的大小便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。黑體的發(fā)射率等于1，實際物體的發(fā)射率都小于1，只有調(diào)整紅外溫度傳感器的發(fā)射率與被測物體的發(fā)射率一致，測量的導(dǎo)體溫度值才是準(zhǔn)確的。

圖1為GIS設(shè)備隔離開關(guān)紅外溫度在線監(jiān)測裝置示意圖，包括GIS設(shè)備外殼、密封蓋板和紅外溫度傳感器等。金屬殼體為圓形開孔并向外凸起，保證了金屬導(dǎo)體與探頭之間的安全距離；密封蓋板與金屬殼體的結(jié)合處為由橡膠圈、密封膠和螺絲組成的良好密封系統(tǒng)。

圖1 在線溫度監(jiān)測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of online temperature monitoring device

目前影響GIS設(shè)備紅外測溫精度的因素主要有以下3個。

a.金屬導(dǎo)體表面發(fā)射率。GIS設(shè)備內(nèi)部為了提高絕緣性能，減少沿面放電和局部放電，內(nèi)部導(dǎo)體多為拋光的金屬。然而金屬的發(fā)射率是很低的，特別是拋光的金屬（鋁、銅）發(fā)射率約為0.05，要測量金屬導(dǎo)體的溫度就必須提高被測點的發(fā)射率。

b.SF6氣體吸收帶。GIS設(shè)備內(nèi)部充滿SF6氣體，從圖1可以看出，內(nèi)部導(dǎo)體輻射的紅外光要經(jīng)過SF6氣體吸收帶才能到達紅外溫度傳感器。然而SF6氣體是一種溫室氣體，對紅外光有著強烈的吸收和輻射能力，應(yīng)盡量減少SF6氣體的紅外輻射和吸收，以提高測量的準(zhǔn)確性和精度。

c.紅外溫度傳感器的參數(shù)要求。GIS設(shè)備內(nèi)部處于高電壓、強電場、強磁場的環(huán)境下，所使用的傳感器要具有合適的測溫范圍、溫度分辨率、距離系數(shù)、精度、響應(yīng)時間、長期穩(wěn)定性和對環(huán)境溫度的要求。

2 金屬導(dǎo)體表面發(fā)射率對紅外測溫的影響

由第1節(jié)可知，要測量金屬導(dǎo)體的溫度就必須提高被測點的發(fā)射率，這給測溫工作帶來了極大的困難，也是從事在線監(jiān)測的專業(yè)人員難以進行GIS設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體紅外測溫的原因［14］。文獻［14］提出了一種在觸座上開圓孔槽，在槽底嵌入SF6環(huán)境下具有高穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)且輻射率高的物質(zhì)的方法。雖然這種方法將不受金屬鋁的限制，可以將對鋁導(dǎo)體的紅外測溫轉(zhuǎn)化為對普通材料溫度的紅外測量，但會給GIS設(shè)備的加工和組裝帶來一定的困難，而且2種材料的溫度傳遞過程可能會導(dǎo)致嵌入物質(zhì)不能及時反映觸頭溫度變化情況。

本文提出了一種在金屬導(dǎo)體觸頭表面涂敷高輻射涂料的方法，將對金屬導(dǎo)體的紅外測溫轉(zhuǎn)化為對導(dǎo)體表面涂料溫度的紅外測溫，其有以下幾點優(yōu)勢。

a.通常情況下，金屬及其他非透明材料的輻射發(fā)生在表面幾微米內(nèi)，發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，而與尺寸無關(guān)。因此，涂敷或刷漆的表面發(fā)射率是涂層本身的特性，而不是基層表面的特性。

b.在GIS設(shè)備正常運行過程中，通常內(nèi)部導(dǎo)體連接部位在額定電流作用下的溫度為100℃左右，由于被測物體測量溫度范圍較?。ㄌ貏e是非金屬物體的發(fā)射率隨溫度的變化很小），在實驗中可近似認為被測物體表面的發(fā)射率不變。

c.在GIS設(shè)備正常運行時，開關(guān)電流短時間內(nèi)一般不會出現(xiàn)劇烈波動，涂敷材料與導(dǎo)體觸頭處于熱平衡狀態(tài)，兩者溫度相同。

d.簡單經(jīng)濟，便于加工，而且涂料與金屬緊密結(jié)合，能夠更好地與金屬導(dǎo)體達到熱平衡，從而更靈敏地反映金屬的溫度變化。

e.涂敷的涂料為非金屬，不會產(chǎn)生沿面放電、局部放電等現(xiàn)象，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本實驗中表面涂敷HS-2-1低溫紅外輻射涂料（圖2），該涂料性能優(yōu)良，紅外線法向全發(fā)射率達到0.86，且發(fā)射率不隨溫度的變化而改變。將被涂的底材清除油污，進行噴砂處理后再進行噴涂。施工以噴涂為宜，亦可手工刷涂。涂敷厚度為70～100 μm，涂敷區(qū)域直徑根據(jù)下式確定：

圖2 導(dǎo)體表面涂敷紅外輻射涂料Fig.2 Conductor surface coated with infrared radiation paint

本實驗中采用的紅外溫度傳感器的距離系數(shù)是15∶1，紅外溫度傳感器探頭到測溫區(qū)域的距離是30 cm，則測溫區(qū)域的直徑最少應(yīng)為2 cm。當(dāng)涂敷區(qū)域直徑小于測溫區(qū)域最小直徑時，背景輻射能量就會進入溫度傳感器干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。為保證足夠的測量精度，在實際測溫時，以被測目標(biāo)尺寸超過測溫區(qū)域最小直徑的50%為宜。

3 SF6氣體對發(fā)射率的影響

GIS設(shè)備內(nèi)部從被測物體到傳感器之間存在著SF6氣體吸收帶，紅外光在SF6氣體中傳播時會因為氣體分子對輻射的吸收、散射而衰減［15］。SF6氣體對中心波長為10.55 μm的紅外波段具有非常強的吸收和輻射特性［16］，而對其他波段的紅外光吸收較小。由于SF6氣體自身固有的輻射特性，所以選擇的紅外溫度傳感器應(yīng)盡量避開對應(yīng)的吸收帶，優(yōu)先選用的工作波段為6～10 μm。然而經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前主流的測量低溫范圍的紅外溫度傳感器工作波段為 8～14 μm，且現(xiàn)有工作波段在 6～10 μm 的紅外傳感器報價特別高，不利于測溫方法的推廣應(yīng)用。

鑒于可調(diào)發(fā)射率的紅外溫度傳感器在有煙塵及濃霧等條件下的應(yīng)用，筆者對通過調(diào)節(jié)紅外溫度傳感器的發(fā)射率來補償SF6氣體的吸收效應(yīng)進行了實驗研究。在紅外測溫過程中，只有紅外溫度傳感器的發(fā)射率與被測物體的發(fā)射率一致時才能顯示正確的溫度示數(shù)。由于SF6氣體的吸收效應(yīng)，紅外溫度傳感器接收的紅外光要小于被測物體發(fā)出的紅外光，因此其讀數(shù)小于實際溫度值，此時只有調(diào)低紅外發(fā)射率才能得到正確的溫度讀數(shù)。

SF6氣體對紅外光的吸收效應(yīng)與SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)和溫度有關(guān)。SF6氣體封閉在GIS設(shè)備內(nèi)部，盡管不同地域、不同季節(jié)外界的環(huán)境溫度變化可能較大，但設(shè)備正常運行時SF6氣體的溫度變化不大，可近似認為SF6氣體溫度變化對紅外光的吸收沒有影響，因此影響紅外測溫精度的因素主要是SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)。

本文對不同體積分?jǐn)?shù)SF6氣體對發(fā)射率的影響以及發(fā)射率校準(zhǔn)的可行性進行了研究。實驗平臺包括大電流發(fā)生器、GIS隔離開關(guān)實驗?zāi)Ｐ汀⒓t外溫度傳感器、熱電偶等。其中，紅外溫度傳感器為可調(diào)發(fā)射率的HE-155A型紅外溫度傳感器，導(dǎo)體表面涂敷HS-2-1低溫紅外輻射涂料，熱電偶埋入隔離開關(guān)的觸頭處作為溫度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.1 不同SF6氣體體積分?jǐn)?shù)對發(fā)射率的影響

保持大電流發(fā)生器的輸出電流值不變即保持導(dǎo)體的溫度不變，改變SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)，觀察紅外溫度傳感器的示數(shù)變化，然后調(diào)整發(fā)射率直到紅外溫度傳感器的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值（熱電偶溫度的讀數(shù)）一致，記下此時的發(fā)射率見表1。由于氣體壓強越大，氣體體積分?jǐn)?shù)越大，所以表1中用氣體壓強表征氣體體積分?jǐn)?shù)，后同。紅外溫度傳感器的初始發(fā)射率設(shè)為0.86，與涂料的輻射率一致。

表1 SF6氣體體積分?jǐn)?shù)對發(fā)射率的影響Tab.1 Influence of SF6concentration on emissivity

通過結(jié)果可以看出，隨著SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的升高，紅外溫度傳感器的讀數(shù)下降，這是由于SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的升高導(dǎo)致對紅外光的吸收增加所致。此時只有調(diào)低紅外傳感器的發(fā)射率作為補償，才能得到正確的溫度值。

3.2 加裝紅外濾光片對發(fā)射率的影響

GIS內(nèi)部長期處于高溫、強電場環(huán)境中，在短路時開斷電流產(chǎn)生的高溫電弧可能會損傷紅外溫度傳感器的探頭，因此在工程中在探頭前裝設(shè)紅外濾光片來加以保護。然而，紅外濾光片不能夠完全地通透紅外光，其會對紅外溫度傳感器的讀數(shù)產(chǎn)生影響。加裝紅外濾光片后，保持大電流發(fā)生器的輸出電流值不變即保持導(dǎo)體的溫度不變，改變SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)，觀察紅外溫度傳感器的讀數(shù)變化，然后調(diào)節(jié)傳感器的發(fā)射率直到傳感器的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值（熱電偶溫度的讀數(shù)）一致，記下此時傳感器的發(fā)射率，結(jié)果見表2。

表2 加裝紅外濾光片后不同SF6氣體體積分?jǐn)?shù)對發(fā)射率的影響Tab.2 Influence of SF6concentration on emissivity of IR sensor with IR filter

調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器的輸出電流值即改變導(dǎo)體的溫度，待導(dǎo)體溫度恒定后，改變SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)，觀察紅外溫度傳感器的讀數(shù)變化，然后調(diào)節(jié)傳感器發(fā)射率直到紅外溫度傳感器的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值（熱電偶溫度的讀數(shù)）一致，記錄此時的發(fā)射率，實驗結(jié)果見表3，表中Io為輸出電流。

表3 不同導(dǎo)體溫度對發(fā)射率的影響Tab.3 Influence of conductor temperature on emissivity

通過表2可以看出，加裝紅外濾光片后，隨著SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的升高，紅外溫度傳感器的讀數(shù)下降，這是由于SF6氣體體積分?jǐn)?shù)的升高導(dǎo)致對紅外光的吸收增加所致。此時調(diào)低紅外傳感器的發(fā)射率作為補償，仍然能夠得到正確的溫度值。通過表3可以看出，加裝紅外濾光片后，不同溫度下紅外溫度傳感器的發(fā)射率基本不變。這是由于被測物體為紅外輻射涂料，其發(fā)射率在不同溫度下的發(fā)射率恒定；同時，體積分?jǐn)?shù)一定的SF6氣體對紅外光的吸收和輻射特性一定，所以，不同導(dǎo)體溫度下紅外溫度傳感器的發(fā)射率基本保持不變。從上述實驗結(jié)果可看出，加裝濾光片后，只要SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)一定，則紅外溫度傳感器的發(fā)射率基本恒定，這說明了通過發(fā)射率校準(zhǔn)來補償SF6氣體吸收效應(yīng)的可行性，相關(guān)發(fā)射率的實驗數(shù)據(jù)可為紅外溫度傳感器的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

3.3 外界環(huán)境溫度變化對紅外測溫的影響

保持大電流發(fā)生器輸出電流值和SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)不變，對GIS外殼局部加熱40 min，記錄紅外溫度傳感器讀數(shù)變化情況見表4。

表4 外界環(huán)境溫度變化對紅外測溫的影響Tab.4 Influence of environmental temperature on IR sensing

從表4可以看出，外界環(huán)境溫度的局部變化（如現(xiàn)場中光照、局部溫度升高），對于紅外溫度傳感器的測量基本沒有影響。

4 GIS設(shè)備觸頭在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

基于紅外原理的GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括可調(diào)發(fā)射率的紅外溫度傳感器、紅外溫度傳感器前端裝設(shè)的紅外濾光片、被測金屬導(dǎo)體表面涂敷的紅外輻射涂料和溫度信號處理電路。整個溫度監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)：硬件系統(tǒng)包括紅外溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集和發(fā)射模塊、信號中繼點、數(shù)據(jù)管理平臺；軟件系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)采集程序、無線通信程序、數(shù)據(jù)管理平臺溫度管理程序。紅外溫度傳感器分別裝在隔離開關(guān)、斷路器和母線的觸頭處，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線發(fā)射裝置被中心節(jié)點中繼后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理平臺。

圖3 紅外溫度傳感器的安裝圖Fig.3 Installation of IR temperature sensor

圖3給出的是觸頭處紅外溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。導(dǎo)體觸頭上的黑色部分為涂敷的紅外輻射涂料，可以提高被測金屬導(dǎo)體的發(fā)射率，同時涂敷的范圍要滿足紅外溫度傳感器距離系數(shù)參數(shù)的要求。在紅外傳感器探頭的前端裝有紅外濾光片，能夠過濾干擾波段，而且能夠承受斷路器開斷短時高溫電弧的沖擊，保護紅外溫度傳感器的探頭。紅外傳感器上集成有無線發(fā)射模塊，采集的溫度信號可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂婆_。從圖中可以看出，紅外測溫方法不與被測物體直接接觸，能夠不擾動和破壞被測物體的溫度場和熱平衡，也解決了高壓隔離和測量部分的高溫問題，相對傳統(tǒng)的測溫方法具有明顯的優(yōu)勢。

圖4為GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)圖。斷路器、母線、隔離開關(guān)等觸頭處測量的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信號中心節(jié)點中繼，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂婆_（數(shù)據(jù)管理平臺），這樣在控制臺側(cè)就可以實時觀察到觸頭溫度的變化情況，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動測量GIS設(shè)備觸頭的溫度并及時進行溫度越限預(yù)警。

圖4 GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)圖Fig.4 Online GIS contacts temperature monitoring system

紅外溫度傳感器采用可調(diào)發(fā)射率的HE-155A型傳感器，無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇具有抗干擾能力強、通信距離遠、延遲短等優(yōu)勢的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。紅外傳感器實現(xiàn)高電壓、強磁場的隔離，而且不破壞GIS設(shè)備內(nèi)部溫度場。采集的溫度數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式可以不受距離限制、無需現(xiàn)場布線。集成的紅外溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，安裝方便，抗干擾能力強，且具有較高的運行穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)用前景廣闊。

圖5 隔離開關(guān)觸頭溫度變化圖Fig.5 Temperature variation of disconnecting switch contacts

圖5給出了大電流發(fā)生器的輸出電流為1 kA時連續(xù)監(jiān)測隔離開關(guān)觸頭溫度的結(jié)果。從圖中可以看出，觸頭溫度不斷升高，經(jīng)過40 min基本保持穩(wěn)定。經(jīng)過反復(fù)測試和優(yōu)化設(shè)計，整個紅外測溫系統(tǒng)的測量精度為1℃，重復(fù)精度為0.5℃。

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)GIS設(shè)備觸頭溫度的在線監(jiān)測，本文提出了一種基于紅外原理的適用于GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測的方法，并對影響紅外測溫精度的因素進行了研究。

a.通過對SF6氣體下紅外溫度傳感器的實驗研究，得到了溫度傳感器發(fā)射率的變化規(guī)律，為GIS設(shè)備紅外溫度傳感器的實際應(yīng)用可行性奠定了基礎(chǔ)，也為GIS設(shè)備紅外溫度傳感器的參數(shù)選擇提供了依據(jù)。

b.外界環(huán)境溫度的改變對于紅外測溫基本沒有影響。將紅外溫度傳感器安裝于現(xiàn)場，當(dāng)環(huán)境溫度改變或光照等因素導(dǎo)致GIS設(shè)備局部溫度改變時，紅外溫度傳感器仍能保持良好的穩(wěn)定性。

c.提出了一種基于紅外原理的GIS設(shè)備觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，安裝方便，抗干擾能力強，且具有較高的運行穩(wěn)定性和可靠性。

所提方法不與被測物體直接接觸，能夠不擾動和破壞被測物體的溫度場和熱平衡，也解決了高壓隔離和測量部分的高溫問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。