红外双视热像在线监控系统在海上平台的应用

邹 菁，胡 盼

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

0 引言

开关柜属于配电系统的重要组成部分。中、低压开关柜集成多种电气元件，结构紧凑、空间间隙小，且设备处于密封及带电状态，无法直观观察内部情况，安全风险大。中、低压开关柜通常工作在高电压或大电流状态或者设备本身含整流和功率元器件，会造成设备的某些部位发热，产生异常温升，如不及时处理最终会导致设备燃烧爆炸等事故。

1 研究背景

海上平台的高压盘、低压盘在海上孤岛电站电力系统发电、输电、配电、电能转换中起通断、控制等作用。高压盘、低压盘出现发热异常导致故障形成的过程是一个循序渐进的过程：处于不良工作环境中或自身出现异常情况时的高、低压盘接触面温度升高，同时电流发热效应的持续作用会促使触头温度逐渐提高。当这种温度升高趋势过快，致使触头温度高于绝缘套管的耐热设计标准时，会导致电流互感器或绝缘套管的损坏，造成接地或两相间短路，使得该发热故障的破坏力被放大蔓延到其他附属设备，造成供配电系统或者电力变压器的稳定性受到影响乃至出现火灾爆炸事故。如果异常发热度能得到及时有效的处理，会大幅度降低高压盘、低压盘的故障发生率，降低对供电可靠性的影响。因此，有必要给高压盘、低压盘配置温度实时在线监测系统，对温度参数进行监测，出现异常温度时及时预警。

2 检测手段

由于高、低压盘等设备处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境中，要实现对它们的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下工作的适应性，解决温度传感器的电位隔离、抗电磁干扰、小尺寸和便于安装等问题。目前常用的温度监测方法有以下3 种：

（1）热电偶测温。热电偶结构简单、使用方便，直接与被测对象接触，不受中间介质影响，但信号调理复杂，容易受杂散电场的噪声影响。

（2）手执式红外测温。通过手执式红外测温进行人工巡检效率低，主要依赖人工，无法实时监控以及数据管理，且存在带电作业风险。在以往的中、低压盘过热故障检测中，采用手执式红外测温仪进行人工巡检，不仅费时、费力，而且不易及时发现事故。

（3）红外在线测温系统。红外测温具备相应速度快、敏感度高、测量覆盖面广、非接触测量等优点，实现了无人化作业，可实时储存并及时智能报警，而且可事后查证。

3 系统设计原则

应用非接触式红外在线监测系统，可确保高、低压开关柜等重要设备安全稳定运行，杜绝运行中触头及母排、整流及功率元器件等过热引起短路、接地造成重大电力设备事故。

温度在线监测系统应有特点：①设备安全，保证安全距离，不能因安装监测系统而改变电气设计参数；②技术成熟，应选择技术先进，成熟稳定的温度监测系统；③安全可靠，应保证温度传感器出现故障时，不影响电气设备的安全运行。

4 红外在线测温模块工作原理及优点

4.1 系统主要参数（表1）

表1 红外在线测温模块主要参数

4.2 工作原理

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，红外辐射能量的大小与物体表面温度有着密切的关系。当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动存在而不断向四周辐射电磁波，其中就包含波段位于0.75～100 μm的红外线。其特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，物体的辐射能量越强，辐射峰值向短波方向移动，因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。红外测温技术就是基于这个基本物理原理（图1）。

图1 红外在线测温模块工作原理

4.3 主要优点

（1）满足现场设备全方位24 h 对设备表面温度的实时精确监控，出现超温情况准确定位故障部位，同时立足《带电设备红外诊断应用规范》，最终完成自动预警、自动录像、报告生成等智能分析监控工作。通过对监测数据的分析、判读、预警，极大限度地避免恶性停电事故发生，同时直观准确地判断设备事故缺陷

（2）该系统采用双视（可见光、红外）同步监测技术，实现可见光和红外双图像实时同视场吻合和融合功能，大大提高了故障部件的可识别率和定位率，降低测温区域的误测率。

（3）基于数字化网络的分布式系统架构。系统采用第三代全数字双视监控器，全程数字化及单一IP，大大简化了系统布线，降低安装维护成本，提高数据传输的可靠性。后端监控软件平台可随时随地接管前端摄像机，实现视频查看、模式调控以及触发报警设置。

（4）采用监测和控制中央（后端）处理，通过服务器对配电系统所有监控器统一数据采集、监测处理、控制，大大提高了系统的监控处理能力和效率，增强了软件功能可扩展性，简化了软件更新升级工作，降低系统维护成本。

（5）采用自由设定多预置位多监测区域，通过图形标识（点、线、圆、矩形、多边形）、设定滤除监测区域中非重点或存在干扰的部分，实现多目标跟踪和重点区域实时监测。同时，系统可根据各电器部件属性单独设置测温和报警参数，实时计算温度或温升的变化值或趋势并显示，提高了测温分析的准确度。

（6）前端监控装置主要安装于现场配电柜内部，降低人工打开柜门近距离接触带电设备所带来的风险，提高了无人值守监控系统的智能化水平。

（7）以智能电网发展前瞻为设计实施依据之一，系统在软硬件开发，多接口开放集成等功能开发过程中，可有效兼容变电站原有电力设备负载、环境监测、设备状态监控等数据，在统一的平台下进行有效的预前故障监测，给出适当的输变电设备事故处理措施及方案。

5 网络架构及说明

（1）网络架构：采用单以太网架构。非接触式红外在线测温模块与交换机之间通过屏蔽网线连接，各交换机之间通过铠装屏蔽网线互联，再通过铠装屏蔽网线、Modbus TCP/IP 通信协议将最高温、最低温、平均温度等数据实时传输至中控系统或第三方系统（图2）。

图2 红外在线测温系统网络架构

（2）安装方式：在每面中压盘盘后上方的母排室、下方的电缆室分别安装一台非接触式红外在线测温模块，在每面低压盘盘后安装一台非接触式红外在线测温模块。非接触式红外在线测温模块配备安装支架，实时监测母排及三相电缆接头的温度及周边的温度，形成锥形立体实时测温，实现温度逾限报警，有效避免中压盘母排室、电缆室及低压盘电缆室常年处于封闭带电运行状态下，无法直观观察内部元器件运行温度情况，导致发热、异常高温、冒烟、火灾等情况的发生。

（3）供电电源：工业级交换机及非接触式红外在线测温模块均支持DC 12 V 供电。由平台提供一路AC 220 V/AC 110 V交流电，通过AC 220 V/AC 110 V 转DC 12 V 的开关电源转换后统一给工业级交换机及红外在外测温模块供电。每一列中压盘提供一路AC 220 V/AC 110 V 交流电、每一段400 V 母线提供一路AC 220 V/AC 110 V 交流电。

（4）系统性能：采用工业级的非接触红外在线测温模块，探测器芯片采用进口品牌。设备为全金属外壳，同时具备红外热成像镜头和高清可见光镜头双镜头，并提供补光灯。红外热成像镜头用于红外实时测温，分辨率160×120；高清可见光镜头用于异常情况下的图像保存，分辨率1920×1080。测温范围达到-10～400 ℃，并具备温升报警功能。非接触红外在线测温模块具备RJ45 标准10/100/1000 M 自适应以太网网口、Modbus TCP/IP标准通信协议，可直接将最高温、最低温、平均温度等实时温度数据传输给中控系统或第三方监控系统。

（5）软件：提供红外在线测温系统软件或提供免费SDK 开发软件包，中控系统或第三方系统可以在SDK 开发软件包基础上进行二次开发。红外在线测温系统软件及客户端用于红外在线测温系统的实时监视、红外实时图像、历史数据、报警管理、用户管理、日志管理等。

6 实现功能

（1）对变压器、开关柜、UPS 等设备进行在线温度监测。

（2）实时红外图像展示（图3）

图3 红外实时图像

7 结束语

局部发热严重是电力系统出现故障的典型先兆，发现、处理不及时将导致电力系统故障。线红外热像仪能够实时监测电力系统运行情况，能够发现人察觉不到的隐患，为电力系统的安全运行提供保障。红外在线监测系统软件对前端监控设备进行监控、测量、分析，故障时触发报警，并完成对前端设备的配置管理，实现历史数据归档等功能，分析软件耗用资源少，客户端能自动预警，保证操作人员及时干预，避免电气火灾事故的发生。