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(hù)設(shè)備。為了提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性，提高設(shè)備運(yùn)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(fèi)，研制出了在線測(cè)溫報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)紅外傳感器探測(cè)溫度實(shí)現(xiàn)在線測(cè)溫報(bào)警，通過(guò)接收被測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射來(lái)確定其溫度。目前，系統(tǒng)已經(jīng)正式投入運(yùn)行，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的要求。

關(guān)鍵詞： 高壓電柜； 在線測(cè)溫； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN830.1?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yùn)行是否正常直接決定了電力系統(tǒng)能否可靠穩(wěn)定運(yùn)行，因此在日常維護(hù)中，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)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(shí)間，無(wú)論設(shè)備狀況和性能是否存在問(wèn)題都要停電檢查，這給正常的電力系統(tǒng)運(yùn)行造成了不必要的損失，降低了生產(chǎn)運(yùn)行效率。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)地通信、聯(lián)網(wǎng)傳輸和異地控制也已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)及時(shí)能提供設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的暫態(tài)信息，并且及時(shí)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(yùn)行。

高壓電柜是電力系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的保護(hù)和控制裝置，保護(hù)作用是當(dāng)設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，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(yùn)行；控制作用就是根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)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(dǎo)電連接處會(huì)進(jìn)行頻繁的動(dòng)作，造成接觸處溫度升高，引起接觸處氧化，導(dǎo)致接觸電阻變大，繼而會(huì)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(yùn)行。因此，對(duì)柜內(nèi)觸點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱報(bào)警顯得非常必要。

本系統(tǒng)利用紅外傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)電柜內(nèi)觸點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)溫報(bào)警，通過(guò)接收被測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射來(lái)確定其溫度，范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且對(duì)被測(cè)溫場(chǎng)無(wú)干擾。

1 紅外測(cè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn)的波長(zhǎng)[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(zhǎng)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(shí)際物體的總輻射度與其熱力學(xué)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(guò)測(cè)量物體自身輻射的紅外能量即可準(zhǔn)確測(cè)定該物體的表面溫度。

1.2 紅外測(cè)溫原理

（1） 任何發(fā)熱的物體都會(huì)輻射紅外線，發(fā)出紅外輻射能量，紅外測(cè)溫正是根據(jù)這一原理對(duì)運(yùn)行設(shè)備的表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)溫儀能通過(guò)調(diào)整發(fā)射率對(duì)各種不同材質(zhì)的電氣設(shè)備表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要包括測(cè)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(gè)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(chǎng)需求，在高壓電柜內(nèi)共安裝了9個(gè)測(cè)溫探頭，分別用于采集電柜內(nèi)9個(gè)三相隔離開(kāi)關(guān)觸頭和導(dǎo)體連接頭的溫度。數(shù)據(jù)采集單元將探頭數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳送至數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元將9個(gè)數(shù)據(jù)采集單元信息匯總，以ATMEL 8位C8051f410單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理芯片，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)RS 485總線將系統(tǒng)與整個(gè)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(fù)責(zé)溫度的顯示和報(bào)警參數(shù)的設(shè)置，當(dāng)溫度超過(guò)某一限定值時(shí)報(bào)警，同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)通過(guò)總線傳送至數(shù)據(jù)處理單元。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 測(cè)溫探頭設(shè)計(jì)

（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(cè)物體發(fā)出的紅外輻射通過(guò)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(shì)，該電勢(shì)表征了被測(cè)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(gè)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(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)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(duì)波長(zhǎng)為7.5～14 m的紅外輻射透過(guò)率不低于70%。

（3） 探頭的安裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，探頭的安裝方式如圖3所示，目標(biāo)直徑為5 cm，測(cè)量距離為1.2 m，共安裝9個(gè)測(cè)溫探頭，選取帶透鏡的傳感器視場(chǎng)張角為7o，距離系數(shù)約為12[∶]1。此外，由于動(dòng)靜觸頭外部均套有瓷套，而電柜實(shí)際運(yùn)行時(shí)內(nèi)外瓷套間有將近5 cm的間隙，安裝時(shí)可調(diào)整探頭的仰角以保證探頭能夠沿著間隙對(duì)準(zhǔn)動(dòng)觸頭。

（4） 探頭控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用C8051f410單片機(jī)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(shì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)接收溫度傳感器DS18B20送入的環(huán)境溫度檢測(cè)信號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)單片機(jī)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(jì)

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(jì)上可兼顧兩者的需求設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的電路。該單元選用ATMEL 8位C8051f410單片機(jī)作為主控芯片，外部擴(kuò)展了64 KB的ROM和32 KB的RAM，分別用于程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)寄存，該單片機(jī)內(nèi)部自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘可記錄系統(tǒng)時(shí)間；選用128×64點(diǎn)陣液晶用于顯示操作界面、溫度數(shù)據(jù)及報(bào)警畫面；利用擴(kuò)展的I/O口連接5個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)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(cuò)或外界干攏時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位重啟。無(wú)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(gè)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(kuò)展單片機(jī)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(jì)

2.3.1 測(cè)溫探頭設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫紅外測(cè)溫探頭程序，程序流程見(jiàn)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(jì)

數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元除了通信對(duì)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(bào)警畫面并閃動(dòng)示警，同時(shí)以中斷方式與上下層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，流程圖見(jiàn)圖6。

2.3.3 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警主要有以下三種可能情況：觸點(diǎn)溫升在××分鐘內(nèi)超過(guò)××℃；觸點(diǎn)溫度超過(guò)環(huán)境溫度××℃；兩相間觸頭溫度相差超過(guò)××℃。每種情況可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求設(shè)置為兩種報(bào)警級(jí)別，通過(guò)按鍵設(shè)置，級(jí)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(bào)警形式進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

3 結(jié) 語(yǔ)

高壓電柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在線監(jiān)測(cè)柜內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)觸頭及其他連接點(diǎn)的溫度，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度發(fā)出不同級(jí)別的警報(bào)，用戶可以通過(guò)液晶查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，并通過(guò)鍵盤設(shè)置報(bào)警參數(shù)及環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)測(cè)溫范圍為0～150 ℃，測(cè)溫距離為1.2 m，目前已經(jīng)在揚(yáng)州寶應(yīng)某電器廠投入使用，運(yùn)行情況良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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