海上平臺開關(guān)柜內(nèi)紅外測溫系統(tǒng)應(yīng)用分析

蔣志鵬，孟祥婷，唐 怡，蔡連博，杜銀昌

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海洋石油平臺電氣設(shè)備主要包括：主發(fā)電裝置、應(yīng)急發(fā)電裝置、配電裝置、電動(dòng)機(jī)、變壓器、蓄電池組、電器保護(hù)設(shè)施、照明設(shè)施、電伴熱設(shè)施和電加熱設(shè)備等。其中，配電裝置多以中、低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備為主，是海上平臺保證電力系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備[2]。不同接觸器、斷路器、熱繼電器、熔斷器等元器件的排列組合共同構(gòu)成了開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于其空間緊張，操作間隙有限，內(nèi)部處于外殼封閉且?guī)щ姞顟B(tài)，無法直接觀察開關(guān)柜的內(nèi)部運(yùn)行情況。隨著設(shè)備的長期運(yùn)行，伴隨著可能出現(xiàn)：①工作在不穩(wěn)定電壓或過電流等非正常狀態(tài)；②容易造成開關(guān)柜中的觸點(diǎn)和母排連接處、電纜接頭處等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱；③設(shè)備本身內(nèi)部元器件的溫升過高，削弱相鄰的絕緣部件性能等不良影響。而產(chǎn)生這些不良影響的源頭如果無法監(jiān)測，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度就可能導(dǎo)致絕緣擊穿、停產(chǎn)、火災(zāi)等事故。

傳統(tǒng)檢測開關(guān)柜內(nèi)部溫度的手段有以下兩種：

1）接觸式熱敏電阻測溫：熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)為體積小、響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡單，能夠顯示安裝點(diǎn)溫度。缺點(diǎn)為需修改原開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，現(xiàn)場改造工作量大，熱敏電阻與測溫點(diǎn)一一對應(yīng)，造成系統(tǒng)布線、接線復(fù)雜，如果損壞，現(xiàn)場維護(hù)量巨大，且熱敏電阻沒有自檢和數(shù)據(jù)傳輸功能，顯示局限性和人員依賴性較高。

2）非接觸式手持紅外測溫：手持測溫的優(yōu)點(diǎn)為不影響原開關(guān)柜內(nèi)部已有結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場改造工作量少，測量覆蓋范圍大，能夠顯示任一檢測點(diǎn)溫度。缺點(diǎn)為人力依賴性高，主要通過工作人員日常巡檢完成檢測[3]，故障點(diǎn)判斷主觀性占比較高、檢測效率低、實(shí)時(shí)性差，需要打開柜門測量，存在帶電作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，尤其對于中高壓開關(guān)柜，帶電狀況下為全封閉狀態(tài)，無法通過手持式紅外測溫儀進(jìn)行過熱檢測。

1 紅外熱成像原理

在光譜圖中，熱紅外線波長范圍在0.76μm～1000μm之間[5]，一切溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都在不斷自發(fā)地向外界輻射出紅外線。而物體表面的溫度直接反映出物體熱輻射能量的大小，人們利用這一特性可以通過非接觸的方式對物體進(jìn)行溫度測量和狀態(tài)分析，通過接收這些輻射出的紅外線并進(jìn)行轉(zhuǎn)換成像，從而形成人眼所能識別的熱圖像[1]。這就是紅外熱成像基本原理，從而衍生出了本文提到的紅外測溫系統(tǒng)。

2 紅外測溫系統(tǒng)

本文介紹的紅外測溫系統(tǒng)在開關(guān)柜設(shè)計(jì)階段考慮測溫傳感器與盤柜集成，通過對正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測，探測物體發(fā)出的紅外輻射，實(shí)時(shí)顯示測溫傳感器檢測區(qū)域溫度值，顯示檢測區(qū)域溫度變化曲線，數(shù)據(jù)傳輸給開關(guān)間內(nèi)的配套上位機(jī)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)分析判斷進(jìn)行故障原因分析與診斷、越限報(bào)警等?；诩t外熱成像原理，將人眼不可見的熱輻射能量轉(zhuǎn)換為帶溫度值顯示的開關(guān)柜內(nèi)部圖像，同時(shí)具有實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測、直觀靈敏顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等優(yōu)點(diǎn)。

紅外測溫系統(tǒng)不僅克服了開關(guān)柜全封閉狀態(tài)下無法帶電檢測、測溫點(diǎn)眾多布線接線困難的難題，而且通過上位機(jī)數(shù)據(jù)管理監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示測溫傳感器覆蓋范圍的不同溫度等級的溫度值、最低點(diǎn)溫度和最高點(diǎn)溫度等，并能夠提前做出越限報(bào)警指示[6]。改良了手持式紅外測溫依靠大量人力、物力日常巡視打開開關(guān)柜柜門檢測的方式，降低了人員巡視可能出現(xiàn)的巡檢遺漏，提高了故障發(fā)生源的檢測準(zhǔn)確性，使事故預(yù)判更加可預(yù)見、更具實(shí)時(shí)性。為海上平臺開關(guān)柜的安全可靠運(yùn)行保駕護(hù)航，從源頭避免開關(guān)柜運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的內(nèi)部觸頭及母排連接處、電纜接頭處等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱所引起的絕緣擊穿、短路故障、火災(zāi)等重大電力設(shè)備事故。

2.1 傳感器電源

海上平臺常用電制為110V交流電用于低壓控制配電，而傳感器測溫模塊一般支持電制為24V或12V直流電。通過海上設(shè)施常用電氣設(shè)備應(yīng)用分析，24V用電設(shè)備一般在開關(guān)柜內(nèi)部配置電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換電源后統(tǒng)一給紅外測溫傳感器模塊供電。

2.2 傳感器布置

中高壓開關(guān)柜內(nèi)母排室、電纜室容易出現(xiàn)溫度升高現(xiàn)象，安裝紅外測溫傳感器模塊測溫效果較好；低壓開關(guān)柜電纜出線處容易發(fā)生溫度升高現(xiàn)象，安裝紅外測溫傳感器模塊效果較好。紅外測溫傳感器模塊故障不影響盤柜正常運(yùn)行，且安裝局限性較小，盤柜集成后也可安裝，實(shí)時(shí)監(jiān)測母排及三相電纜接頭及周邊的溫度值與不同溫度等級圖像顯示[4]。

2.3 邏輯拓?fù)溥B接

開關(guān)柜內(nèi)置交換機(jī)，紅外測溫傳感器模塊采用Modbus TCP/IP通訊協(xié)議，以太網(wǎng)通訊接口，與交換機(jī)之間通過鎧裝屏蔽網(wǎng)線CAT 5E連接。各開關(guān)柜內(nèi)交換機(jī)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成之后，通過鎧裝屏蔽網(wǎng)線CAT 5E外傳，將溫度值、紅外成像、報(bào)警信號等數(shù)據(jù)傳輸至開關(guān)間內(nèi)上位機(jī)系統(tǒng)或第三方系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。

2.4 上位機(jī)功能顯示

紅外測溫系統(tǒng)上位機(jī)具備開關(guān)柜內(nèi)部傳感器覆蓋檢測點(diǎn)溫度監(jiān)測的實(shí)時(shí)顯示、紅外熱成像圖像的實(shí)時(shí)顯示、同一檢測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的歷史查詢、越限報(bào)警管理與解除、管理員與用戶權(quán)限管理、故障日志分析報(bào)告等功能。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

南海某項(xiàng)目海上石油平臺開關(guān)柜內(nèi)部應(yīng)用紅外測溫系統(tǒng)，通過上位機(jī)軟件系統(tǒng)對開關(guān)柜內(nèi)部的檢測區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像、實(shí)時(shí)測量溫度、故障觸發(fā)預(yù)警、故障原因分析，并完成對監(jiān)控設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)同配置管理，實(shí)現(xiàn)檢測點(diǎn)、溫度值、故障源等歷史數(shù)據(jù)歸檔、自動(dòng)生成報(bào)表日志等功能。

當(dāng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，上位機(jī)能自動(dòng)彈出報(bào)警頁面，頁面詳細(xì)體現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)間、故障點(diǎn)名稱及故障源大概位置，伴隨聲光報(bào)警提醒現(xiàn)場值班人員檢查，故障排查后值班人員可以打印故障報(bào)警記錄，與歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比研究分析。

該系統(tǒng)的應(yīng)用提供了完備的分析處理與運(yùn)算功能，包括溫度越限分析、溫度走勢曲線分析、故障點(diǎn)溫度歷史數(shù)據(jù)對比分析、數(shù)據(jù)庫日志更新與分析處理，保證現(xiàn)場值班人員在開關(guān)柜發(fā)生事故之前能夠及時(shí)預(yù)警溫度變化及時(shí)做出處理。該系統(tǒng)軟件還具備二次開發(fā)功能，后續(xù)將建立完整的設(shè)備數(shù)據(jù)庫（擴(kuò)展延申至變壓器監(jiān)測、UPS監(jiān)測等），幫助工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)分析開關(guān)柜內(nèi)部溫升情況，提前預(yù)測出故障可能發(fā)生的部位，保障海上平臺開關(guān)柜設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

3.1 溫度顯示主畫面

主畫面對所有開關(guān)柜設(shè)備中的紅外測溫傳感器模塊進(jìn)行監(jiān)控、模擬、顯示實(shí)時(shí)溫度，如圖1。

圖1 溫度顯示主畫面Fig.1 Temperature display main screen

3.2 紅外實(shí)時(shí)圖像

單擊主畫面開關(guān)柜示意圖，進(jìn)入相應(yīng)開關(guān)柜非接觸式紅外實(shí)時(shí)圖像界面，在該窗口中，可查看到各個(gè)測溫區(qū)域的平均溫、最高溫、最低溫等屬性。

3.3 報(bào)警與歷史數(shù)據(jù)查詢

當(dāng)有溫度報(bào)警信息時(shí)，在標(biāo)題欄“報(bào)警管理”處有一個(gè)紅點(diǎn)出現(xiàn)，點(diǎn)擊查詢報(bào)警溫度、級別、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等信息。點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”欄，在左側(cè)站點(diǎn)欄選擇對應(yīng)站點(diǎn)、機(jī)柜、設(shè)備名稱、測溫對象、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，單擊“查詢”，顯示溫度曲線如圖2。當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到溫度曲線上的“正常采集粒度”點(diǎn)時(shí)，顯示出改點(diǎn)的溫度、采集時(shí)間，雙擊該點(diǎn)，彈出該點(diǎn)的圖像，單擊“生成報(bào)表”按鈕，即可以Word文檔形式生成該點(diǎn)的溫度報(bào)表。

圖2 溫度變化曲線Fig.2 Temperature change curve

3.4 運(yùn)行效果圖

針對南海某海油平臺應(yīng)用紅外測溫系統(tǒng)，應(yīng)用效果良好。通過開關(guān)柜內(nèi)紅外測溫傳感器模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，可以從紅外測溫系統(tǒng)上位機(jī)界面中實(shí)時(shí)觀測到開關(guān)柜內(nèi)部溫度情況，分別以黃色、橘黃、紅色等不同深度的顏色反映出不同測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度等級。當(dāng)圖像溫度變?yōu)樯罴t色，超過開關(guān)柜內(nèi)溫度設(shè)定限值時(shí)，伴隨有聲光報(bào)警及上位機(jī)頁面報(bào)警指示，提醒現(xiàn)場值班人員盡快完成開關(guān)柜內(nèi)故障排查。

4 結(jié)論

為了降低海洋石油平臺因中低壓開關(guān)柜故障導(dǎo)致的停電、火災(zāi)等安全事故概率，并結(jié)合具體項(xiàng)目應(yīng)用紅外測溫系統(tǒng)分析研究。本次應(yīng)用相對于以往平臺的常規(guī)開關(guān)柜溫度檢測手段，有了更實(shí)時(shí)、更智能、更全面、更精準(zhǔn)的監(jiān)測。通過在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障開關(guān)柜、故障時(shí)間點(diǎn)及實(shí)時(shí)溫度。通過各項(xiàng)參數(shù)記錄分析溫度變化趨勢，到達(dá)設(shè)定閾值并發(fā)出預(yù)警。全面監(jiān)測各個(gè)測溫區(qū)域的平均溫、最高溫、最低溫等屬性，通過歷史數(shù)據(jù)分析有效保證了故障可追溯性，有著比以往平臺月檢項(xiàng)目更多的數(shù)據(jù)支持。通過紅外成像不同顏色深度區(qū)域以及智能分析，直觀顯示溫度異常區(qū)域。同時(shí)，該系統(tǒng)具有不因安裝紅外測溫傳感器模塊而改變開關(guān)柜內(nèi)部原有電氣設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)溫度傳感器模塊出現(xiàn)故障時(shí)，不影響開關(guān)柜設(shè)備的安全可靠運(yùn)行的特點(diǎn)。

紅外測溫系統(tǒng)在海洋石油平臺開關(guān)柜內(nèi)的應(yīng)用，為今后海洋平臺設(shè)備的供電安全性、可靠性提供了堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)也為智能化、無人化平臺的推進(jìn)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。