10kV電纜溝多功能監(jiān)測(cè)冷卻智能系統(tǒng)研究

溫偉光　李維立　張方?！≠嚰椅?/p>

摘要：文章研發(fā)了一種基于紅外測(cè)溫技術(shù)的10kV電纜溝多功能智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用紅外測(cè)溫裝置，在溫度超出設(shè)定范圍后智能啟動(dòng)通風(fēng)冷卻設(shè)備，并設(shè)置溫度異常輔助報(bào)警系統(tǒng)；此外還增加了沼氣、氧氣及水位監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)異常環(huán)境進(jìn)行預(yù)警，并通過智能終端對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)多功能智能監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫；電纜溝；智能檢測(cè)；冷卻設(shè)備；通風(fēng)冷卻裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM72 文章編號(hào)：1009-2374（2017）01-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.006

1 概述

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和電力技術(shù)的發(fā)展，高壓電纜因其節(jié)省空間，傳輸量大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。變電站內(nèi)10kV的高壓電纜是目前電纜溝內(nèi)最常見也是最重要的設(shè)備之一。長(zhǎng)期在高電壓和大電流的運(yùn)行狀態(tài)下工作，這些設(shè)備的運(yùn)行情況與溫度和濕度有著密切的關(guān)系。廣東地區(qū)在4～9月常常面臨酸雨、熱浪的嚴(yán)峻考驗(yàn)，這些地區(qū)的電纜溝長(zhǎng)期在此環(huán)境工作，電纜絕緣老化和損壞的幾率大大增加，載流量大幅降低，使用壽命縮短，甚至因?yàn)樵O(shè)備局部過熱而造成停電故障，封閉環(huán)境也對(duì)電力維護(hù)人員造成搶修困難，因此急需尋找切實(shí)可行的方法來解決這一問題。

本文基于紅外測(cè)溫技術(shù)，擬研制一種10kV電纜溝多功能智能監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)，利用紅外測(cè)溫非接觸式傳感器，在溫度超出設(shè)定范圍后智能啟動(dòng)；在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)沼氣、氧氣及水位監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)異常環(huán)境進(jìn)行預(yù)警；通過智能無線監(jiān)控終端、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)APP的監(jiān)控系統(tǒng)等軟件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和控制，完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與分析、預(yù)警、報(bào)警及啟動(dòng)冷卻裝置等功能。

2 系統(tǒng)工作原理及功效

2.1 紅外測(cè)溫傳感器工作原理

高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都會(huì)向外輻射紅外線，不同大小的紅外能量具有不同的紅外線波長(zhǎng)分布，因此對(duì)物質(zhì)紅外線波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，就能確定該物質(zhì)的表面溫度。

紅外測(cè)溫傳感器的工作原理，簡(jiǎn)單來說，就是通過對(duì)物體兩點(diǎn)之間的溫度差產(chǎn)生的電效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)。物體兩點(diǎn)之間如果發(fā)生了溫度差，則會(huì)有電壓產(chǎn)生，電壓和溫度差之間存在函數(shù)關(guān)系?；谶@一原理，通過紅外接收元件，以單片機(jī)為核心，配合采集電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路等外圍電路，搜集紅外熱輻射，將溫度差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

2.2 系統(tǒng)功能分析

10kV電纜溝多功能智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于紅外測(cè)溫技術(shù)，其功能需要滿足以下四點(diǎn)：

2.2.1 采用紅外測(cè)溫采集信號(hào)作系統(tǒng)計(jì)算和觸發(fā)預(yù)警，在溫度超出設(shè)定范圍后智能啟動(dòng)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻設(shè)備。

2.2.2 采用改善空氣循環(huán)方式減低電纜溝運(yùn)行溫度與濕度，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)沼氣、氧氣及水位監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)異常環(huán)境進(jìn)行預(yù)警。

2.2.3 采用單片機(jī)技術(shù)和自動(dòng)遙信技術(shù)做溫度異常預(yù)警及實(shí)時(shí)處理，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、顯示并實(shí)現(xiàn)升、降溫和閉環(huán)自動(dòng)控制等。

2.2.4 通過智能無線監(jiān)控終端、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)APP的監(jiān)控系統(tǒng)等軟件，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)和控制。

3 智能監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)

3.1 紅外測(cè)溫模塊結(jié)構(gòu)

紅外測(cè)溫多功能智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤、熱釋電紅外探測(cè)器、信號(hào)處理電路、微控制器、顯示輸出電路及網(wǎng)絡(luò)輸出電路。

3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)。該部分主要是搜集目標(biāo)物的紅外輻射能量，利用具有特殊光學(xué)原理的透鏡，使紅外信號(hào)以脈沖形式輸入，完成對(duì)目標(biāo)物的紅外輻射能量搜集。

3.1.2 調(diào)制盤。調(diào)制盤主要用于空間濾波，將恒定的輻射通量轉(zhuǎn)化為交變式，對(duì)目標(biāo)物的空間位置進(jìn)行確定，以此排除環(huán)境干擾，保證紅外測(cè)溫系統(tǒng)的精確度。

3.1.3 熱釋電紅外探測(cè)器。熱釋電紅外探測(cè)器也就是紅外光傳感器，當(dāng)熱電元件受到光照時(shí)產(chǎn)生熱能，受熱晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等符號(hào)相反的電荷，帶上負(fù)載就會(huì)輸出電壓信號(hào)，產(chǎn)生電流。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，晶體參數(shù)發(fā)生改變，從而進(jìn)行預(yù)警。可在該部分設(shè)置雙傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管，以盡可能地減少干擾和誤差。

3.1.4 信號(hào)處理電路。紅外輻射進(jìn)過熱釋電紅外探測(cè)器，將紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)入信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路中最主要的核心組件就是單片機(jī)。單片機(jī)作為集成電路芯片，集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷等功能于一身，結(jié)合傳感器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控的要求，并通過適當(dāng)?shù)慕涌谕瓿蓪?duì)數(shù)字信息的處理和控制。

溫度傳感器將電信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)輸送顯示電路。在單片機(jī)中設(shè)置預(yù)定溫度，當(dāng)檢測(cè)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，發(fā)出異常預(yù)警。通過外接的自動(dòng)遙信控制電路對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集、顯示并實(shí)現(xiàn)升、降溫和閉環(huán)自動(dòng)控制等實(shí)時(shí)處理。

3.1.5 微控制器?；诜墙佑|式紅外測(cè)溫的多功能智能監(jiān)測(cè)冷卻系統(tǒng)的重要組件就是微控制器，其工作水平直接關(guān)系到整體系統(tǒng)的性能高低。在該系統(tǒng)中，微處理器主要負(fù)責(zé)完成對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的處理，輸送顯示以及配合智能無線監(jiān)控終端、無線網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)APP等監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

3.1.6 故障判定方法。該系統(tǒng)對(duì)于高壓電纜的故障預(yù)警，主要是基于溫度變化產(chǎn)生的信號(hào)分析。通過遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，可以采用的故障判定方法包括表面溫度監(jiān)測(cè)、溫差變化分析、圖像特征變化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)比較、同類數(shù)據(jù)比較等。不同的電力設(shè)備可以綜合采用多種方式來對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和故障分析。

3.2 沼氣氧氣監(jiān)測(cè)模塊

利用非色散紅外原理對(duì)CO2、CH4進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)較為成熟，應(yīng)用較為廣泛。可以采用雙氣體小模組，綜合紅外吸收氣體檢測(cè)技術(shù)和光電路設(shè)計(jì)，做出紅外氣體傳感器。同時(shí)內(nèi)置溫度傳感器，在必要時(shí)進(jìn)行溫度調(diào)整，通過外接電路，完成數(shù)據(jù)的處理和輸出。在檢測(cè)的氣體含量超過設(shè)定的范圍時(shí)，發(fā)出預(yù)警以便獲得實(shí)時(shí)處理。

3.3 水位檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

我國(guó)南方區(qū)域雨季長(zhǎng)，降雨量大，電纜溝存在排水不及時(shí)，或堵塞后使得電纜長(zhǎng)期浸泡在水中，而安全運(yùn)行規(guī)定電纜只能短時(shí)浸泡在水中，所以電纜溝水位過高將嚴(yán)重影響電纜的安全運(yùn)行。因此，需要配置水位監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水位超限和處理；水位檢測(cè)需要滿足測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、可靠和抗干擾力強(qiáng)。選用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的微處理器為核心組件，以TC401感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器為水位監(jiān)測(cè)傳感器，以JDZ05-1不銹鋼翻斗式雨量傳感器為雨量監(jiān)測(cè)傳感器，將搜集到的實(shí)時(shí)水位信息和雨量信息都通過電路傳輸至微處理器進(jìn)行處理，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié)語

電纜溝內(nèi)紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)性主要受到三個(gè)方面的影響：環(huán)境輻射、設(shè)備發(fā)射率和大氣衰減。因此根據(jù)該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)要求，需要滿足一些特定的指標(biāo)。距離系數(shù)，在不同的監(jiān)測(cè)距離內(nèi)，目標(biāo)物的測(cè)量直徑不同，因此紅外測(cè)溫儀的距離應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。發(fā)射率設(shè)置，系統(tǒng)需要選擇合適的發(fā)射率來對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行修正，因此需要具備可調(diào)節(jié)的發(fā)射率設(shè)置功能。適當(dāng)?shù)耐獠拷涌冢瑹o論是沼氣氧氣監(jiān)測(cè)模塊、水位檢測(cè)模塊還是精密電路，都要實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信的數(shù)據(jù)接口，以完成處理結(jié)果的交互傳輸。瞄準(zhǔn)方式，為進(jìn)一步精準(zhǔn)目標(biāo)物的準(zhǔn)確位置，該系統(tǒng)還應(yīng)帶有激光瞄準(zhǔn)功能，通過光斑發(fā)射使信息獲得者進(jìn)一步確定故障位置，為后期的維護(hù)和檢修減小技術(shù)困難。測(cè)溫修正，通過反復(fù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，完成在軟件上的測(cè)溫結(jié)果修正，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。

高壓電纜是電力設(shè)備的重要組成部分，其正常運(yùn)行是供電網(wǎng)絡(luò)安全可靠工作的基礎(chǔ)保障。10kV電纜溝作為目前應(yīng)用廣泛的電力設(shè)施，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，在其運(yùn)行環(huán)境變化、運(yùn)行狀態(tài)不良和設(shè)備老化或異常之前，提前提到預(yù)警并安排檢修和維護(hù)，是防止電力故障，造成維修技術(shù)困難的有效措施?；诜墙佑|式紅外測(cè)溫的多功能智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)接觸式測(cè)溫的不足，保證了溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，可以有效提高供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和安全可靠性。

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作者簡(jiǎn)介：溫偉光（1967-），男，廣東清遠(yuǎn)人，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局變電管理所班組技術(shù)負(fù)責(zé)人，高級(jí)技師，研究方向：變電站設(shè)備檢修維護(hù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）