基于红外测温技术的开关柜非接触式监测系统研究

史宏伟，王俊平，刘守明，卜祥洲，韩爱芝

（1.河南省电力公司周口供电公司，河南周口 466000；2.河南职业技术学院，河南郑州 450046；3.河南宏博测控技术有限公司，河南郑州 450002）

基于红外测温技术的开关柜非接触式监测系统研究

史宏伟1，王俊平2，刘守明1，卜祥洲3，韩爱芝1

（1.河南省电力公司周口供电公司，河南周口 466000；2.河南职业技术学院，河南郑州 450046；3.河南宏博测控技术有限公司，河南郑州 450002）

供电行业常用的开关柜因热故障常造成大面积停电等现象，对热故障产生的机理进行分析，并对红外监测技术进行了应用研究，设计了开关柜热故障预警装置。该装置具有成本低、安装方便的特点，通过非接触式的红外测温仪对开关柜进行实时监测，可实现数据传输和报警提示，并且能够对故障位置进行准确定位，便于故障查找和及时排除。

开关柜；非接触式；监测系统

0 引言

供电行业常见的开关柜热故障是由于高压开关长时间大负荷运行、接头松动、触头老化、接触面压力不够等诸多因素导致接触电阻增大，进而引起触头温度升高所致[1]。热故障造成设备的损坏影响到人民群众的生活及企业的正常生产，给供电公司造成一定的经济损失和负面影响。开关柜内结构环境复杂，不便于故障的查找，还浪费大量的人力、物力。通过研究分析，发现从开关触头发热到触头融化故障发生，需要一个较长的时间周期，其发展速度比较缓慢。实时监测开关柜内部各部件的发热情况，保证设备正常运行，降低事故率，如何全面监测开关柜的热故障，以及建立一个温度预警系统成为供电行业生产上迫在眉捷的大事。

常见的监控方法存在众多弊端，不能满足实际的需求。本文研究了一种切实有效的开关柜故障预警装置，通过红外监测技术实时监控开关柜内温度，对容易产生过热现象的设备部位进行温度在线监测，能够实时检测开关柜内各元器件的温度，将柜内温度显示在装置后面的LCD显示器上，当设备温度超过设定温度或温度上升过快时，发出报警声音和闪光警示信号，提醒运行值班人员开关柜异常，从而确保设备安全运行。该装置成本较为低廉，安装方便，适用于新开关柜出厂安装或对老旧开关柜改造，应用前景十分广阔[2-3]。

1 国内外开关柜测温技术现状

开关柜发热的主要部位多表现在刀闸动静触头处和开关、CT、刀闸联接铝排处，原因多为接触不良，导流面积不足或刀闸触头接触压力不够。实时监视、检测开关柜内元器件的温度是最终目的。监视柜内元器件温度，可以在柜内置入测温电偶，发热点处于一个空间内，热点温升很高，但柜内温度分布不均，再者也不一定能将整个柜内温度提高多少，并且测量偏差太大；另外还可以在柜门上开孔安装一个红外透镜，使用红外成像仪，但造价高昂，性价比低，不符合实际。再者就是在高压电触头表面涂上一层发光材料，其颜色会随温度的变化而变化，通过观察其颜色变化来判断目标表面的温度范围，这样可以起到预防作用，但其准确度低，可靠性差，不能进行定量测量。

目前，国内外对开关柜测温采取的方法主要有四种方式。

（1）在开关柜内触头附近，加装带传感器的测温装置。将传感器埋入或固定在可靠的触臂上，使之十分靠近发热点，传感器将采集到的数据有线或无线传输至监测仪。其优点是数据就地显示，也可实现对设备的远程监控；彻底隔离高压；手车和非手车型开关柜都适用。缺点是通道数量受限，导致实际发热的部位因没有装传感器而漏检；测温范围为0～125℃。有线传输使柜内布线繁杂凌乱；无线传出时受变电站强电磁场干扰，影响信号质量。开关柜内原有的电场均布改变，造成电气设备放电等新的故障。电池能量有限，一旦电量耗尽，测量装备将全面瘫痪，部分CT取电设备，往往因电量小而不能稳定工作，不方便检测设备日常维护及出现故障时维修[4]。

（2）在开关柜门上加装可透过红外线的特殊透明材料，用红外成像仪监测柜内发热情况。其优点是测温范围广；施工工艺简单。缺点是不能实现远程监控，需人为监测，工作量大；在巡检过程中工作人员的责任心及巡检间隔时间都会影响到巡检结果；存在着一定的安全风险，不能实现实时监测，更不能预测未来情况并对故障缺陷及时报警；开孔位置受限，必须开在合适位置，才能监测到尽可能多的部位；红外成像仪和透视片需配合使用，成本偏高，对推广应用有一定难度。

（3）使用红外线在线监测系统对柜内触头进行监控，该方式采用的是非接触式测温。其优点是测温速度快，测温范围广，且对被测温场无干扰，与高电压完全隔离；技术先进，系统可靠稳定。缺点是该系统测温还停留在点对点上，一个触头需要对应一个温度传感，没有探测到整个开关内接头的发热情况。

（4）将光纤传感器固定在静触头上，将采集到的温度信号通过光纤传至主处理器，进行温度监控。其优点是抗干扰能力强，化学性能稳定。缺点是易受光源波动和连接器损耗变化的影响，一旦测温设备出现问题，不易检修，在电力系统中应用还处于一种初步尝试阶段，尚需要建立温度与设备状态运行模型，并且成本高，制约推广；如果在空气湿度相对比较大的情况下或出现雾水、霜露的情况下会给电气造成安全隐患。总之，加装传感器，受通道限制，不一定能监测到实际发热点，可能出现漏检；加装透视片，不能实现实时监测。而采用实时在线监测，又不能实现整个柜内在线测温。

2 开关柜非接触式监测系统设计

开关柜非接触式监测系统是在红外测温技术的基础上建立的，主要由光学单元、光电探测单元、信号处理单元、显示转换及报警单元RS485接口及无线传输单元、机械装置单元、涂覆单元等6部分组成。

光学单元聚焦时汇集其视场内目标的红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测仪，探头到目标的距离直接关系到测量斑直径大小，要确保目标大于仪器所测圆点的大小。目标越小，则应离得越近。所以要根据探头到目标的距离，算出相对应的D：S，再设计相关透镜。光学单元要滤除可见光及近红外光，减少外界非目标光源对测量结果的影响。按照红外热相规则，结合柜内温度的实际区间为300℃以内，取8～14μm光谱响应波段，这个波段的光谱能有效避免大气尘埃和水汽对红外线传输中的衰减，因此具有很强针对性的红外辐射探测能力，有效解决了目前市场上红外测温仪测量有效距离短、抗干扰能力差的弊端。

光电探测单元主要有两个功能。

（1）采集目标辐射的红外信号，并转化为电信号，传感器能够吸收红外线能量并输出一个与温度成比例关系的电压信号。TS系列红外温度传感器由热吸收区(热端)、硅基片(冷端)和Sinx薄膜及外封装组成。其工作原理类似于普通的热电偶原理，是基于塞贝克效应（温差电势效应）。先在硅基片上沉淀出多个热偶接点（thermo junc⁃tion）。这些热偶接点串联在一起形成一个热感应通道（thermopile）。一端（热端）与另一端（冷端）之间通过腐蚀方法形成的非常薄的薄膜进行热隔离[5]。红外吸收区域与热端合并在一起以使热端能升温，这样，与红外线能量成正比的热电势便可产生。

（2）采集环境温度，如图1所示，在传感器上内置一个环境温度传感器，该传感器会自动采集环境温度，主要用于比对修正被测物体的实际温度。采集到的温度信号经修正后，最终以数字信号输出，抗干扰能力增强。

图1 光电探测单元自动采集环境温度

由于不同物体表面的发射率各不相同，为了保证温度测量的准确性，一般要求发射率修正。由于测温仪是以黑体标定的，而任何物体表面发射率都比黑体发射率小。所以，信号处理单元是对采集到的信号进行分析处理，进行环境温度及光学系统的衰减补偿，再根据目标物体的发射率及透镜的透射率进行数据修正，提高温度输出的准确性，降低外界对它的干扰。显示转换及报警单元根据预设的时间，将预设的目标温度数据及当前所扫描目标位置在LCD上实时显示。当目标温度超过预设温度时进行声光报警，按声光报警复位键，消除声光报警。

在RS485接口及无线传输单元留出通讯接口，以便标准通信协议通过RS485总线将整个网络系统与变电站综合智能化系统相连。利用总线将开关柜内温度信息通过下位机传至上位机，在上位机上实时显示开关柜内温度信息，并控制下位机运行。机械装置单元是为前端探测模块的扫描动作提供驱动的功能单元。该装置安装于柜门外部，用以更灵活实现扫描被测目标，在扫描过程中，可上下180度控制扫描，能够精确定位被测目标。分为机械传动和外结构件两部分。其中作为前端探测装置重要构成的光学单元模块微探入柜体内，机械装置带动传动轴进行上下转动，实现对被测部件的扫描，如图2所示。

图2 机械装置对被测部件进行扫描

在被测目标表面，涂覆一种特殊材质（透明、非金属、不改变开关柜的电气特性），不改变柜内电场分布，辐射涂膜使物体表面具有高发射率，并且改变原来物体的表面的物理化学性能。这种材质一来可以改变柜内物体的原有发射率，方便温度数据采集和修正，能够更精确的测出发热点的表面温度；二来不改变原有的相色，应具有高温变色的功能，当温度高于80℃时，由无色变为黑色，如图3所示。

图3 涂覆单元

非接触式监测系统既可实现对柜内温度检测，又成功的解决了开关柜内测温和故障点定位问题。通过及时发现柜内设备的发热缺陷，即克服了接触式测温的不足，并且又安装方便，与高压系统完全隔离，其速度快、测量范围宽，一个就可以覆盖柜体内所有的可能发热点，且对被测温场无干扰，具有明显优势。通过声光报警方式和数据远传，提示工作人员，再根据涂覆材料的色变来定位故障，把故障消灭在萌芽状态，保证开关设备的安全稳定运行，提高了设备的可靠性。该测温方式采用的红外探测器是介于成像与非成像中间的技术，基于红外技术的热成像仪制造成本比较昂贵，基于接触式的一些测温手段又容易受诸多因素的影响，而场扫描式红外技术的这种测温即保证了测温的效果，同时又弥补了热成像成本过高的缺陷，比较经济，安装方便，适用于新开关柜出厂安装或对老旧开关柜改造，批量投入使用，可节约巨大费用。

3 结论

开关柜非接触式监测系统一旦投入使用，将能够实时检测开关柜内各元器件的温度，将柜内温度显示在装置后面的LCD显示器上。当设备温度超过设定温度或温度上升过快时，发出报警声音和闪光警示信号。场扫描式红外技术的这种测温即保证了测温的效果，同时又弥补了热成像成本过高的缺陷，比较经济，安装方便，适用于新开关柜出厂安装或对老旧开关柜改造，批量投入使用，可以在确保设备安全运行的前提下节约巨大费用，应用前景十分广阔。

［1］王进米.浅谈开关柜运行中发热故障及措施［J］.北京电力高等专科学校学报，2012，29（3）：138-139.

［2］朱朝祥.降低开关柜内设备发热故障率的方法［J］.云南电力技术，2011，39（5）：84.

［3］周喜忠.开关柜内接头发热的原因及监测［J］.电气开关，2009（4）：6-7，11.

［4］魏韬，张洪涛，石军.开关柜温度报警器的研制［A］.2011年全国电力企业信息化大会论文集［C］.

［5］刘波.高强钢同步预热焊接方法的研究［D］.南京：河海大学，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

史宏伟，男，1972年生，河南鹿邑人，大学本科，助理工程师。研究领域：输变电技术。

(编辑：向 飞)

2013－07－25