非接触式电力设备温度监测仪研究与设计

高金玉，张金波，王鹏宇，袁　林

(1.国网吉林省电力有限公司 通化供电公司，吉林 通化 134001；2.国网吉林省电力有限公司 长春供电公司，长春 130021)



非接触式电力设备温度监测仪研究与设计

高金玉1，张金波1，王鹏宇2，袁林2

(1.国网吉林省电力有限公司 通化供电公司，吉林 通化 134001；2.国网吉林省电力有限公司 长春供电公司，长春 130021)

研发了一种非接触式电气设备多点温度监测的红外测温仪。设计了双轴向运动的承载机构，带动红外测温探头运动；通过红外测温方式对开关柜内的母排、电缆接头的温度进行检测。通过检测承载机构在两个轴向的角位移，实现对预设的测温点进行监测。设计的温度监测仪通过一个非接触式红外探头，实现对一个开关柜内全部电气设备进行温度在线监测。

高压电气设备；温度；在线监测；非接触式

大量的电气设备(如变压器、电力电缆、母排等)，都工作在高电压、大电流的运行环境下。电气设备的温度是反映其运行状态的一个重要指标，在众多的电力设备故障和进而引起的停电事故中，因设备过热导致的事故比重最大[1-3]。因此，对电气设备进行温度监测，当发现设备运行温度出现异常时，运行人员提前采取相应的预防事故发生的处理措施，将故障隐患提前消除，能够有效防止事故发生。对电气设备的运行温度进行监测是运行人员一直以来从事的重要工作；设计方便、有效的温度监测方法和监测系统，是国内外研究机构和设备制造商一直以来研究的重点。

在电力系统中，目前采用的温度监测方法主要有：“测直阻法”、“贴温度标签法”、通过接触式的温度传感器进行电气设备温度测量等方法。随着电压等级的提高，这些方法表现出明显的局限性；特别地，对于封闭式的开关柜，采用这些传统的温度监测配合人工巡查的测温方式非常困难，并且难以及时有效地发现长期运行过程中出现的故障隐患。近年来，红外热成像仪[4、5]在电力系统中得到了广泛的应用，但其价格昂贵且需要人工操作，不适宜在线监测和自动化控制。

本文利用基于红外辐射原理[6、7]设计的红外测温仪，研发了一种非接触式电气设备多点温度监测仪。设计了步进电机控制的双轴向运动承载机构，带动红外测温仪在水平和垂直方向运动；通过微处理器对步进电机进行精确控制，并检测其在水平方向和垂直方向运动的角位移，实现对监测的电气设备温度监测。通过设计的温度检测仪，实现一个红外测温仪对开关柜内全部电气设备的温度实时监测。

1　原理及控制电路设计

1.1非接触式红外测温的原理

所有温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射[8-9]，红外辐射的强度与物体的温度有关，温度越高辐射越强。对于“黑体”物质，其吸收和发射的光谱对波长没有选择性，辐射的光谱完全决定于该物体的温度。黑体在不同温度下向外发射的各段波长及其强度与温度呈严格的温度函数，因此，通过测定相应波长的辐射强度即可确定物体的温度。

一般工程材料的辐射强度曲线和同一温度下绝对黑体的辐射强度曲线相似，但不同的是一般的材料具有一定的发射率和反射率；因为金属的反射率较高，发射率较低，对传感器的测量精度有一定的影响，因此，在进行母排、电缆接头测温时，需要对其表面进行黑体化处理，或通过数字化的修正处理，提高温度监测的精度。

1.2温度采集单元设计

根据1.1节基本原理制造的红外测温传感器先将物体发射的红外辐射能量收集起来，通过热电堆转换成电信号，对电信号进行数据采集和变换，可以换算得到对应的监测点温度。系统总体结构如图1所示。

图1　温度采集单元总体结构图

温度采集系统由红外温度传感器、滤波电路与信号调理电路、A/D转换电路、微处理器单元等组成。红外温度传感器采集由物体发射的红外能量并将其转换成电压信号，通过滤波电路消除干扰信号，经信号调理电路将电压信号变换为适合A/D芯片输入通道的电压；再由A/D转换电路将电压信号转换为数字信号，后送至微处理器电路进行数据处理，得到物体的温度信息。

1.3运动机构总体结构设计

通过红外温度传感器和数据采集系统，实现了对物体温度的采集。为了利用一个温度传感器监测多个位置电气设备的温度，需要相应的运动机构让温度传感器在水平方向和垂直方向独立运动。设计的运动机构的总体结构和控制电路原理如图2所示。

图2　运动机构控制电路原理

运动控制机构由水平方向位置信号检测电路、垂直方向位置信号检测电路、微处理器控制单元、水平方向运动装置驱动电路、垂直方向运动装置驱动电路以及双轴运动机构及红外温度传感器组成。水平方向位置信号检测电路和垂直方向位置信号检测电路监测装置在两个轴向运动到起始点时产生脉冲信号。微处理器通过对起始信号的检测和对驱动电路的控制，使红外温度传感器运动到期望的位置。

2　硬件电路设计

2.1红外测温传感器及信号处理电路设计

采用欧普仕生产的高精度红外温度传感器进行温度变换，传感器输出的信号包括采集的被测物体的温度信号、传感器壳体的信号。而根据传感器输出的特性，对两路输出信号进行滤波和信号处理。利用轨对轨(Rail to Rail)运算放大器对信号进行滤波和信号变换，这样不仅能提高线性度，同时提高了后续电路的输入阻抗，减少信号采集电路对传感器数据信号的影响，提高系统的测量精度。滤波电路及信号调理电路如图3所示。

图3　滤波及信号调理电路

图4　AD转换电路原理图

2.2AD转换及微处理器单元设计

为了提高温度采集的精度，A/D转换采用TI公司制造的高精度16位数模转换器件，A/D转换单元电路如图4所示。该器件通过I2C总线与微处理器进行接口。采用I2C总线串行通信技术，使系统的硬件设计方便、硬件电路的体积也得到减小，同时系统的可靠性也得到提高。微处理器单元采用AVR系列单片机ATmega64，该微处理器具有资源丰富及集成度高等优点，大大简化了硬件电路的设计。

2.3双轴运动机构的设计

为了实现对某一空间内(如开关柜)的电气设备进行全部的温度监测，设计的红外温度传感器能够在水平和垂直两个方向上自由运动。运动机构的机械部分在本文中不做详细介绍。两个方向的运动是通过步进电机进行控制，实现在两个方向上的运动控制，以及实时监测红外温度传感器在两个方向上的角位移。微处理器通过微动开关来监测传感器是否运转到水平方向和垂直方向的参考点。通过驱动电路来驱动步进电机运动。双轴运动机构驱动电路原理图如图5所示。

图5　双轴运动机构驱动电路原理图

图6　总体软件流程图

3　软件程序设计

红外测温仪的软件程序主要包括两大功能模块：

(1)控制红外测温传感器到达相应的预设位置；(2)对监测点的温度进行采集和数据处理。软件部分主要包括以下几个主要模块：初始化模块、A/D转换模块、预设位置控制模块、数据处理模块、保护控制模块、程序流向控制模块。程序总体流程如图6所示。

4　结　　论

本文设计了一种非接触式电气设备多点温度监测的红外测温仪。采用高精度的红外温度传感器和A/D转换器，保证了温度采集的精度；通过双轴向运动的承载机构控制红外测温传感器在水平和垂直两个方向独立运动，达到采用一个非接触式红外温度传感器对一个开关柜内全部电气设备进行温度在线监测。

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Research and Designin Non Contact Temperature Monitor System for Power Equipment

GAO Jin-yu1，ZHANG Jin-bo1，WANG Peng-yu2，YUAN Lin2

(1.Tonghua Power Supply Company，State Grid Jilin Electric Power Company Limited，Jilin Tonghua 134001；2.Changchun Power Supply Company，State grid Jilin Electric Power Company Limited，Changchun 130021)

This paper developed a kind of non contacting infrared temperature measuring instrument for electrical equipment multi point temperature monitoring.It designed the biaxial motion mechanism for infrared temperature measurement probe.The infrared temperature measurement method can detect the switch cabinet bus bar，cable joint temperature.It detects the angular displacement of the bearing mechanism in two axial directions，which monitors the temperature measurement points.The temperature monitor system uses a non-contact infrared probe，which achievements on-line temperature monitoring for all electrical equipment in a switch cabinet.

High voltage electrical equipment；Temperature；On-line monitoring；Non-contact

2016-03-16

国网吉林省电力有限公司科技发展计划项目(2015-16)

高金玉(1979 -)，男，吉林省通化市人，国家电网吉林省电力有限公司通化供电公司工程师，主要研究方向：输配电运行检修、生产系统安全管理工作.

1005-2992(2016)04-0039-04

TM932

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