廣角紅外透鏡在封閉高壓開關柜溫度檢測上的應用

趙 云

(四川省電力公司阿壩公司，四川 阿壩 623200)

作為發電廠、變電站中的重要設備，高壓開關柜具有關合及開斷電力線、實現輸送及倒換電力負荷、退出故障設備和線段等功能，對保證電力系統安全運行起著舉足輕重的作用。但在長期運行過程中，柜內的觸點和母線排連接處等部位，常常因老化和接觸電阻過大而發熱，致使在高溫高負荷期間，由柜內觸頭過熱引起的燒柜事故時有發生。為保證開關設備與電力系統運行安全，有必要對封閉開關柜內部溫度進行嚴密準確的監測。

紅外測溫是檢測電力設備發熱的有力手段，但一般只用于敞開電力設備。對于大量運行的封閉開關設備而言，由于外殼的阻隔，需要在外殼上安裝紅外透鏡，才能使用紅外熱成像儀等進行發熱診斷。但迄今為止，絕大多數紅外透鏡的成本、尺寸、機械性能等諸項指標都不盡人意，嚴重影響了紅外透鏡在封閉電力設備內部測溫領域的推廣和應用。

隨著透鏡材料技術的發展，一種采用LLDPE樹脂的廣角Fresnel紅外透鏡可用于封閉開關設備紅外檢測，結合封閉開關設備的特點，需研究單面安裝的鏡框結構和安裝方法。

1 常規紅外透鏡的缺點

常規的紅外透鏡通常用單晶硅、單晶鍺、硒化鋅、硫化鋅等無機晶體材料加工而成，具有以下性能缺陷:①價格貴，直徑為60 mm的圓形鏡片，單價通常在千元以上，尺寸越大，價格越貴;②加工難，尺寸小。無機晶體材料的加工極為困難，導致此類紅外透鏡的直徑一般不超過100 mm，再大，則很難加工成功。此類尺寸的紅外透鏡，觀察范圍較為有限，難以全面監測封閉開關設備內部的發熱情況;③機械性能差，無機晶體材料紅外透鏡機械強度與韌性較差，容易破碎，以致給設備外殼留下空洞，造成安全隱患;④表面硬度很低，容易磨花。如果透鏡表面有污穢或灰塵，只能用軟棉布沾無水酒精輕輕檫拭;⑤穩定性差，易水解，不耐酸堿的腐蝕，不能在有污染和濕度大的環境下長期工作。

這些技術問題嚴重影響了紅外檢測技術在封閉開關設備上的推廣應用，成為了該類設備發熱狀態檢測和狀態檢修的障礙。

2 LLDPE樹脂廣角Fresnel紅外透鏡的原理

LLDPE樹脂材料物理化學性能穩定，能克服無機晶體材料上述缺陷。在紅外光學性能方面，不僅有較高的長波紅外線透過率，而且其折射率大約為1.5，在沒有鍍膜的情況下其反射損失為10%，不需要像無機晶體材料如單晶硅材料那樣需要在表面鍍以昂貴的增透膜來減少反射損失。其光學透過率曲線如圖1所示。

圖1 LLDPE樹脂材料的光學透過曲線

鑒于此，采用LLDPE樹脂，研制加工出一種用于封閉開關設備紅外檢測的廣角Fresnel紅外透鏡。在加工時，先將LLDPE樹脂材料熱壓成是厚度為0.38 mm的薄膜，兩面為平面，再采用了準分子激光微加工系統加工成負焦距Fresnel透鏡。準分子激光微加工系統的加工能力可使透鏡加工按最優光學方案進行:透鏡采用完全非球表面，而沒采用圓錐形的齒槽;采用非周期的齒槽結構，即在徑向單位長度內具有變化的齒槽數，從透鏡邊緣到中心，齒槽數是減少的，而沒采用在徑向單位長度內具有固定的齒槽數的結構;同時又保持所有齒槽的深度不變。這些措施減少了不確定的散射和衍射，減少了透鏡光學誤差，提高了透鏡成像質量和對特定波長范圍光線的透過率。通過在兼顧成像質量的前提下，根據封閉開關設備的尺寸和檢測范圍來確定適當透鏡的負焦距，擴大了視角。配合鏡框安裝于封閉開關設備外殼適當位置，在其狹窄的空間內可使觀察范圍擴大2至4倍。該透鏡的部分光學結構如圖2、圖3所示。

圖2 廣角Fresnel紅外透鏡中央3D形狀圖

圖3 廣角Fresnel紅外透鏡齒槽剖面的掃描電子顯微照片

3 LLDPE樹脂廣角Fresnel紅外透鏡的安裝

該透鏡構件的結構采用如下方案:廣角紅外透鏡安裝在金屬外框上，用密封膠密封并與金屬外框固定在一起，金屬外框上有孔，安裝時根據紙鉆模所示位置在封閉開關設備面板上鉆孔，用手動抽芯鉚槍和高強度不銹鋼抽芯封閉鉚釘將金屬外框緊固于封閉開關設備面板。金屬蓋板通過螺紋和金屬外框連接，紅外透鏡的防護等級達到IP65，高于封閉開關設備的防護等級。所以安裝窗口不會改變封閉開關設備的安全性。并完全符合DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷技術應用導則》的要求。

由于封閉開關設備內部空間狹窄，安裝紅外透鏡時操作人員及工具往往不能抵達封閉開關設備面板背面。因此開發出相應的單面安裝方法，既不用進入，也不需要用手或工具伸入封閉開關設備里面，就可完成紅外透鏡安裝。相應安裝流程如下:①準備如下安裝工具:不干膠紙鉆模、錘子、鏨子、電鉆、4.2 mm鉆花、開孔器、圓銼、手動抽芯鉚槍;②按紅外透鏡尺寸，用不干膠紙鉆印制紙模，并將其貼于安裝處;③用鏨子標注中心孔和安裝孔位置;④用電鉆安裝4.2 mm鉆花鉆中心孔和3個安裝孔;⑤用開孔器在中心孔所示位置開圓孔;⑥用圓銼打磨切口毛刺，并用防銹漆涂抹切口;⑦用手動抽芯鉚槍和高強度不銹鋼抽芯封閉鉚釘緊固紅外透鏡于面板。

安裝好的LLDPE樹脂廣角Fresnel紅外透鏡結構與位置如圖4所示。

圖4 廣角Fresnel紅外透鏡安裝結構示意圖

4 現場試驗

為檢驗該觀測窗與紅外熱成像儀配合測量柜內溫度的效果，專門進行了現場安裝及測溫試驗。在現場安裝中，為保證封閉開關設備的安全，窗口的防護等級達到IP65，高于封閉開關設備的防護等級。

安裝在XGN2-12型箱型固定式交流金屬封閉開關設備上的FRESNEL透鏡具有如下參數:直徑為φ40 mm;Fresnel透鏡直徑為φ30mm;材質為LLDPE樹脂;厚度為0.38 mm;焦距為-330 mm;增加視角為15°。通過測溫，得出了柜內被測銅排及接頭區域詳盡全面的溫度分布云圖，如圖5所示。

該試驗表明，將廣角Fresnel紅外透鏡用單面安裝法安裝于封閉設備外殼的適當位置，與紅外熱成像儀相結合，能夠很方便地得到高壓開關柜內部設備詳盡全面的溫度分布情況。

圖5 測溫所得柜內銅排及接頭的溫度分布云圖

5 結論

綜上所述，所發明的廣角Fresnel紅外透鏡，結構堅固耐用，觀察范圍寬廣，便于單面安裝，可以方便安全地實現封閉開關設備大面積、大范圍的紅外發熱在線監測，為狀態檢修提供有力依據。

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