基于红外测温技术的开关柜温度在线监测系统

云南电网有限责任公司昆明供电局 蒋羽鹏

赫胥尔于1800年首次发现了红外辐射，之后经过诸多科学家的研究探索辐射定律得以出现，为红外测温技术的发展奠定了基础。目前红外测温技术已相对完善成熟，在社会多个领域有了重要应用。相较于其他技术手段，红外测温技术可靠、精准、便捷且安全，具有较高的实用性，将其应用于开关柜温度监测十分合理可行。

1 红外测温技术原理与应用

1.1 测温原理

自然界一切温度高于绝对零度的物体，在分子热运动的作用下会不停向周围空间辐射电磁波，辐射出的电磁波也包含红外波。研究表明，当物体因分子热运动而温度升高时其辐射能量也增加，据此设计研究出单波段红外测温仪用以检测物体温度。实验证明，在物体温度升高后，短波方向会聚集较多辐射峰值波长，因而在使用高温测温仪对物体温度进行测量时多是从物体短波处测量，而在长波处测量低温。且物体温度变化会影响辐射能量的波长，一般情况下，长波处温度变化率、辐射能量变化率要小于短波处的变化率。根据这一规律，短波处工作的测温仪相对信噪比相对较高，也有较强的抗干扰性。

1.2 红外测温系统应用

红外测温系统主要是基于红外测温原理，将相关测温设备、智能化监测装置等有机结合构建出一个在线测温系统。在测温过程中，处于某一背景的目标所辐射的红外能量通过大气传输到红外测温仪，再通过测温仪的光学系统对能量进行聚集、使其集中到探测器，经过探测器的转化后辐射能量成为电信号，将电信号进行信号处理就能以数字化方式进行输出与显示，从而准确掌握目标物体的实际温度。当前可应用于红外测温系统的红外测温方式较多，如在线式测温、扫描式测温、光纤式测温等。在线式测温主要是将红外测温设备固定安装在相应地点，利用测温装置24小时不间断对目标物体的温度进行监测，便于实时、动态掌握物体温度。在红外测温系统中，固定的红外测温设备与计算机相互连接，保证了数据信息的处理与传输，使物体实际温度可得到准确显示。

系统中的扫描式测温方式，主要是使用扫描测温仪对场地内一条线上的物体温度进行测量监测[1]。将扫描测温仪与计算机相连，运用相应软件对物体温度进行转换与显示，确保能够得到真实、直观、清楚的物体温度信息。此外在当前的红外测温系统中双色（比色）测温仪也得到广泛的影响，这类测温设备主要是利用两个很窄的相近波段对同一物体的温度进行测量。在测量时，由于两波段间的距离较短，因此对最终的测量精度不会产生影响。同时相较于其它的测温仪器与设备还具有很强的抗干扰能力，在对物体温度进行检测时，周围环境中的粉尘、烟雾以及水汽等不会对测量过程及结果产生过大影响，甚至可对部分被遮挡住的目标进行测量，准确得到目标物体的实际温度。

2 开关柜温度影响分析

在供电系统中开关柜是母联、电缆及架空线的重要枢纽节点，主要承担电力系统配电及电能转换过程中开关的开合和保护任务[2]。在开关柜运行过程中，影响其状态及使用年限的因素较多，如设备的材质、制作工艺、安装技术、内外部环境等都会对设备运行状态产生一定影响。但在各类影响因素中温度对开关柜的影响最为显著，会影响开关柜的绝缘性能，使设备出现漏电事故的几率增加，也造成开关柜使用寿命缩短，让开关柜的运维成本上升。

根据电解质理论可知，温度对开关柜的绝缘性有着直接的影响，当温度变化时绝缘介质的绝缘电阻也会发生变化。一般情况下，绝缘介质的绝缘电阻与吸收随着温度的上升而下降。而导致这一变化产生的主因为：当绝缘介质的温度升高后，介质内部离子及电子的热运动就会加快，进而导致相应变化产生[3]。

此外，在绝缘介质自身温度较低情况下，介质中的水分与其他介质的结合会更加紧密，在此情况下，若绝缘介质温度升高就会带动水分子运动，在温度的作用下水分子朝两级延伸，从而导致绝缘介质的导电性增加，使电气设备的危险性增加。通过以上分析可知，温度会对开关柜的绝缘性、导电性，运行过程中的安全性以及稳定性产生实质性影响，因此做好对开关柜温度的在线监测具有重要意义。

开关柜的温度会影响设备内部潮湿度，而内部湿度又会对设备的绝缘性产生一定影响。经研究与实践证明，当开关柜温度较低、湿度较大时，开关柜出现闪络电压的几率就会增加，但如介质表面无凝露开关柜沿面闪络电压会出现明显下降。这是因为开关柜表面是否会出现凝露主要与开关柜的温度有很大关系，当开关柜温度较高时介质表面就不会有凝露出现，设备的运行状态也会相对稳定。根据实验可知，若开关柜的相对湿度低于60%闪络电压就有所提高。这是因为设备相对湿度提高后就意味着温度的下降，将设备温度下降到一定程度时设备的运行状态就会受到影响。在绝对湿度相同的情况下，温度越高，闪络电压越低，温度越低，闪络电压越高[4]。

开关柜在运行过程中，柜内接点（插头）接触位置偏移、动静触指弹簧松动或因材质不良而导致开关柜内的倒闸触头、母线排过渡点、电缆终端接头等关键部位严重发热，使开关柜运行状态受到严重影响。要想保证开关柜的正常稳定运行就需做好对开关柜温度的监测，通过开关柜的实时温度判断开关柜运行状态，分析开关柜中是否潜存有安全隐患，并根据具体温度数据及开关柜运行要求等采取有效措施对开关柜进行维护管理，使开关柜运行的安全性、稳定性得以提升。

3 基于红外测温技术的开关柜温度在线监测系统设计

3.1 系统构成与功能

基于红外测温技术设计一套开关柜温度在线监测系统，由系统自动、全程监测开关柜温度变化情况，并在必要时做出预警，以便运维人员能及时采取相应手段消除设备隐患，确保开关柜的正常稳定运行。该自动化在线温度监测系统主要由以下模块构成：GSM 遥信报警模块、数据采集模块、处理模块、显示模块及声光报警模块[5]。该系统中最关键的一项测温技术是红外测温技术，利用这一技术对开关柜的运行温度进行远距离、非接触式测量，达到实时监测开关柜运行温度，准确判断开关柜运行状态目的，为运维管理工作的开展提供准确参考依据。为获得相对理想的测温效果，将红外线测温装置安装在金属柜门内侧，由装置对开关柜在每一种环境条件下的温度数据进行采集、转换与显示，得到准确的设备温度信息。

系统中所用子红外线测温装置有很高的灵敏性与较强抗干扰性，能有效规避环境中烟气、粉尘等的影响而确保所测温度数据的准确性。同时还有很高的安全性与实用性，如当开关柜实际温度超过预定值或报警温度限定值时就会自动报警，提醒工作人员进一步检查开关柜温度异常原因并采取相应措施进行处理，避免出现大运行故障。系统中所用红外线测温装置还设计有GSM 遥信报警模块，若开关柜在运行过程中温度异常升高或降低，会自动采集设备温度数据并以短信形式发送给相关运维人员、负责人员，使其在最短时间内掌握到开关柜的异常情况并进入现场进行检查处理，让开关柜的运行故障得到有效消除。

此外，基于GSM 遥信报警技术的红外测温装置还能为运维人员查询短信提供支持，运维人员可通过红外测温装置远程查询开关柜实际运行温度，从而让整个运维管理工作更加便捷高效，让开关柜正常运行状态得到有效维护。

3.2 系统硬件部分设计

本系统主要由无线通信设备TC35及红外传感器MLX90614构成，无线通信TC35具有稳定性高、可靠性高、使用便捷、反映灵敏、安全有效等特点，能为红外线测温装置的温度数据采集、处理与传输、显示等工作提供很大帮助。基于这一硬件，温度在线监测系统得以实时、高效输送开关柜温度信息，为工作人员提供短信服务，为工作人员的运维管理工作提供便利。红外传感器MLX90614最显著的特点与优势是可实现远距离、非接触测温，测温装置内部的温度感应芯片十分灵敏，对-40℃及125℃内的温度都能做出灵敏反应与准确监测，因而十分适用于当前的开关柜温度在线监测。该装置还采用先进低噪音放大技术，能实现对各类信息的有效辨别，全面保证温度测量结果的准确性。

单片机芯片STC89C52RC 具有宽电压特点，能有效克服电源抖动给系统的影响，从而使系统更稳定、灵敏与精确地采集与分析开关柜温度数据，让系统在线测温功能得以实现，其抗干扰能力非常强，测温范围也相对较广，能控制其它模块完成对开关柜运行温度的在线监测，能根据实际情况实时发出报警信息。温度在线监测系统中的声光报警模块对灯光与声音的优点进行了结合，通过这一模块可在较短时间内确定系统报警来源，并通过对灯光信号的观察实现对故障的准确定位，让整个故障排查、分析、定位与处理过程更加有序且高效，让开关柜故障影响得到有效控制。红外测温装置通过强磁铁被固定在金属柜门内侧，不会对开关柜的正常运行造成影响，同时也便于检查与维护。

3.3 软件部分设计

系统软件部分主要由C 语言程序及用于远程查询开关柜实时温度数据的遥测功能模块构成。系统中的C 语言程序利用相关软件进行编辑，编辑时根据相关规范与要求，结合开关柜的结构特征、运行要求等设定出两个温度限定值，划分出三个温度状态，并设定好在不同温度状态下的灯光显示特征。如开关柜的温度处于正常状态时装置绿灯对温度状态进行显示，装置的蜂鸣器处于关闭状态；当开关柜温度异常升高且超出设定值时绿灯灭、黄灯显示；当开关柜严重高温时由红灯来显示高风险，引起工作人员注意并进入现场做进一步的分析处理。当开关柜的温度超出正常范围后，系统内蜂鸣器就开始运作发出声音以提醒工作人员，在设备高温风险极大的情况下，装置自动向运维人员发送报警信息或短信进行提醒。对在线温度监测系统进行初始化处理后，系统就会无限循环采集开关柜温度数据，为开关柜及电力系统的正常稳定运行提供保障。

3.4 实际应用

完成基于红外测温技术的开关柜温度在线监测系统的设计与建设后，将系统引进变电站内进行试运行。选定变电站内6个10kV 开关柜来检测系统的在线测温效果，判断系统是否具有较高的实际应用价值。在试运行工程中，在线监测系统能稳定、精准监测目标开关柜三项电缆接头的温度数据，监测效果相对理想，由红外测温装置采集到的温度数据全面、准确，在系统监测过程中开关柜温度正常，运行状态良好，未出现故障隐患。为对在线监测系统在故障情况下的监测功能及报警功能进行检查判断，利用相关技术手段模拟了开关柜高温情况。经检验得知，系统在开关柜温度出现异常时能灵敏采集到设备温度数据并根据设定程序发出报警信息，且工作人员能通过系统远程对开关柜实时温度数据进行查询，因而确定系统满足现场应用要求。

综上，加强开关柜温度监测是稳定开关柜运行状态，提高开关柜使用年限的重要举措。本文基于红外线测温技术设计的开关柜温度在线监测系统且经实验与实践证明具有较高的实际应用价值，系统能实现对开关柜运行温度的动态、准确监测，可对设备故障做出迅速报警。因而相关单位可考虑引进与应用该系统，为开关柜的正常稳定运行提供保障。