10kV电缆沟多功能监测冷却智能系统研究

温伟光　李维立　张方海　赖家文

摘要：文章研发了一种基于红外测温技术的10kV电缆沟多功能智能监测系统，利用红外测温装置，在温度超出设定范围后智能启动通风冷却设备，并设置温度异常辅助报警系统；此外还增加了沼气、氧气及水位监测模块，对异常环境进行预警，并通过智能终端对该系统进行监测控制，实现多功能智能监测的目标。

关键词：红外测温；电缆沟；智能检测；冷却设备；通风冷却装置 文献标识码：A

中图分类号：TM72 文章编号：1009-2374（2017）01-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.006

1 概述

随着国家经济和电力技术的发展，高压电缆因其节省空间，传输量大等优点而被广泛应用。变电站内10kV的高压电缆是目前电缆沟内最常见也是最重要的设备之一。长期在高电压和大电流的运行状态下工作，这些设备的运行情况与温度和湿度有着密切的关系。广东地区在4～9月常常面临酸雨、热浪的严峻考验，这些地区的电缆沟长期在此环境工作，电缆绝缘老化和损坏的几率大大增加，载流量大幅降低，使用寿命缩短，甚至因为设备局部过热而造成停电故障，封闭环境也对电力维护人员造成抢修困难，因此急需寻找切实可行的方法来解决这一问题。

本文基于红外测温技术，拟研制一种10kV电缆沟多功能智能监测冷却系统，利用红外测温非接触式传感器，在温度超出设定范围后智能启动；在系统中设计沼气、氧气及水位监测模块，对异常环境进行预警；通过智能无线监控终端、无线网络、手机APP的监控系统等软件，实现远程集中监测和控制，完成参数设置、数据采集与分析、预警、报警及启动冷却装置等功能。

2 系统工作原理及功效

2.1 红外测温传感器工作原理

高于绝对零度的物质都会向外辐射红外线，不同大小的红外能量具有不同的红外线波长分布，因此对物质红外线波长进行测量，就能确定该物质的表面温度。

红外测温传感器的工作原理，简单来说，就是通过对物体两点之间的温度差产生的电效应进行探测。物体两点之间如果发生了温度差，则会有电压产生，电压和温度差之间存在函数关系。基于这一原理，通过红外接收元件，以单片机为核心，配合采集电路、存储电路、显示电路等外围电路，搜集红外热辐射，将温度差转换为电压信号输出。

2.2 系统功能分析

10kV电缆沟多功能智能监测系统基于红外测温技术，其功能需要满足以下四点：

2.2.1 采用红外测温采集信号作系统计算和触发预警，在温度超出设定范围后智能启动强制通风冷却设备。

2.2.2 采用改善空气循环方式减低电缆沟运行温度与湿度，在系统中设计沼气、氧气及水位监测模块，对异常環境进行预警。

2.2.3 采用单片机技术和自动遥信技术做温度异常预警及实时处理，对温度信号进行采集、显示并实现升、降温和闭环自动控制等。

2.2.4 通过智能无线监控终端、无线网络、手机APP的监控系统等软件，实现集中监测和控制。

3 智能监测冷却系统

3.1 红外测温模块结构

红外测温多功能智能监测系统主要包括光学系统、调制盘、热释电红外探测器、信号处理电路、微控制器、显示输出电路及网络输出电路。

3.1.1 光学系统。该部分主要是搜集目标物的红外辐射能量，利用具有特殊光学原理的透镜，使红外信号以脉冲形式输入，完成对目标物的红外辐射能量搜集。

3.1.2 调制盘。调制盘主要用于空间滤波，将恒定的辐射通量转化为交变式，对目标物的空间位置进行确定，以此排除环境干扰，保证红外测温系统的精确度。

3.1.3 热释电红外探测器。热释电红外探测器也就是红外光传感器，当热电元件受到光照时产生热能，受热晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，带上负载就会输出电压信号，产生电流。当环境温度变化时，晶体参数发生改变，从而进行预警。可在该部分设置双传感探测元、干涉滤光片和场效应管，以尽可能地减少干扰和误差。

3.1.4 信号处理电路。红外辐射进过热释电红外探测器，将红外能量转变为电信号，进入信号处理电路。信号处理电路中最主要的核心组件就是单片机。单片机作为集成电路芯片，集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断等功能于一身，结合传感器技术可以实现温度监控的要求，并通过适当的接口完成对数字信息的处理和控制。

温度传感器将电信号输入到单片机，单片机处理后的数据输送显示电路。在单片机中设置预定温度，当检测温度高于设定温度时，发出异常预警。通过外接的自动遥信控制电路对温度信号进行采集、显示并实现升、降温和闭环自动控制等实时处理。

3.1.5 微控制器。基于非接触式红外测温的多功能智能监测冷却系统的重要组件就是微控制器，其工作水平直接关系到整体系统的性能高低。在该系统中，微处理器主要负责完成对传输数据的处理，输送显示以及配合智能无线监控终端、无线网络和手机APP等监控系统，网络传输数据。

3.1.6 故障判定方法。该系统对于高压电缆的故障预警，主要是基于温度变化产生的信号分析。通过远程的数据传输，可以采用的故障判定方法包括表面温度监测、温差变化分析、图像特征变化、实时数据预警、历史数据比较、同类数据比较等。不同的电力设备可以综合采用多种方式来对其运行状态进行检测和故障分析。

3.2 沼气氧气监测模块

利用非色散红外原理对CO2、CH4进行检测，技术较为成熟，应用较为广泛。可以采用双气体小模组，综合红外吸收气体检测技术和光电路设计，做出红外气体传感器。同时内置温度传感器，在必要时进行温度调整，通过外接电路，完成数据的处理和输出。在检测的气体含量超过设定的范围时，发出预警以便获得实时处理。

3.3 水位检测模块的设计

我国南方区域雨季长，降雨量大，电缆沟存在排水不及时，或堵塞后使得电缆长期浸泡在水中，而安全运行规定电缆只能短时浸泡在水中，所以电缆沟水位过高将严重影响电缆的安全运行。因此，需要配置水位监测，及时发现水位超限和处理；水位检测需要满足测量数据精准、可靠和抗干扰力强。选用基于ARMCortex-M3内核的微处理器为核心组件，以TC401感应式数字水位传感器为水位监测传感器，以JDZ05-1不锈钢翻斗式雨量传感器为雨量监测传感器，将搜集到的实时水位信息和雨量信息都通过电路传输至微处理器进行处理，并及时进行预警。

4 结语

电缆沟内红外测温监测系统运行的精准性主要受到三个方面的影响：环境辐射、设备发射率和大气衰减。因此根据该系统的功能实现要求，需要满足一些特定的指标。距离系数，在不同的监测距离内，目标物的测量直径不同，因此红外测温仪的距离应进一步调整，实现最优。发射率设置，系统需要选择合适的发射率来对测量精度进行修正，因此需要具备可调节的发射率设置功能。适当的外部接口，无论是沼气氧气监测模块、水位检测模块还是精密电路，都要实现与计算机通信的数据接口，以完成处理结果的交互传输。瞄准方式，为进一步精准目标物的准确位置，该系统还应带有激光瞄准功能，通过光斑发射使信息获得者进一步确定故障位置，为后期的维护和检修减小技术困难。测温修正，通过反复大量的实验数据比对，完成在软件上的测温结果修正，以进一步提高准确度。

高压电缆是电力设备的重要组成部分，其正常运行是供电网络安全可靠工作的基础保障。10kV电缆沟作为目前应用广泛的电力设施，对其运行状态进行实施监测，在其运行环境变化、运行状态不良和设备老化或异常之前，提前提到预警并安排检修和维护，是防止电力故障，造成维修技术困难的有效措施。基于非接触式红外测温的多功能智能监测系统，克服了传统接触式测温的不足，保证了温度监测的准确度和实时性，可以有效提高供电网络的运行效率和安全可靠性。

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作者简介：温伟光（1967-），男，广东清远人，广东电网有限责任公司清远供电局变电管理所班组技术负责人，高级技师，研究方向：变电站设备检修维护。

（责任编辑：黄银芳）