一種高壓電柜紅外測溫報警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

商紅桃　侯玉杰

摘 要： 電力系統(tǒng)中，高壓電柜是重要的控制和保護設(shè)備。為了提高設(shè)備運行的安全性、可靠性，提高設(shè)備運行管理水平，降低因停電檢修而造成的不必要的電能損失和人力、物力上的浪費，研制出了在線測溫報警系統(tǒng)。通過紅外傳感器探測溫度實現(xiàn)在線測溫報警，通過接收被測目標發(fā)出的紅外輻射來確定其溫度。目前，系統(tǒng)已經(jīng)正式投入運行，效果良好，達到了預期的要求。

關(guān)鍵詞： 高壓電柜； 在線測溫； 系統(tǒng)設(shè)計； 報警系統(tǒng)

中圖分類號： TN830.1?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0143?03

Research and implementation of infrared temperature measurement

and alarm system for high?voltage electric cabinet

SHANG Hong?tao1， HOU Yu?jie2

（1. Changzhou Liu Guo?jun Branch， Jiangsu Union Technical Institute， Changzhou 213025， China； 2. Jiandong Polytechnic College， Changzhou 213022， China）

Abstract： In power system， high?voltage electric cabinet is an important control and protection equipment. To improve security and reliability of the equipment operation， enhance the equipment operation and management level， reduce waste of unnecessary energy losses， manpower and material resources caused by power?off maintenance， the online temperature measurement and alarm system was developed. The online temperature measurement and alarm are realized with the detected temperature by infrared sensor， and the temperature is determined by receiving infrared radiation which sent by the measured object. Currently the system is in operation with good effect. The prospective requirements were achieved.

Keywords： high?voltage electric cabinet； on?line temperature measurement； system design； alarm system

0 引 言

電力設(shè)備是電力系統(tǒng)的重要組成部分，電力設(shè)備的運行是否正常直接決定了電力系統(tǒng)能否可靠穩(wěn)定運行，因此在日常維護中，對電力設(shè)備進行必要的檢修非常必要。傳統(tǒng)的電力設(shè)備檢修停留在定期停電檢修狀態(tài)，到了檢修時間，無論設(shè)備狀況和性能是否存在問題都要停電檢查，這給正常的電力系統(tǒng)運行造成了不必要的損失，降低了生產(chǎn)運行效率。近年來，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)、檢測技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，電力設(shè)備的實時監(jiān)測正在逐步取代傳統(tǒng)的停電檢修。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠地通信、聯(lián)網(wǎng)傳輸和異地控制也已經(jīng)成為現(xiàn)實。

電力設(shè)備的在線監(jiān)測及時能提供設(shè)備運行過程中的暫態(tài)信息，并且及時發(fā)現(xiàn)和診斷設(shè)備存在的缺陷和安全隱患，可以減少或避免事故的發(fā)生，保障了電力設(shè)備和系統(tǒng)的安全、可靠運行。

高壓電柜是電力系統(tǒng)中一種常見的保護和控制裝置，保護作用是當設(shè)備或線路發(fā)生故障時，能將故障部分從電網(wǎng)中快速切除或隔離，以保證電網(wǎng)其他部分的正常運行；控制作用就是根據(jù)電網(wǎng)的運行要求，投入或退出相關(guān)的設(shè)備或線路。因此，電柜內(nèi)部導電連接處會進行頻繁的動作，造成接觸處溫度升高，引起接觸處氧化，導致接觸電阻變大，繼而會出現(xiàn)局部熔焊或產(chǎn)生火花，殃及周圍絕緣材料，影響電柜工作的可靠運行。因此，對柜內(nèi)觸點進行實時的溫度監(jiān)測，實現(xiàn)過熱報警顯得非常必要。

本系統(tǒng)利用紅外傳感器實時探測電柜內(nèi)觸點溫度，實現(xiàn)在線測溫報警，通過接收被測目標發(fā)出的紅外輻射來確定其溫度，范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快，且對被測溫場無干擾。

1 紅外測溫原理

1.1 紅外輻射原理

自然界中的任何物體，只要溫度高于絕對零度，總是不斷地向外發(fā)出紅外輻射，并以光的速度傳播能量。物體向外輻射的能量與物體的溫度和紅外輻射的波長有關(guān)。根據(jù)普朗克熱輻射定律可得到如圖1所示的絕對黑體在不同溫度下的光譜輻射曲線。

從圖1中可以看出，不同溫度下的曲線峰值點的波長[λ]和溫度[T]滿足維恩位移定律，即[λ?T=2 ]998 μm·K，溫度在300～500 K范圍內(nèi)的物體，其紅外輻射的峰值波長約為5.8～9.66 μm。

根據(jù)斯忒藩一波耳茲曼定律，物體單位面積所發(fā)射的輻射功率為[W=εδT4，]實際物體的總輻射度與其熱力學溫度的4次方成正比，即物體的溫度越高，發(fā)出紅外輻射的能量也越大，而且只要溫度有微小變化，就可引起輻射能量明顯的變化。因此，通過測量物體自身輻射的紅外能量即可準確測定該物體的表面溫度。

1.2 紅外測溫原理

（1） 任何發(fā)熱的物體都會輻射紅外線，發(fā)出紅外輻射能量，紅外測溫正是根據(jù)這一原理對運行設(shè)備的表面溫度進行監(jiān)測，根據(jù)設(shè)備溫度的高低分析判斷設(shè)備是否存在缺陷和故障。

（2） 不同材質(zhì)的電氣設(shè)備發(fā)出的紅外輻射能量不同，紅外測溫儀能通過調(diào)整發(fā)射率對各種不同材質(zhì)的電氣設(shè)備表面溫度進行監(jiān)測。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本實時監(jiān)測報警系統(tǒng)主要包括測溫探頭、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)顯示參數(shù)設(shè)置單元等4個部分，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)企業(yè)施工現(xiàn)場需求，在高壓電柜內(nèi)共安裝了9個測溫探頭，分別用于采集電柜內(nèi)9個三相隔離開關(guān)觸頭和導體連接頭的溫度。數(shù)據(jù)采集單元將探頭數(shù)據(jù)通過總線傳送至數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元將9個數(shù)據(jù)采集單元信息匯總，以ATMEL 8位C8051f410單片機作為數(shù)據(jù)處理芯片，并依據(jù)相關(guān)標準協(xié)議通過RS 485總線將系統(tǒng)與整個電站控制系統(tǒng)相連。數(shù)據(jù)顯示參數(shù)設(shè)置單元主要負責溫度的顯示和報警參數(shù)的設(shè)置，當溫度超過某一限定值時報警，同時將溫度數(shù)據(jù)和報警信號通過總線傳送至數(shù)據(jù)處理單元。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 測溫探頭設(shè)計

（1） 溫度傳感器的選擇

本模塊選用熱電堆作為溫度傳感器，被測物體發(fā)出的紅外輻射通過濾光片被傳感器黑體吸收，使得熱電堆的熱端受熱產(chǎn)生電勢，該電勢表征了被測物體與熱電堆冷端的溫差。

此外，傳感器內(nèi)部雖自帶了一個熱敏電阻，它的輸出電壓可表征冷端溫度，但是為了減小探頭的體積，省去輸出冷端電壓的調(diào)理放大電路，采用數(shù)字溫度傳感器測量環(huán)境溫度代替熱敏電阻。

（2） 紅外濾光片的選擇

通常情況下，熱電堆傳感器都自帶有紅外濾光片，由于現(xiàn)場監(jiān)測目標的溫度變化范圍為0～150 oC，根據(jù)維恩位移定律，故選取的紅外濾光片對波長為7.5～14 m的紅外輻射透過率不低于70%。

（3） 探頭的安裝

根據(jù)現(xiàn)場安裝要求，探頭的安裝方式如圖3所示，目標直徑為5 cm，測量距離為1.2 m，共安裝9個測溫探頭，選取帶透鏡的傳感器視場張角為7o，距離系數(shù)約為12[∶]1。此外，由于動靜觸頭外部均套有瓷套，而電柜實際運行時內(nèi)外瓷套間有將近5 cm的間隙，安裝時可調(diào)整探頭的仰角以保證探頭能夠沿著間隙對準動觸頭。

（4） 探頭控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用C8051f410單片機作為探頭部分的控制芯片，利用其片內(nèi)自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器將調(diào)理放大后的溫差電勢轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時接收溫度傳感器DS18B20送入的環(huán)境溫度檢測信號，兩路信號經(jīng)單片機處理后由串口輸出顯示，并經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后由485芯片將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理單元，邏輯框圖如圖4所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集單元和處理單元的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測要求，數(shù)據(jù)采集與處理單元的內(nèi)部資源大體相同，在硬件設(shè)計上可兼顧兩者的需求設(shè)計成統(tǒng)一的電路。該單元選用ATMEL 8位C8051f410單片機作為主控芯片，外部擴展了64 KB的ROM和32 KB的RAM，分別用于程序存儲和數(shù)據(jù)寄存，該單片機內(nèi)部自帶實時時鐘可記錄系統(tǒng)時間；選用128×64點陣液晶用于顯示操作界面、溫度數(shù)據(jù)及報警畫面；利用擴展的I/O口連接5個按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)復位和相關(guān)的菜單操作；此外，控制芯片還具備看門狗功能，它能夠在程序出錯或外界干攏時對系統(tǒng)進行復位重啟。無論是數(shù)據(jù)采集單元還是數(shù)據(jù)處理單元，均處于整個系統(tǒng)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，需要擴展單片機的串口，用于傳送采集的歷史數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.3.1 測溫探頭設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言編寫紅外測溫探頭程序，程序流程見圖5。主程序以查詢方式取得DS18B20和A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，以中斷方式響應(yīng)數(shù)據(jù)采集單元的召喚，每秒循環(huán)一次，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集單元。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元除了通信對象和數(shù)據(jù)處理方式不同外，其他的功能基本相同。主程序每秒循環(huán)一次，將接收到的數(shù)據(jù)加以處理。若溫度正常則繼續(xù)循環(huán)，若有異常則彈出報警畫面并閃動示警，同時以中斷方式與上下層進行網(wǎng)絡(luò)通訊。采用C語言進行程序設(shè)計，流程圖見圖6。

2.3.3 報警系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)出現(xiàn)報警主要有以下三種可能情況：觸點溫升在××分鐘內(nèi)超過××℃；觸點溫度超過環(huán)境溫度××℃；兩相間觸頭溫度相差超過××℃。每種情況可以根據(jù)現(xiàn)場要求設(shè)置為兩種報警級別，通過按鍵設(shè)置，級別不同設(shè)置的超限值也不同，以便工作人員根據(jù)不同程度的報警形式進行相應(yīng)的故障處理。

3 結(jié) 語

高壓電柜溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)可以在線監(jiān)測柜內(nèi)隔離開關(guān)觸頭及其他連接點的溫度，同時根據(jù)監(jiān)測溫度發(fā)出不同級別的警報，用戶可以通過液晶查看各監(jiān)測點的狀態(tài)，并通過鍵盤設(shè)置報警參數(shù)及環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)測溫范圍為0～150 ℃，測溫距離為1.2 m，目前已經(jīng)在揚州寶應(yīng)某電器廠投入使用，運行情況良好，達到了預期的設(shè)計要求。

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