高壓柜熱點溫度紅外監測與預警

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高壓柜熱點溫度紅外監測與預警

徐 鵬, 王正旭,張柏年,林高翔

（重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶,400054)

摘要：本文研究的內容是對工作環境惡劣條件下的高壓開關柜的溫度進行檢測與預警。對高溫高壓，強電磁干擾環境下的高壓開關柜進行溫度檢測和預警是一件不宜之事，為實現溫度的檢測本文主要通過利用高壓柜工作時母線排所輻射出的紅外波段強度進行對能量的判斷，使用紅外傳感器對能量信號進行采集，通過帶屏蔽罩的放大濾波電路將信號傳輸給增強型STM32F103 進行信號處理，經邏輯分析后預判此時的溫度安全性，并做出相應的指示。

關鍵詞：高壓開關柜；紅外；非接觸式；監測與預警

0　前言

由于經濟的快速發展,用電的需求量不斷激增，電壓等級不斷提高，這對于電力設備的工作性能來說是一個不小的挑戰。高壓開關柜是電力系統重要的電力設備，在開斷的動作中可能會出現高溫的拉弧現象,致使出現發熱的情況。但迄今為止，針對高壓強磁環境下的溫度監測技術都不是非常可靠。近幾年發電廠和變電站頻發開關柜過熱造成的火災及大面積的停電事故。這有悖于電力系統安全、可靠、穩定的基本運行要求。因此對高壓開關柜進行有效的溫度監測，防止此類事故發生，保障電力系統的安全穩定運行將對提高企業或單位的安全性有著積極和深遠的影響。

1　系統總體方案

系統利用紅外熱輻射原理，通過紅外接收器實時的檢測高壓開關柜輻射出的紅外線信號，并轉換為溫度信號。系統選用低功耗高精度的通用儀表放大器進行前級放大。經過濾波后的信號，進入到AD采樣模塊，再由STM32F103進行數據分析，從而實現對溫度信號的檢測和預警。

圖1　系統總體原理框架

2　原理分析

利用紅外來測溫的原理：對于理想的黑體物質,單位時間、單位面積上所輻射出的所有能量強度與體表溫度間能夠符合斯特潘－玻耳茲曼定理定律：

3　硬件部分

3.1紅外溫度傳感器

紅外溫度測試點和基準點間有溫度差,會感應出溫差電壓，溫差電壓和溫度差存在一定的非線性關系。其采集的輸出電壓以下式表示:

因為高壓柜母線連接處和開關觸頭工作時所對應的紅外峰值波長范圍在6～11 μm間，而8～14 μm間波段下的紅外線在大氣環境下被吸收的甚少。就這個波段的紅外線系統選用PerkinElmer公司生產的TPS534紅外溫度傳感器它具有創新的硅基微機械技術保證了極好的長期穩定性、極好的光電特性，它具有強紅外吸收能力和大的信號輸出，并且內部帶有熱敏電阻進行環境溫度補償，測量溫度的特點。

3.2放大電路

熱電堆溫度傳感器本身為無源器件,在0～200 ℃的測溫范圍內,其對應的輸出電壓只有毫伏級。對于如此微弱的溫度電壓信號，而且還在高壓開關柜所處的強電場和強磁場惡劣工作環境下，此信號是極易被淹沒在噪聲下，因此必須選擇高共模抑制比,低溫漂的運算放大器。前級放大器需要將放大倍數做到放大2000倍，讓放大信號達到5V的數量級。系統選擇使用功率損耗較低而且放大精度非常高的通用儀表放大器INA163PA。外部調節滑阻能夠完成1～5000間任何增益的調節。INA163PA的修正微調采用的激光技術，不但保證了精度非常高，而且也具有非常低的溫度漂移（0.5 μV/℃）、偏置電壓（50 mV）和高共模抑制比等優點，是在這種惡劣環境、微弱信號條件下最適合的放大電路芯片選擇。

3.3A/D轉換器部分

對于AD轉化模塊，系統采用壓頻變換型AD，其工作模式是間接轉換方式，首先將輸入的模擬量轉換為頻率信號量，再通過計數器統計頻率量從而得到數字量。系統用壓頻（A/D）轉換器AD650作為轉化芯片，其優點是功率損耗低、采樣的分辨率高、價格相對便宜。在實際工程現場的信號轉化中，特別是在高電壓、強電流的環境下的單片機工作系統中，為了保證系統的安全、轉化的準確性，強電必須和弱電進行分離。系統用V/F、F/V兩種不同的轉化技術進行組合應用，其原理框圖如圖2所示。

圖2　AD650模擬信號隔離傳輸原理框圖

放大濾波后用V/F電路進行轉化，變為頻率信號，轉化得到的頻率信號即為幅度穩定的脈沖信號可以通過光耦隔離進行傳輸，然后在對光耦接收到的信號進行F/V變換，其中一端口為模擬信號測試端，轉化輸出端口安全準確將信號傳輸給單片機進行處理。即實現了模擬信號的隔離傳輸，保證了信號的安全和可靠性。

4　軟件部分

圖3　系統軟件執行程序

通過硬件傳感器將采集的溫度信號轉換為電壓信號，再由AD650轉換后的信號由STM32F103進行數據讀取，對轉換的數字信號進行邏輯分析，判斷當前的安全溫度裕度。系統采用模塊化設計，開機系統進行初始化，配置定時器、中斷服務程序，定時器功能為喚醒STM32F103對采集到的信號進行處理運算，從而計算出溫度。圖3為系統軟件執行圖。

5　測試結果

5.1熱電堆的靜態標定

熱電堆輸出與被測量的函數關系在設計出廠時已確定，所以不能用于實際的測量中，靜態標定性能測試時精準校準傳感器的前提，它將構建起輸入與輸出間的關系。所以在傳感器的工程應用中一定要進行嚴格的靜態測試進行校準。

系統的靜態測試的目的是明確熱電堆輸出量與被測溫度間的函數關系。熱電堆TPS534的測溫范圍為-40～300℃。溫度調節器每40℃保證黑體輻射源的溫度穩定。測試得到靜態標定數據如表1所示：

使用Matlab對數據表中的溫度（T）-電壓(V)的特征值，進行最小二乘發擬合，依據擬合結果可得到六階擬合時，效果為最好，其擬合公式為：

對傳感器的靜態標定即可采用式（5）進行標定校準。

5.2系統整體功能測試

將系統各模塊連接好，接入熱電堆探測模塊和預警

指示模塊，在熱體發射器的不同溫度下測試系統的整體性能及預警狀態。測試結果如表2所示，系統可以完成對溫度變化進行檢測，能夠準確的對預警狀態進表行研判。

表2　系統整體測試表

測試結果：系統可以完成對溫度變化進行檢測，能夠準確的對預警狀態進行研判。

6　結束語

高壓柜是電力系統一次側至關重要的電力設備，它關系到電力系統的安全穩定運行。高電壓，大電流在高壓柜中流通，開關的接觸處存在高阻抗，由功率公式可知，高壓柜極易出現高溫危險，從而可能導致火災。所以對高壓柜進行溫度檢測是非常重要的，系統采用非接觸式傳感器進行對溫度進行采集，通過儀表放大器放大，由STM32F103 進行數據處理，對溫度狀態進行研判。很好的實現了對高壓柜溫度的檢測。

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Infrared monitoring and early warning of high temperature hot cabinet

Xu Peng,Wang Zhengxu,Zhang Bainian,Lin Gaoxiang

（College of Electronic Information & Automation, Chongqing University of Technology, Chongqing,400054,China）

Abstract：The content of this paper is the detection and early warning of high voltage switch cabinet for poor working environment under the conditions of the temperature.On the high temperature and high pressure,high voltage switch cabinet under intense electromagnetic interference environment temperature detection and warning is an unfavorable things,in order to realize the detection of the temperature mainly by infrared band intensity using high voltage cabinet work of energy radiated by the judgment of the use of infrared sensor,thermopile to collect energy signal,through with shield cover amplifying and filtering circuit transmits signal to the enhanced STM32F103signal processing, the logic analysis of pre judgment security after the temperature at this time,and make the corresponding indicator.

Keywords：high voltage switch cabinet;infrared;non-contact;monitoring and early warning

中圖分類號：TM591，TM76

文獻標識碼：A