基于紅外測溫技術(shù)的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 蔣羽鵬

赫胥爾于1800年首次發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，之后經(jīng)過諸多科學(xué)家的研究探索輻射定律得以出現(xiàn)，為紅外測溫技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前紅外測溫技術(shù)已相對完善成熟，在社會多個領(lǐng)域有了重要應(yīng)用。相較于其他技術(shù)手段，紅外測溫技術(shù)可靠、精準(zhǔn)、便捷且安全，具有較高的實(shí)用性，將其應(yīng)用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測十分合理可行。

1 紅外測溫技術(shù)原理與應(yīng)用

1.1 測溫原理

自然界一切溫度高于絕對零度的物體，在分子熱運(yùn)動的作用下會不停向周圍空間輻射電磁波，輻射出的電磁波也包含紅外波。研究表明，當(dāng)物體因分子熱運(yùn)動而溫度升高時其輻射能量也增加，據(jù)此設(shè)計研究出單波段紅外測溫儀用以檢測物體溫度。實(shí)驗(yàn)證明，在物體溫度升高后，短波方向會聚集較多輻射峰值波長，因而在使用高溫測溫儀對物體溫度進(jìn)行測量時多是從物體短波處測量，而在長波處測量低溫。且物體溫度變化會影響輻射能量的波長，一般情況下，長波處溫度變化率、輻射能量變化率要小于短波處的變化率。根據(jù)這一規(guī)律，短波處工作的測溫儀相對信噪比相對較高，也有較強(qiáng)的抗干擾性。

1.2 紅外測溫系統(tǒng)應(yīng)用

紅外測溫系統(tǒng)主要是基于紅外測溫原理，將相關(guān)測溫設(shè)備、智能化監(jiān)測裝置等有機(jī)結(jié)合構(gòu)建出一個在線測溫系統(tǒng)。在測溫過程中，處于某一背景的目標(biāo)所輻射的紅外能量通過大氣傳輸?shù)郊t外測溫儀，再通過測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)對能量進(jìn)行聚集、使其集中到探測器，經(jīng)過探測器的轉(zhuǎn)化后輻射能量成為電信號，將電信號進(jìn)行信號處理就能以數(shù)字化方式進(jìn)行輸出與顯示，從而準(zhǔn)確掌握目標(biāo)物體的實(shí)際溫度。當(dāng)前可應(yīng)用于紅外測溫系統(tǒng)的紅外測溫方式較多，如在線式測溫、掃描式測溫、光纖式測溫等。在線式測溫主要是將紅外測溫設(shè)備固定安裝在相應(yīng)地點(diǎn)，利用測溫裝置24小時不間斷對目標(biāo)物體的溫度進(jìn)行監(jiān)測，便于實(shí)時、動態(tài)掌握物體溫度。在紅外測溫系統(tǒng)中，固定的紅外測溫設(shè)備與計算機(jī)相互連接，保證了數(shù)據(jù)信息的處理與傳輸，使物體實(shí)際溫度可得到準(zhǔn)確顯示。

系統(tǒng)中的掃描式測溫方式，主要是使用掃描測溫儀對場地內(nèi)一條線上的物體溫度進(jìn)行測量監(jiān)測[1]。將掃描測溫儀與計算機(jī)相連，運(yùn)用相應(yīng)軟件對物體溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換與顯示，確保能夠得到真實(shí)、直觀、清楚的物體溫度信息。此外在當(dāng)前的紅外測溫系統(tǒng)中雙色（比色）測溫儀也得到廣泛的影響，這類測溫設(shè)備主要是利用兩個很窄的相近波段對同一物體的溫度進(jìn)行測量。在測量時，由于兩波段間的距離較短，因此對最終的測量精度不會產(chǎn)生影響。同時相較于其它的測溫儀器與設(shè)備還具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在對物體溫度進(jìn)行檢測時，周圍環(huán)境中的粉塵、煙霧以及水汽等不會對測量過程及結(jié)果產(chǎn)生過大影響，甚至可對部分被遮擋住的目標(biāo)進(jìn)行測量，準(zhǔn)確得到目標(biāo)物體的實(shí)際溫度。

2 開關(guān)柜溫度影響分析

在供電系統(tǒng)中開關(guān)柜是母聯(lián)、電纜及架空線的重要樞紐節(jié)點(diǎn)，主要承擔(dān)電力系統(tǒng)配電及電能轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)的開合和保護(hù)任務(wù)[2]。在開關(guān)柜運(yùn)行過程中，影響其狀態(tài)及使用年限的因素較多，如設(shè)備的材質(zhì)、制作工藝、安裝技術(shù)、內(nèi)外部環(huán)境等都會對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生一定影響。但在各類影響因素中溫度對開關(guān)柜的影響最為顯著，會影響開關(guān)柜的絕緣性能，使設(shè)備出現(xiàn)漏電事故的幾率增加，也造成開關(guān)柜使用壽命縮短，讓開關(guān)柜的運(yùn)維成本上升。

根據(jù)電解質(zhì)理論可知，溫度對開關(guān)柜的絕緣性有著直接的影響，當(dāng)溫度變化時絕緣介質(zhì)的絕緣電阻也會發(fā)生變化。一般情況下，絕緣介質(zhì)的絕緣電阻與吸收隨著溫度的上升而下降。而導(dǎo)致這一變化產(chǎn)生的主因?yàn)椋寒?dāng)絕緣介質(zhì)的溫度升高后，介質(zhì)內(nèi)部離子及電子的熱運(yùn)動就會加快，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)變化產(chǎn)生[3]。

此外，在絕緣介質(zhì)自身溫度較低情況下，介質(zhì)中的水分與其他介質(zhì)的結(jié)合會更加緊密，在此情況下，若絕緣介質(zhì)溫度升高就會帶動水分子運(yùn)動，在溫度的作用下水分子朝兩級延伸，從而導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的導(dǎo)電性增加，使電氣設(shè)備的危險性增加。通過以上分析可知，溫度會對開關(guān)柜的絕緣性、導(dǎo)電性，運(yùn)行過程中的安全性以及穩(wěn)定性產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，因此做好對開關(guān)柜溫度的在線監(jiān)測具有重要意義。

開關(guān)柜的溫度會影響設(shè)備內(nèi)部潮濕度，而內(nèi)部濕度又會對設(shè)備的絕緣性產(chǎn)生一定影響。經(jīng)研究與實(shí)踐證明，當(dāng)開關(guān)柜溫度較低、濕度較大時，開關(guān)柜出現(xiàn)閃絡(luò)電壓的幾率就會增加，但如介質(zhì)表面無凝露開關(guān)柜沿面閃絡(luò)電壓會出現(xiàn)明顯下降。這是因?yàn)殚_關(guān)柜表面是否會出現(xiàn)凝露主要與開關(guān)柜的溫度有很大關(guān)系，當(dāng)開關(guān)柜溫度較高時介質(zhì)表面就不會有凝露出現(xiàn)，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也會相對穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，若開關(guān)柜的相對濕度低于60%閃絡(luò)電壓就有所提高。這是因?yàn)樵O(shè)備相對濕度提高后就意味著溫度的下降，將設(shè)備溫度下降到一定程度時設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)就會受到影響。在絕對濕度相同的情況下，溫度越高，閃絡(luò)電壓越低，溫度越低，閃絡(luò)電壓越高[4]。

開關(guān)柜在運(yùn)行過程中，柜內(nèi)接點(diǎn)（插頭）接觸位置偏移、動靜觸指彈簧松動或因材質(zhì)不良而導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)的倒閘觸頭、母線排過渡點(diǎn)、電纜終端接頭等關(guān)鍵部位嚴(yán)重發(fā)熱，使開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)受到嚴(yán)重影響。要想保證開關(guān)柜的正常穩(wěn)定運(yùn)行就需做好對開關(guān)柜溫度的監(jiān)測，通過開關(guān)柜的實(shí)時溫度判斷開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，分析開關(guān)柜中是否潛存有安全隱患，并根據(jù)具體溫度數(shù)據(jù)及開關(guān)柜運(yùn)行要求等采取有效措施對開關(guān)柜進(jìn)行維護(hù)管理，使開關(guān)柜運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性得以提升。

3 基于紅外測溫技術(shù)的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成與功能

基于紅外測溫技術(shù)設(shè)計一套開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，由系統(tǒng)自動、全程監(jiān)測開關(guān)柜溫度變化情況，并在必要時做出預(yù)警，以便運(yùn)維人員能及時采取相應(yīng)手段消除設(shè)備隱患，確保開關(guān)柜的正常穩(wěn)定運(yùn)行。該自動化在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下模塊構(gòu)成：GSM 遙信報警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、處理模塊、顯示模塊及聲光報警模塊[5]。該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一項(xiàng)測溫技術(shù)是紅外測溫技術(shù)，利用這一技術(shù)對開關(guān)柜的運(yùn)行溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離、非接觸式測量，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測開關(guān)柜運(yùn)行溫度，準(zhǔn)確判斷開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)目的，為運(yùn)維管理工作的開展提供準(zhǔn)確參考依據(jù)。為獲得相對理想的測溫效果，將紅外線測溫裝置安裝在金屬柜門內(nèi)側(cè)，由裝置對開關(guān)柜在每一種環(huán)境條件下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換與顯示，得到準(zhǔn)確的設(shè)備溫度信息。

系統(tǒng)中所用子紅外線測溫裝置有很高的靈敏性與較強(qiáng)抗干擾性，能有效規(guī)避環(huán)境中煙氣、粉塵等的影響而確保所測溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時還有很高的安全性與實(shí)用性，如當(dāng)開關(guān)柜實(shí)際溫度超過預(yù)定值或報警溫度限定值時就會自動報警，提醒工作人員進(jìn)一步檢查開關(guān)柜溫度異常原因并采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)大運(yùn)行故障。系統(tǒng)中所用紅外線測溫裝置還設(shè)計有GSM 遙信報警模塊，若開關(guān)柜在運(yùn)行過程中溫度異常升高或降低，會自動采集設(shè)備溫度數(shù)據(jù)并以短信形式發(fā)送給相關(guān)運(yùn)維人員、負(fù)責(zé)人員，使其在最短時間內(nèi)掌握到開關(guān)柜的異常情況并進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行檢查處理，讓開關(guān)柜的運(yùn)行故障得到有效消除。

此外，基于GSM 遙信報警技術(shù)的紅外測溫裝置還能為運(yùn)維人員查詢短信提供支持，運(yùn)維人員可通過紅外測溫裝置遠(yuǎn)程查詢開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行溫度，從而讓整個運(yùn)維管理工作更加便捷高效，讓開關(guān)柜正常運(yùn)行狀態(tài)得到有效維護(hù)。

3.2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

本系統(tǒng)主要由無線通信設(shè)備TC35及紅外傳感器MLX90614構(gòu)成，無線通信TC35具有穩(wěn)定性高、可靠性高、使用便捷、反映靈敏、安全有效等特點(diǎn)，能為紅外線測溫裝置的溫度數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸、顯示等工作提供很大幫助?；谶@一硬件，溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)得以實(shí)時、高效輸送開關(guān)柜溫度信息，為工作人員提供短信服務(wù)，為工作人員的運(yùn)維管理工作提供便利。紅外傳感器MLX90614最顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸測溫，測溫裝置內(nèi)部的溫度感應(yīng)芯片十分靈敏，對-40℃及125℃內(nèi)的溫度都能做出靈敏反應(yīng)與準(zhǔn)確監(jiān)測，因而十分適用于當(dāng)前的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測。該裝置還采用先進(jìn)低噪音放大技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對各類信息的有效辨別，全面保證溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

單片機(jī)芯片STC89C52RC 具有寬電壓特點(diǎn)，能有效克服電源抖動給系統(tǒng)的影響，從而使系統(tǒng)更穩(wěn)定、靈敏與精確地采集與分析開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)，讓系統(tǒng)在線測溫功能得以實(shí)現(xiàn)，其抗干擾能力非常強(qiáng)，測溫范圍也相對較廣，能控制其它模塊完成對開關(guān)柜運(yùn)行溫度的在線監(jiān)測，能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時發(fā)出報警信息。溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)中的聲光報警模塊對燈光與聲音的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)合，通過這一模塊可在較短時間內(nèi)確定系統(tǒng)報警來源，并通過對燈光信號的觀察實(shí)現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位，讓整個故障排查、分析、定位與處理過程更加有序且高效，讓開關(guān)柜故障影響得到有效控制。紅外測溫裝置通過強(qiáng)磁鐵被固定在金屬柜門內(nèi)側(cè)，不會對開關(guān)柜的正常運(yùn)行造成影響，同時也便于檢查與維護(hù)。

3.3 軟件部分設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要由C 語言程序及用于遠(yuǎn)程查詢開關(guān)柜實(shí)時溫度數(shù)據(jù)的遙測功能模塊構(gòu)成。系統(tǒng)中的C 語言程序利用相關(guān)軟件進(jìn)行編輯，編輯時根據(jù)相關(guān)規(guī)范與要求，結(jié)合開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)行要求等設(shè)定出兩個溫度限定值，劃分出三個溫度狀態(tài)，并設(shè)定好在不同溫度狀態(tài)下的燈光顯示特征。如開關(guān)柜的溫度處于正常狀態(tài)時裝置綠燈對溫度狀態(tài)進(jìn)行顯示，裝置的蜂鳴器處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)柜溫度異常升高且超出設(shè)定值時綠燈滅、黃燈顯示；當(dāng)開關(guān)柜嚴(yán)重高溫時由紅燈來顯示高風(fēng)險，引起工作人員注意并進(jìn)入現(xiàn)場做進(jìn)一步的分析處理。當(dāng)開關(guān)柜的溫度超出正常范圍后，系統(tǒng)內(nèi)蜂鳴器就開始運(yùn)作發(fā)出聲音以提醒工作人員，在設(shè)備高溫風(fēng)險極大的情況下，裝置自動向運(yùn)維人員發(fā)送報警信息或短信進(jìn)行提醒。對在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理后，系統(tǒng)就會無限循環(huán)采集開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)，為開關(guān)柜及電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3.4 實(shí)際應(yīng)用

完成基于紅外測溫技術(shù)的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)后，將系統(tǒng)引進(jìn)變電站內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)行。選定變電站內(nèi)6個10kV 開關(guān)柜來檢測系統(tǒng)的在線測溫效果，判斷系統(tǒng)是否具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。在試運(yùn)行工程中，在線監(jiān)測系統(tǒng)能穩(wěn)定、精準(zhǔn)監(jiān)測目標(biāo)開關(guān)柜三項(xiàng)電纜接頭的溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)測效果相對理想，由紅外測溫裝置采集到的溫度數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確，在系統(tǒng)監(jiān)測過程中開關(guān)柜溫度正常，運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)故障隱患。為對在線監(jiān)測系統(tǒng)在故障情況下的監(jiān)測功能及報警功能進(jìn)行檢查判斷，利用相關(guān)技術(shù)手段模擬了開關(guān)柜高溫情況。經(jīng)檢驗(yàn)得知，系統(tǒng)在開關(guān)柜溫度出現(xiàn)異常時能靈敏采集到設(shè)備溫度數(shù)據(jù)并根據(jù)設(shè)定程序發(fā)出報警信息，且工作人員能通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程對開關(guān)柜實(shí)時溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，因而確定系統(tǒng)滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

綜上，加強(qiáng)開關(guān)柜溫度監(jiān)測是穩(wěn)定開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，提高開關(guān)柜使用年限的重要舉措。本文基于紅外線測溫技術(shù)設(shè)計的開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)且經(jīng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐證明具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜運(yùn)行溫度的動態(tài)、準(zhǔn)確監(jiān)測，可對設(shè)備故障做出迅速報警。因而相關(guān)單位可考慮引進(jìn)與應(yīng)用該系統(tǒng)，為開關(guān)柜的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。