史宏偉，王俊平，劉守明，卜祥洲，韓愛(ài)芝

（1.河南省電力公司周口供電公司，河南周口 466000；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450046；3.河南宏博測(cè)控技術(shù)有限公司，河南鄭州 450002）

基于紅外測(cè)溫技術(shù)的開(kāi)關(guān)柜非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

史宏偉1，王俊平2，劉守明1，卜祥洲3，韓愛(ài)芝1

（1.河南省電力公司周口供電公司，河南周口 466000；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450046；3.河南宏博測(cè)控技術(shù)有限公司，河南鄭州 450002）

供電行業(yè)常用的開(kāi)關(guān)柜因熱故障常造成大面積停電等現(xiàn)象，對(duì)熱故障產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)柜熱故障預(yù)警裝置。該裝置具有成本低、安裝方便的特點(diǎn)，通過(guò)非接觸式的紅外測(cè)溫儀對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警提示，并且能夠?qū)收衔恢眠M(jìn)行準(zhǔn)確定位，便于故障查找和及時(shí)排除。

開(kāi)關(guān)柜；非接觸式；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

供電行業(yè)常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)柜熱故障是由于高壓開(kāi)關(guān)長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)行、接頭松動(dòng)、觸頭老化、接觸面壓力不夠等諸多因素導(dǎo)致接觸電阻增大，進(jìn)而引起觸頭溫度升高所致[1]。熱故障造成設(shè)備的損壞影響到人民群眾的生活及企業(yè)的正常生產(chǎn)，給供電公司造成一定的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜，不便于故障的查找，還浪費(fèi)大量的人力、物力。通過(guò)研究分析，發(fā)現(xiàn)從開(kāi)關(guān)觸頭發(fā)熱到觸頭融化故障發(fā)生，需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期，其發(fā)展速度比較緩慢。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部各部件的發(fā)熱情況，保證設(shè)備正常運(yùn)行，降低事故率，如何全面監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的熱故障，以及建立一個(gè)溫度預(yù)警系統(tǒng)成為供電行業(yè)生產(chǎn)上迫在眉捷的大事。

常見(jiàn)的監(jiān)控方法存在眾多弊端，不能滿(mǎn)足實(shí)際的需求。本文研究了一種切實(shí)有效的開(kāi)關(guān)柜故障預(yù)警裝置，通過(guò)紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度，對(duì)容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象的設(shè)備部位進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各元器件的溫度，將柜內(nèi)溫度顯示在裝置后面的LCD顯示器上，當(dāng)設(shè)備溫度超過(guò)設(shè)定溫度或溫度上升過(guò)快時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲音和閃光警示信號(hào)，提醒運(yùn)行值班人員開(kāi)關(guān)柜異常，從而確保設(shè)備安全運(yùn)行。該裝置成本較為低廉，安裝方便，適用于新開(kāi)關(guān)柜出廠安裝或?qū)吓f開(kāi)關(guān)柜改造，應(yīng)用前景十分廣闊[2-3]。

1 國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫技術(shù)現(xiàn)狀

開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱的主要部位多表現(xiàn)在刀閘動(dòng)靜觸頭處和開(kāi)關(guān)、CT、刀閘聯(lián)接鋁排處，原因多為接觸不良，導(dǎo)流面積不足或刀閘觸頭接觸壓力不夠。實(shí)時(shí)監(jiān)視、檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)元器件的溫度是最終目的。監(jiān)視柜內(nèi)元器件溫度，可以在柜內(nèi)置入測(cè)溫電偶，發(fā)熱點(diǎn)處于一個(gè)空間內(nèi)，熱點(diǎn)溫升很高，但柜內(nèi)溫度分布不均，再者也不一定能將整個(gè)柜內(nèi)溫度提高多少，并且測(cè)量偏差太大；另外還可以在柜門(mén)上開(kāi)孔安裝一個(gè)紅外透鏡，使用紅外成像儀，但造價(jià)高昂，性?xún)r(jià)比低，不符合實(shí)際。再者就是在高壓電觸頭表面涂上一層發(fā)光材料，其顏色會(huì)隨溫度的變化而變化，通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)判斷目標(biāo)表面的溫度范圍，這樣可以起到預(yù)防作用，但其準(zhǔn)確度低，可靠性差，不能進(jìn)行定量測(cè)量。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫采取的方法主要有四種方式。

（1）在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)觸頭附近，加裝帶傳感器的測(cè)溫裝置。將傳感器埋入或固定在可靠的觸臂上，使之十分靠近發(fā)熱點(diǎn)，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)有線或無(wú)線傳輸至監(jiān)測(cè)儀。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)就地顯示，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；徹底隔離高壓；手車(chē)和非手車(chē)型開(kāi)關(guān)柜都適用。缺點(diǎn)是通道數(shù)量受限，導(dǎo)致實(shí)際發(fā)熱的部位因沒(méi)有裝傳感器而漏檢；測(cè)溫范圍為0～125℃。有線傳輸使柜內(nèi)布線繁雜凌亂；無(wú)線傳出時(shí)受變電站強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，影響信號(hào)質(zhì)量。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)原有的電場(chǎng)均布改變，造成電氣設(shè)備放電等新的故障。電池能量有限，一旦電量耗盡，測(cè)量裝備將全面癱瘓，部分CT取電設(shè)備，往往因電量小而不能穩(wěn)定工作，不方便檢測(cè)設(shè)備日常維護(hù)及出現(xiàn)故障時(shí)維修[4]。

（2）在開(kāi)關(guān)柜門(mén)上加裝可透過(guò)紅外線的特殊透明材料，用紅外成像儀監(jiān)測(cè)柜內(nèi)發(fā)熱情況。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣；施工工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需人為監(jiān)測(cè)，工作量大；在巡檢過(guò)程中工作人員的責(zé)任心及巡檢間隔時(shí)間都會(huì)影響到巡檢結(jié)果；存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更不能預(yù)測(cè)未來(lái)情況并對(duì)故障缺陷及時(shí)報(bào)警；開(kāi)孔位置受限，必須開(kāi)在合適位置，才能監(jiān)測(cè)到盡可能多的部位；紅外成像儀和透視片需配合使用，成本偏高，對(duì)推廣應(yīng)用有一定難度。

（3）使用紅外線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)柜內(nèi)觸頭進(jìn)行監(jiān)控，該方式采用的是非接觸式測(cè)溫。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫速度快，測(cè)溫范圍廣，且對(duì)被測(cè)溫場(chǎng)無(wú)干擾，與高電壓完全隔離；技術(shù)先進(jìn)，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。缺點(diǎn)是該系統(tǒng)測(cè)溫還停留在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)上，一個(gè)觸頭需要對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度傳感，沒(méi)有探測(cè)到整個(gè)開(kāi)關(guān)內(nèi)接頭的發(fā)熱情況。

（4）將光纖傳感器固定在靜觸頭上，將采集到的溫度信號(hào)通過(guò)光纖傳至主處理器，進(jìn)行溫度監(jiān)控。其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化的影響，一旦測(cè)溫設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，不易檢修，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用還處于一種初步嘗試階段，尚需要建立溫度與設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行模型，并且成本高，制約推廣；如果在空氣濕度相對(duì)比較大的情況下或出現(xiàn)霧水、霜露的情況下會(huì)給電氣造成安全隱患?？傊?，加裝傳感器，受通道限制，不一定能監(jiān)測(cè)到實(shí)際發(fā)熱點(diǎn)，可能出現(xiàn)漏檢；加裝透視片，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而采用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，又不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)柜內(nèi)在線測(cè)溫。

2 開(kāi)關(guān)柜非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)柜非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在紅外測(cè)溫技術(shù)的基礎(chǔ)上建立的，主要由光學(xué)單元、光電探測(cè)單元、信號(hào)處理單元、顯示轉(zhuǎn)換及報(bào)警單元RS485接口及無(wú)線傳輸單元、機(jī)械裝置單元、涂覆單元等6部分組成。

光學(xué)單元聚焦時(shí)匯集其視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀，探頭到目標(biāo)的距離直接關(guān)系到測(cè)量斑直徑大小，要確保目標(biāo)大于儀器所測(cè)圓點(diǎn)的大小。目標(biāo)越小，則應(yīng)離得越近。所以要根據(jù)探頭到目標(biāo)的距離，算出相對(duì)應(yīng)的D：S，再設(shè)計(jì)相關(guān)透鏡。光學(xué)單元要濾除可見(jiàn)光及近紅外光，減少外界非目標(biāo)光源對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。按照紅外熱相規(guī)則，結(jié)合柜內(nèi)溫度的實(shí)際區(qū)間為300℃以?xún)?nèi)，取8～14μm光譜響應(yīng)波段，這個(gè)波段的光譜能有效避免大氣塵埃和水汽對(duì)紅外線傳輸中的衰減，因此具有很強(qiáng)針對(duì)性的紅外輻射探測(cè)能力，有效解決了目前市場(chǎng)上紅外測(cè)溫儀測(cè)量有效距離短、抗干擾能力差的弊端。

光電探測(cè)單元主要有兩個(gè)功能。

（1）采集目標(biāo)輻射的紅外信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳感器能夠吸收紅外線能量并輸出一個(gè)與溫度成比例關(guān)系的電壓信號(hào)。TS系列紅外溫度傳感器由熱吸收區(qū)(熱端)、硅基片(冷端)和Sinx薄膜及外封裝組成。其工作原理類(lèi)似于普通的熱電偶原理，是基于塞貝克效應(yīng)（溫差電勢(shì)效應(yīng)）。先在硅基片上沉淀出多個(gè)熱偶接點(diǎn)（thermo junc?tion）。這些熱偶接點(diǎn)串聯(lián)在一起形成一個(gè)熱感應(yīng)通道（thermopile）。一端（熱端）與另一端（冷端）之間通過(guò)腐蝕方法形成的非常薄的薄膜進(jìn)行熱隔離[5]。紅外吸收區(qū)域與熱端合并在一起以使熱端能升溫，這樣，與紅外線能量成正比的熱電勢(shì)便可產(chǎn)生。

（2）采集環(huán)境溫度，如圖1所示，在傳感器上內(nèi)置一個(gè)環(huán)境溫度傳感器，該傳感器會(huì)自動(dòng)采集環(huán)境溫度，主要用于比對(duì)修正被測(cè)物體的實(shí)際溫度。采集到的溫度信號(hào)經(jīng)修正后，最終以數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力增強(qiáng)。

圖1 光電探測(cè)單元自動(dòng)采集環(huán)境溫度

由于不同物體表面的發(fā)射率各不相同，為了保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般要求發(fā)射率修正。由于測(cè)溫儀是以黑體標(biāo)定的，而任何物體表面發(fā)射率都比黑體發(fā)射率小。所以，信號(hào)處理單元是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，進(jìn)行環(huán)境溫度及光學(xué)系統(tǒng)的衰減補(bǔ)償，再根據(jù)目標(biāo)物體的發(fā)射率及透鏡的透射率進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，提高溫度輸出的準(zhǔn)確性，降低外界對(duì)它的干擾。顯示轉(zhuǎn)換及報(bào)警單元根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間，將預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)及當(dāng)前所掃描目標(biāo)位置在LCD上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)目標(biāo)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)溫度時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，按聲光報(bào)警復(fù)位鍵，消除聲光報(bào)警。

在RS485接口及無(wú)線傳輸單元留出通訊接口，以便標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議通過(guò)RS485總線將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與變電站綜合智能化系統(tǒng)相連。利用總線將開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度信息通過(guò)下位機(jī)傳至上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度信息，并控制下位機(jī)運(yùn)行。機(jī)械裝置單元是為前端探測(cè)模塊的掃描動(dòng)作提供驅(qū)動(dòng)的功能單元。該裝置安裝于柜門(mén)外部，用以更靈活實(shí)現(xiàn)掃描被測(cè)目標(biāo)，在掃描過(guò)程中，可上下180度控制掃描，能夠精確定位被測(cè)目標(biāo)。分為機(jī)械傳動(dòng)和外結(jié)構(gòu)件兩部分。其中作為前端探測(cè)裝置重要構(gòu)成的光學(xué)單元模塊微探入柜體內(nèi)，機(jī)械裝置帶動(dòng)傳動(dòng)軸進(jìn)行上下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)部件的掃描，如圖2所示。

圖2 機(jī)械裝置對(duì)被測(cè)部件進(jìn)行掃描

在被測(cè)目標(biāo)表面，涂覆一種特殊材質(zhì)（透明、非金屬、不改變開(kāi)關(guān)柜的電氣特性），不改變柜內(nèi)電場(chǎng)分布，輻射涂膜使物體表面具有高發(fā)射率，并且改變?cè)瓉?lái)物體的表面的物理化學(xué)性能。這種材質(zhì)一來(lái)可以改變柜內(nèi)物體的原有發(fā)射率，方便溫度數(shù)據(jù)采集和修正，能夠更精確的測(cè)出發(fā)熱點(diǎn)的表面溫度；二來(lái)不改變?cè)械南嗌瑧?yīng)具有高溫變色的功能，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，由無(wú)色變?yōu)楹谏鐖D3所示。

圖3 涂覆單元

非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)溫度檢測(cè)，又成功的解決了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)測(cè)溫和故障點(diǎn)定位問(wèn)題。通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱缺陷，即克服了接觸式測(cè)溫的不足，并且又安裝方便，與高壓系統(tǒng)完全隔離，其速度快、測(cè)量范圍寬，一個(gè)就可以覆蓋柜體內(nèi)所有的可能發(fā)熱點(diǎn)，且對(duì)被測(cè)溫場(chǎng)無(wú)干擾，具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)聲光報(bào)警方式和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，提示工作人員，再根據(jù)涂覆材料的色變來(lái)定位故障，把故障消滅在萌芽狀態(tài)，保證開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了設(shè)備的可靠性。該測(cè)溫方式采用的紅外探測(cè)器是介于成像與非成像中間的技術(shù)，基于紅外技術(shù)的熱成像儀制造成本比較昂貴，基于接觸式的一些測(cè)溫手段又容易受諸多因素的影響，而場(chǎng)掃描式紅外技術(shù)的這種測(cè)溫即保證了測(cè)溫的效果，同時(shí)又彌補(bǔ)了熱成像成本過(guò)高的缺陷，比較經(jīng)濟(jì)，安裝方便，適用于新開(kāi)關(guān)柜出廠安裝或?qū)吓f開(kāi)關(guān)柜改造，批量投入使用，可節(jié)約巨大費(fèi)用。

3 結(jié)論

開(kāi)關(guān)柜非接觸式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一旦投入使用，將能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各元器件的溫度，將柜內(nèi)溫度顯示在裝置后面的LCD顯示器上。當(dāng)設(shè)備溫度超過(guò)設(shè)定溫度或溫度上升過(guò)快時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲音和閃光警示信號(hào)。場(chǎng)掃描式紅外技術(shù)的這種測(cè)溫即保證了測(cè)溫的效果，同時(shí)又彌補(bǔ)了熱成像成本過(guò)高的缺陷，比較經(jīng)濟(jì)，安裝方便，適用于新開(kāi)關(guān)柜出廠安裝或?qū)吓f開(kāi)關(guān)柜改造，批量投入使用，可以在確保設(shè)備安全運(yùn)行的前提下節(jié)約巨大費(fèi)用，應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］王進(jìn)米.淺談開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行中發(fā)熱故障及措施［J］.北京電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012，29（3）：138-139.

［2］朱朝祥.降低開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱故障率的方法［J］.云南電力技術(shù)，2011，39（5）：84.

［3］周喜忠.開(kāi)關(guān)柜內(nèi)接頭發(fā)熱的原因及監(jiān)測(cè)［J］.電氣開(kāi)關(guān)，2009（4）：6-7，11.

［4］魏韜，張洪濤，石軍.開(kāi)關(guān)柜溫度報(bào)警器的研制［A］.2011年全國(guó)電力企業(yè)信息化大會(huì)論文集［C］.

［5］劉波.高強(qiáng)鋼同步預(yù)熱焊接方法的研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

Research on Non-Contact Monitoring System of Switchgear Based on Infrared Temperature Measurement Technology

SHI Hong-wei1，WANG Jun-ping2，LIU Shou-ming1，PU Xiang-zhou3，HAN Ai-zhi1
（1.Zhoukou Power Supply Company，Zhoukou 463000，China；2.Henan Vocational Technology College，Zhengzhou 450046，China；3.Henan Hongbo Measurement&Control Co.，Ltd，Zhengzhou450002，China）

Power supply commonly used switchgear due to thermal failure often result in large area blackout phenomenon，the mechanism of thermal fault analysis and the infrared monitoring techniques conducted applied research，design switchgear thermal fault warning device.The device has a low cost，easy installation，non-contact infrared thermometer switchgear real-time monitoring，data transfer and alarm，and the ability to accurately locate the fault location，easy troubleshooting and immediately removed.

switchgear；non-contact；monitoring system

TP297.52

A

1009－9492(2014)01－0063－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.016

史宏偉，男，1972年生，河南鹿邑人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：輸變電技術(shù)。

(編輯：向 飛)

2013－07－25