一種高壓電柜紅外測溫報警系統的研究與實現

商紅桃　侯玉杰

摘 要： 電力系統中，高壓電柜是重要的控制和保護設備。為了提高設備運行的安全性、可靠性，提高設備運行管理水平，降低因停電檢修而造成的不必要的電能損失和人力、物力上的浪費，研制出了在線測溫報警系統。通過紅外傳感器探測溫度實現在線測溫報警，通過接收被測目標發出的紅外輻射來確定其溫度。目前，系統已經正式投入運行，效果良好，達到了預期的要求。

關鍵詞： 高壓電柜； 在線測溫； 系統設計； 報警系統

中圖分類號： TN830.1?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0143?03

Research and implementation of infrared temperature measurement

and alarm system for high?voltage electric cabinet

SHANG Hong?tao1， HOU Yu?jie2

（1. Changzhou Liu Guo?jun Branch， Jiangsu Union Technical Institute， Changzhou 213025， China； 2. Jiandong Polytechnic College， Changzhou 213022， China）

Abstract： In power system， high?voltage electric cabinet is an important control and protection equipment. To improve security and reliability of the equipment operation， enhance the equipment operation and management level， reduce waste of unnecessary energy losses， manpower and material resources caused by power?off maintenance， the online temperature measurement and alarm system was developed. The online temperature measurement and alarm are realized with the detected temperature by infrared sensor， and the temperature is determined by receiving infrared radiation which sent by the measured object. Currently the system is in operation with good effect. The prospective requirements were achieved.

Keywords： high?voltage electric cabinet； on?line temperature measurement； system design； alarm system

0 引 言

電力設備是電力系統的重要組成部分，電力設備的運行是否正常直接決定了電力系統能否可靠穩定運行，因此在日常維護中，對電力設備進行必要的檢修非常必要。傳統的電力設備檢修停留在定期停電檢修狀態，到了檢修時間，無論設備狀況和性能是否存在問題都要停電檢查，這給正常的電力系統運行造成了不必要的損失，降低了生產運行效率。近年來，隨著電子技術、控制技術、檢測技術和計算機技術的不斷發展，在線監測技術得到了廣泛的應用，電力設備的實時監測正在逐步取代傳統的停電檢修。隨著互聯網技術的發展，遠地通信、聯網傳輸和異地控制也已經成為現實。

電力設備的在線監測及時能提供設備運行過程中的暫態信息，并且及時發現和診斷設備存在的缺陷和安全隱患，可以減少或避免事故的發生，保障了電力設備和系統的安全、可靠運行。

高壓電柜是電力系統中一種常見的保護和控制裝置，保護作用是當設備或線路發生故障時，能將故障部分從電網中快速切除或隔離，以保證電網其他部分的正常運行；控制作用就是根據電網的運行要求，投入或退出相關的設備或線路。因此，電柜內部導電連接處會進行頻繁的動作，造成接觸處溫度升高，引起接觸處氧化，導致接觸電阻變大，繼而會出現局部熔焊或產生火花，殃及周圍絕緣材料，影響電柜工作的可靠運行。因此，對柜內觸點進行實時的溫度監測，實現過熱報警顯得非常必要。

本系統利用紅外傳感器實時探測電柜內觸點溫度，實現在線測溫報警，通過接收被測目標發出的紅外輻射來確定其溫度，范圍寬、動態響應快，且對被測溫場無干擾。

1 紅外測溫原理

1.1 紅外輻射原理

自然界中的任何物體，只要溫度高于絕對零度，總是不斷地向外發出紅外輻射，并以光的速度傳播能量。物體向外輻射的能量與物體的溫度和紅外輻射的波長有關。根據普朗克熱輻射定律可得到如圖1所示的絕對黑體在不同溫度下的光譜輻射曲線。

從圖1中可以看出，不同溫度下的曲線峰值點的波長[λ]和溫度[T]滿足維恩位移定律，即[λ?T=2 ]998 μm·K，溫度在300～500 K范圍內的物體，其紅外輻射的峰值波長約為5.8～9.66 μm。

根據斯忒藩一波耳茲曼定律，物體單位面積所發射的輻射功率為[W=εδT4，]實際物體的總輻射度與其熱力學溫度的4次方成正比，即物體的溫度越高，發出紅外輻射的能量也越大，而且只要溫度有微小變化，就可引起輻射能量明顯的變化。因此，通過測量物體自身輻射的紅外能量即可準確測定該物體的表面溫度。

1.2 紅外測溫原理

（1） 任何發熱的物體都會輻射紅外線，發出紅外輻射能量，紅外測溫正是根據這一原理對運行設備的表面溫度進行監測，根據設備溫度的高低分析判斷設備是否存在缺陷和故障。

（2） 不同材質的電氣設備發出的紅外輻射能量不同，紅外測溫儀能通過調整發射率對各種不同材質的電氣設備表面溫度進行監測。

2 系統結構及功能實現

2.1 系統總體結構

本實時監測報警系統主要包括測溫探頭、數據采集單元、數據處理單元和數據顯示參數設置單元等4個部分，總體結構框圖如圖2所示。

根據企業施工現場需求，在高壓電柜內共安裝了9個測溫探頭，分別用于采集電柜內9個三相隔離開關觸頭和導體連接頭的溫度。數據采集單元將探頭數據通過總線傳送至數據處理單元。數據處理單元將9個數據采集單元信息匯總，以ATMEL 8位C8051f410單片機作為數據處理芯片，并依據相關標準協議通過RS 485總線將系統與整個電站控制系統相連。數據顯示參數設置單元主要負責溫度的顯示和報警參數的設置，當溫度超過某一限定值時報警，同時將溫度數據和報警信號通過總線傳送至數據處理單元。

2.2 系統的硬件設計

2.2.1 測溫探頭設計

（1） 溫度傳感器的選擇

本模塊選用熱電堆作為溫度傳感器，被測物體發出的紅外輻射通過濾光片被傳感器黑體吸收，使得熱電堆的熱端受熱產生電勢，該電勢表征了被測物體與熱電堆冷端的溫差。

此外，傳感器內部雖自帶了一個熱敏電阻，它的輸出電壓可表征冷端溫度，但是為了減小探頭的體積，省去輸出冷端電壓的調理放大電路，采用數字溫度傳感器測量環境溫度代替熱敏電阻。

（2） 紅外濾光片的選擇

通常情況下，熱電堆傳感器都自帶有紅外濾光片，由于現場監測目標的溫度變化范圍為0～150 oC，根據維恩位移定律，故選取的紅外濾光片對波長為7.5～14 m的紅外輻射透過率不低于70%。

（3） 探頭的安裝

根據現場安裝要求，探頭的安裝方式如圖3所示，目標直徑為5 cm，測量距離為1.2 m，共安裝9個測溫探頭，選取帶透鏡的傳感器視場張角為7o，距離系數約為12[∶]1。此外，由于動靜觸頭外部均套有瓷套，而電柜實際運行時內外瓷套間有將近5 cm的間隙，安裝時可調整探頭的仰角以保證探頭能夠沿著間隙對準動觸頭。

（4） 探頭控制電路設計

本系統選用C8051f410單片機作為探頭部分的控制芯片，利用其片內自帶的12位A/D轉換器將調理放大后的溫差電勢轉換為數字信號，同時接收溫度傳感器DS18B20送入的環境溫度檢測信號，兩路信號經單片機處理后由串口輸出顯示，并經電平轉換后由485芯片將數據傳送至數據處理單元，邏輯框圖如圖4所示。

2.2.2 數據采集單元和處理單元的設計

根據系統監測要求，數據采集與處理單元的內部資源大體相同，在硬件設計上可兼顧兩者的需求設計成統一的電路。該單元選用ATMEL 8位C8051f410單片機作為主控芯片，外部擴展了64 KB的ROM和32 KB的RAM，分別用于程序存儲和數據寄存，該單片機內部自帶實時時鐘可記錄系統時間；選用128×64點陣液晶用于顯示操作界面、溫度數據及報警畫面；利用擴展的I/O口連接5個按鍵實現系統復位和相關的菜單操作；此外，控制芯片還具備看門狗功能，它能夠在程序出錯或外界干攏時對系統進行復位重啟。無論是數據采集單元還是數據處理單元，均處于整個系統的中間層，既要響應上層的召喚，又要接收下層的數據，因此，需要擴展單片機的串口，用于傳送采集的歷史數據。

2.3 系統的軟件設計

2.3.1 測溫探頭設計

本系統采用C語言編寫紅外測溫探頭程序，程序流程見圖5。主程序以查詢方式取得DS18B20和A/D轉換的數據，以中斷方式響應數據采集單元的召喚，每秒循環一次，并將處理后的數據上傳至數據采集單元。

2.3.2 數據采集單元和數據處理單元設計

數據采集單元和數據處理單元除了通信對象和數據處理方式不同外，其他的功能基本相同。主程序每秒循環一次，將接收到的數據加以處理。若溫度正常則繼續循環，若有異常則彈出報警畫面并閃動示警，同時以中斷方式與上下層進行網絡通訊。采用C語言進行程序設計，流程圖見圖6。

2.3.3 報警系統設計

系統出現報警主要有以下三種可能情況：觸點溫升在××分鐘內超過××℃；觸點溫度超過環境溫度××℃；兩相間觸頭溫度相差超過××℃。每種情況可以根據現場要求設置為兩種報警級別，通過按鍵設置，級別不同設置的超限值也不同，以便工作人員根據不同程度的報警形式進行相應的故障處理。

3 結 語

高壓電柜溫度實時監測系統可以在線監測柜內隔離開關觸頭及其他連接點的溫度，同時根據監測溫度發出不同級別的警報，用戶可以通過液晶查看各監測點的狀態，并通過鍵盤設置報警參數及環境參數。本系統測溫范圍為0～150 ℃，測溫距離為1.2 m，目前已經在揚州寶應某電器廠投入使用，運行情況良好，達到了預期的設計要求。

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