紅外測溫系統在變電站溫度監測中的應用

摘要：針對傳統測溫技術難以實現安全而有效地測量開關柜電纜連接接頭溫度的問題，提出了一種變電站紅外測溫系統，介紹了系統的組成、主要特點。結合供電局工程實際情況詳細介紹了監控中心在線測溫軟件的應用，通過實踐證明了系統的實時性和有效性，能夠為電力設備的安全運行提供可靠保障。

關鍵詞：紅外;開關柜;測溫;變電站

Abstract：In view of the traditional temperature measurement technology is difficult to achieve a safe and effective measure switchgear cable connector temperature problem，this paper proposes a substation infrared temperature measurement system，introduces the composition and main characteristics of the system. In combination with the practical situation of power supply bureau engineering monitoring center was introduced in detail the application online temperature measurement，the real-time and effectiveness is proved through practice，can provide reliable guarantee for the safe operation of power equipment.

Key words：Infrared;switchgear;Temperature measurement;substation

1" 前言

電力開關柜、斷路器、變頻器、GIS等高壓電力設備內部金屬連接頭是很容易出現接觸不良、插接偏心不正常等情況。這將導致接觸電阻過大，在大電流下該處發熱嚴重，其結果是接頭溫度異常，加劇接觸面氧化，使得接觸電阻進一步增大，形成惡性循環，發展到一定階段后，則會造成嚴重故障，破壞供電的安全可靠。因此，對接觸頭進行實時溫度監測，及時發現開關柜內的發熱點，實現故障的早期預測與報警對于保障設備安全和降低電網風險極為重要。

分布式光纖溫度傳感技術具有抗電磁場干擾、信號傳輸頻帶寬等特點。在電力系統中，這種光纖傳感技術在高壓電力電纜、電氣設備因接觸不良易產生發熱的部位、電纜夾層、電纜通道、大型發電機定子、大型變壓器、鍋爐等設施的溫度定點傳感場合具有廣泛的應用前景。另外，無線組網技術也即現在非常熱門的物聯網技術，通過Zigbee等無線組網方式可以省掉鋪設電纜的麻煩，搭建了一個多點、大范圍的無線傳感網絡，對多個點進行全天候的控制，大大節省了人力，提高了系統的安全監控能力^[1-6]。

電力設備連接部位，如：母排連接點、各種開關、斷路器、主變接點、穿墻套管接頭、高壓電纜接頭等，由于氣候冷熱變化、設備基礎變化、材料老化、銹蝕、松動等原因易造成接觸不良、接觸電阻增大，在電流通過時，容易燒壞設備，嚴重的甚至引起一次設備起火爆炸。雖然電力設備系統擁有完善的漏電、過壓、過流、短路等保護措施，但都不能全面解決系統中的局部過熱故障。通過對這些溫升故障點的運行狀態進行動態追蹤監測，不僅可以防止、杜絕此類事故的發生，而且亦為電力系統安全可靠分析和科學調度提供重要的決策依據。

傳統的測溫技術一般采用數據有線傳輸的方式，鋪設周期長、施工復雜，測量設備損壞時需要執勤人員進行現場巡視排查，以及重新鋪設線路，因此后期維護工作量較大，對人力、無力、財力的需求較高，特別是在監測點比較分散的封閉開關柜接點溫度監測時，許多傳統的測溫方法難以勝任。

2" 紅外測溫原理

光纖溫度傳感技術主要依據的是光纖的光時域反射（OTDR）原理以及光纖的背向拉曼散射（Raman Scattering）的溫度效應。當一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。因光纖內壁類似鏡子，故光脈在傳播中的每一點都會產生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反（亦可稱為背向）。這種背向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度（該點的光纖的環境溫度）越高，反射光的強度也越大。也就是說，背向反射光的強度可以反映出反射點的溫度。利用這個現象，若能測量出背向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理^[7-15]。

本文介紹的無效測溫系統是基于超高頻無線通信、現場總線技術（RS-485通信）、數據庫技術相結合的在線溫度監測系統，系統由系統由智能無線收發傳感模塊、現場數據處理主機、GPRS通信模塊、計算機通信組件、后臺監控機（上位機）、通訊協議轉換器及通訊線等組成。它可對變電站高壓開關柜上下觸頭以及電纜/母排的搭接處、低壓柜小母排進出線端子、斷路器觸頭以及主開關接點的危險溫度進行實時監測與管理。

3" 紅外測溫系統組成

系統拓撲結構如圖1所示。

系統主要由以下設備組成：

（1）高頻無線溫度收發單元

無線收發模塊是開關柜紅外測溫系統的基本單元，負責采集、發送和接收監測點的溫度值，發送模塊和接收模塊成組出現，其拓撲結構如圖2所示。所測溫度數據的傳輸及控制均采用先進的技術，滿足低功耗等性能要求。

圖1

圖2

無線收發單元的特點如下：

①模塊外殼采用高強度防火工程塑料，其溫度范圍0℃-200℃，模塊內部加注樹脂膠，擁有優秀的絕緣、防水、防氣、防腐能力。

②先進的微電子技術、無線射頻通訊技術，將各測溫采集模塊與發射模塊巧妙地結合在一起，獨有的低功耗設計、間歇的工作方式，保證發射模塊電池可使用5年以上。

③本收發射模塊選用無線高頻載波方式，一個接收模塊可同時接收1-12個發射模塊的數據，通信距離最遠可達80m。

④無線溫度傳感器直接安裝于開關柜動/靜觸頭、電纜接點外層、電纜或母排結合部。

⑤除完全的電氣隔離設計外、本模塊還通過了各種嚴格的測試，具有在強磁干擾、環境惡劣的地方正常工作的能力。

無線收發模塊性能參數：

①電池設計壽命在常溫下≥10年，高溫下≥3年;②精度：+1℃;③溫度采集頻率：每20～180s測量/發射一次;④采集模塊與接收模塊傳輸距離：≤100米;⑤測溫范圍：0-150℃⑥收發模塊短時耐受溫度：≤150℃;長期耐受溫度：≤90℃。

（2）現場數據處理機

現場數據處理機通過RS-485總線的方式與接收模塊進行通信，顯示和存儲發射模塊所測溫度數據，一般安裝在溫度預警工作站現場，通過現場數據處理機，執勤人員可以查詢監測點的歷史和實時溫度數據，方便現場人員進行設備管理。執勤人員可以現場設定監測點溫度警戒值，在溫度超過預警值時，現場數據處理機進行聲光報警提醒維護人員排除故障，防止發生事故。

現場數據處理機參數如下：

①工作溫度：-40-85℃;②工作濕度：5-95%RH;③工作功耗：5VA;④報警輸出口：繼電器無源輸出（2路常開）;⑤報警事件記錄：一共存儲24條報警記錄⑥當前溫度數據模擬曲線：≤24條，記錄溫度數據量≤1300個;⑦通訊方式：RS485（波特率1200、2400、4800、9600）;⑧通訊協議：MODBUS;⑨抗干擾能力符合：GB9254-1998、GB/T17626.2、GB/T17626.5;⑩外殼：金屬，IP30防護等級。

（3）GPRS數據傳輸模塊

為了方便進行統一管理，所有現場溫度數據最終都匯集到監控中心，而數據的傳輸一般都是采用RS-485通信電纜或者光纖等有線方式，而在電力設備比較分散的區域，鋪設通信光纜不但會耗費大量財力，而且占用大量場地，經濟效益較差，而且出現通信線路損壞時，難以檢測，維護壓力較大。采用GPRS通信則可以避免這些問題，它采用透明數據傳輸方式，通信不受地理環境限制，因此局內采用GPRS作為現場數據處理機與監控中心進行數據通信的方式。

本系統中使用的GPRS DTU是一款超低功耗無線數據傳輸設備，通過移動GPRS網絡實現高速、穩定、可靠的透明數據傳輸功能。產品采用具有防干擾輻射的金屬外殼以及高新能ARM9系列CPU打造而成，支持多數據中心同步接收數據，支持數據觸發上線以及超時自動斷線功能，具有良好的圖形化配置工具，適合在環境相對惡劣的電力工業領域下的無線數據傳輸。

GPRS DTU參數如下：

①工作溫度：-40-80℃;②低功耗設計：休眠功耗lt;1mA，待機功耗lt;15m，通信功耗lt;35mA，電源功耗：0.1mA;③串口保護：RS232/RS485/TTL/RS422，15KV ESD保護;④數據傳輸協議：TCP/IP協議;⑤I/O控制：6路報警輸入，6路輸出控制，支持短信報警;⑥操作系統支持：Linux、Unix、Windows;⑦通信網絡支持：GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、TD-SCDMA、HSPA+、LTE;⑧接收靈敏度lt;-107dBm;⑨發射功率：GSM850、900：lt;33dBm，GSM1800/1900：lt;30dBm;⑩通信帶寬：介于20Kbps與100Kbps之間。

（4）監控中心溫度在線監測與管理系統軟件

供電局監控中心搭建的溫度安全監測與管理系統，是基于無線技術的變電站級別電力系統溫升安全在線監測系統，可對開關柜、電力線纜、母線橋架、變壓器及重要電氣設備的溫升故障進行實時在線監測，能有效預防電力火災事故的發生。通過查詢系統的后臺電腦，值勤人員可直觀方便瀏覽本電力設備危險溫度電子分布圖、實時溫度值、溫度變化曲線，在電子地圖界面，值勤人員可快速方便的查找到報警點位置，及時發現和解除故障。系統具有如下特點：

①系統提供了一種低成本高效率的安全監測及管理模式：隨著科技的發展，人員、供用電系統、設備對安全的要求越來越高，隨著國家建設堅強智能電網步伐的加快，建立主動和被動相結合企業安全監測及管理系統，實為一種低成本、高效率的模式。

②系統采用了先進的無線傳輸技術、領先的信號采集處理模式，實現了系統的絕對的電氣隔離，英唐獨有專利技術的無線信號采集方法、嚴格的產品制造工藝，保證了系統的可靠性、穩定性及數據準確性。

③系統具有先進的程序設計：系統自動對數據進行分析，對產生危險溫度的故障進行分析并作相關提示，為運行人員進行電力設備/設施管理維護提供決策依據。

④可靠性設計：采用軍工級要求進行設備的生產與測試，具有防雷、防火、防爆、防潮的特點，全數字化電路及智能化處理策略，使本系統完全杜絕了誤報的可能。

監控軟件功能如下：

a）記錄式溫度巡檢

可以查詢每個變電所的各臺設備的不同監測點的溫度數據。

b）電子地圖式溫度巡檢

電子地圖根據現場的實際情況進行編輯得到，與系統的設備及變電所進行了關聯組態。系統根據用戶設置各監測點的報警參數，通過實時采樣的數據進行比較，發現達到報警狀態的監測點，在電子地圖進行聲光警訊報警，及自動發送手機短信。

在記錄式溫度巡檢界面或電子地圖式溫度巡檢界面中均可查詢實時數據曲線、實時溫度記錄、歷史數據曲線和歷史溫度記錄。系統能夠提供監測數據的統計能力和報表打印能力，能夠方便查詢每一個監測點的統計數據并打印統計報表;提供每一個監測點當前一段時間（時間區間可設定）的溫度變化曲線與統計圖表;提供多樣化數據查詢模式，查詢結果包括數據記錄列表、數據查詢統計圖表、溫度數據曲線、電子地圖等內容;可以在電子地圖上方便地調出各監測點的實時數據、歷史數據及監測圖表。

4" 結束語

目前該紅外測溫系統已在供電局10KV變電站投入使用，從工程應用實例看，系統所測溫度數據穩定性高，可靠性好。應用這套系統可以實時掌握變電站相關電力設備發熱情況，分析設備運行狀態及健康程度，對減少電力設備事故隱患的發生具有積極的意義。目前系統主要應用于監測密封式電纜連接接頭溫度，在以后的工作中，局里將就系統應用于室外高壓設備溫度監測的嘗試進行評估，爭取形成一套全方位的無線溫度監測體系，實現變電站所有重要電氣設備危險溫度實時在線監測的良好局面。

作者簡介：

戴書峰（1982年10月），男，助理工程師，臨滄局計量運維班班長，負責臨滄局計量中心電表計量運維工作

李強（1985年6月），男，助理工程師，臨滄局計量運維班副班長，負責臨滄局計量中心電表計量運維工作