10kV電纜溝多功能監測冷卻智能系統研究

溫偉光　李維立　張方海　賴家文

摘要：文章研發了一種基于紅外測溫技術的10kV電纜溝多功能智能監測系統，利用紅外測溫裝置，在溫度超出設定范圍后智能啟動通風冷卻設備，并設置溫度異常輔助報警系統；此外還增加了沼氣、氧氣及水位監測模塊，對異常環境進行預警，并通過智能終端對該系統進行監測控制，實現多功能智能監測的目標。

關鍵詞：紅外測溫；電纜溝；智能檢測；冷卻設備；通風冷卻裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM72 文章編號：1009-2374（2017）01-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.006

1 概述

隨著國家經濟和電力技術的發展，高壓電纜因其節省空間，傳輸量大等優點而被廣泛應用。變電站內10kV的高壓電纜是目前電纜溝內最常見也是最重要的設備之一。長期在高電壓和大電流的運行狀態下工作，這些設備的運行情況與溫度和濕度有著密切的關系。廣東地區在4～9月常常面臨酸雨、熱浪的嚴峻考驗，這些地區的電纜溝長期在此環境工作，電纜絕緣老化和損壞的幾率大大增加，載流量大幅降低，使用壽命縮短，甚至因為設備局部過熱而造成停電故障，封閉環境也對電力維護人員造成搶修困難，因此急需尋找切實可行的方法來解決這一問題。

本文基于紅外測溫技術，擬研制一種10kV電纜溝多功能智能監測冷卻系統，利用紅外測溫非接觸式傳感器，在溫度超出設定范圍后智能啟動；在系統中設計沼氣、氧氣及水位監測模塊，對異常環境進行預警；通過智能無線監控終端、無線網絡、手機APP的監控系統等軟件，實現遠程集中監測和控制，完成參數設置、數據采集與分析、預警、報警及啟動冷卻裝置等功能。

2 系統工作原理及功效

2.1 紅外測溫傳感器工作原理

高于絕對零度的物質都會向外輻射紅外線，不同大小的紅外能量具有不同的紅外線波長分布，因此對物質紅外線波長進行測量，就能確定該物質的表面溫度。

紅外測溫傳感器的工作原理，簡單來說，就是通過對物體兩點之間的溫度差產生的電效應進行探測。物體兩點之間如果發生了溫度差，則會有電壓產生，電壓和溫度差之間存在函數關系。基于這一原理，通過紅外接收元件，以單片機為核心，配合采集電路、存儲電路、顯示電路等外圍電路，搜集紅外熱輻射，將溫度差轉換為電壓信號輸出。

2.2 系統功能分析

10kV電纜溝多功能智能監測系統基于紅外測溫技術，其功能需要滿足以下四點：

2.2.1 采用紅外測溫采集信號作系統計算和觸發預警，在溫度超出設定范圍后智能啟動強制通風冷卻設備。

2.2.2 采用改善空氣循環方式減低電纜溝運行溫度與濕度，在系統中設計沼氣、氧氣及水位監測模塊，對異常環境進行預警。

2.2.3 采用單片機技術和自動遙信技術做溫度異常預警及實時處理，對溫度信號進行采集、顯示并實現升、降溫和閉環自動控制等。

2.2.4 通過智能無線監控終端、無線網絡、手機APP的監控系統等軟件，實現集中監測和控制。

3 智能監測冷卻系統

3.1 紅外測溫模塊結構

紅外測溫多功能智能監測系統主要包括光學系統、調制盤、熱釋電紅外探測器、信號處理電路、微控制器、顯示輸出電路及網絡輸出電路。

3.1.1 光學系統。該部分主要是搜集目標物的紅外輻射能量，利用具有特殊光學原理的透鏡，使紅外信號以脈沖形式輸入，完成對目標物的紅外輻射能量搜集。

3.1.2 調制盤。調制盤主要用于空間濾波，將恒定的輻射通量轉化為交變式，對目標物的空間位置進行確定，以此排除環境干擾，保證紅外測溫系統的精確度。

3.1.3 熱釋電紅外探測器。熱釋電紅外探測器也就是紅外光傳感器，當熱電元件受到光照時產生熱能，受熱晶體兩端產生數量相等符號相反的電荷，帶上負載就會輸出電壓信號，產生電流。當環境溫度變化時，晶體參數發生改變，從而進行預警。可在該部分設置雙傳感探測元、干涉濾光片和場效應管，以盡可能地減少干擾和誤差。

3.1.4 信號處理電路。紅外輻射進過熱釋電紅外探測器，將紅外能量轉變為電信號，進入信號處理電路。信號處理電路中最主要的核心組件就是單片機。單片機作為集成電路芯片，集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷等功能于一身，結合傳感器技術可以實現溫度監控的要求，并通過適當的接口完成對數字信息的處理和控制。

溫度傳感器將電信號輸入到單片機，單片機處理后的數據輸送顯示電路。在單片機中設置預定溫度，當檢測溫度高于設定溫度時，發出異常預警。通過外接的自動遙信控制電路對溫度信號進行采集、顯示并實現升、降溫和閉環自動控制等實時處理。

3.1.5 微控制器。基于非接觸式紅外測溫的多功能智能監測冷卻系統的重要組件就是微控制器，其工作水平直接關系到整體系統的性能高低。在該系統中，微處理器主要負責完成對傳輸數據的處理，輸送顯示以及配合智能無線監控終端、無線網絡和手機APP等監控系統，網絡傳輸數據。

3.1.6 故障判定方法。該系統對于高壓電纜的故障預警，主要是基于溫度變化產生的信號分析。通過遠程的數據傳輸，可以采用的故障判定方法包括表面溫度監測、溫差變化分析、圖像特征變化、實時數據預警、歷史數據比較、同類數據比較等。不同的電力設備可以綜合采用多種方式來對其運行狀態進行檢測和故障分析。

3.2 沼氣氧氣監測模塊

利用非色散紅外原理對CO2、CH4進行檢測，技術較為成熟，應用較為廣泛。可以采用雙氣體小模組，綜合紅外吸收氣體檢測技術和光電路設計，做出紅外氣體傳感器。同時內置溫度傳感器，在必要時進行溫度調整，通過外接電路，完成數據的處理和輸出。在檢測的氣體含量超過設定的范圍時，發出預警以便獲得實時處理。

3.3 水位檢測模塊的設計

我國南方區域雨季長，降雨量大，電纜溝存在排水不及時，或堵塞后使得電纜長期浸泡在水中，而安全運行規定電纜只能短時浸泡在水中，所以電纜溝水位過高將嚴重影響電纜的安全運行。因此，需要配置水位監測，及時發現水位超限和處理；水位檢測需要滿足測量數據精準、可靠和抗干擾力強。選用基于ARMCortex-M3內核的微處理器為核心組件，以TC401感應式數字水位傳感器為水位監測傳感器，以JDZ05-1不銹鋼翻斗式雨量傳感器為雨量監測傳感器，將搜集到的實時水位信息和雨量信息都通過電路傳輸至微處理器進行處理，并及時進行預警。

4 結語

電纜溝內紅外測溫監測系統運行的精準性主要受到三個方面的影響：環境輻射、設備發射率和大氣衰減。因此根據該系統的功能實現要求，需要滿足一些特定的指標。距離系數，在不同的監測距離內，目標物的測量直徑不同，因此紅外測溫儀的距離應進一步調整，實現最優。發射率設置，系統需要選擇合適的發射率來對測量精度進行修正，因此需要具備可調節的發射率設置功能。適當的外部接口，無論是沼氣氧氣監測模塊、水位檢測模塊還是精密電路，都要實現與計算機通信的數據接口，以完成處理結果的交互傳輸。瞄準方式，為進一步精準目標物的準確位置，該系統還應帶有激光瞄準功能，通過光斑發射使信息獲得者進一步確定故障位置，為后期的維護和檢修減小技術困難。測溫修正，通過反復大量的實驗數據比對，完成在軟件上的測溫結果修正，以進一步提高準確度。

高壓電纜是電力設備的重要組成部分，其正常運行是供電網絡安全可靠工作的基礎保障。10kV電纜溝作為目前應用廣泛的電力設施，對其運行狀態進行實施監測，在其運行環境變化、運行狀態不良和設備老化或異常之前，提前提到預警并安排檢修和維護，是防止電力故障，造成維修技術困難的有效措施。基于非接觸式紅外測溫的多功能智能監測系統，克服了傳統接觸式測溫的不足，保證了溫度監測的準確度和實時性，可以有效提高供電網絡的運行效率和安全可靠性。

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作者簡介：溫偉光（1967-），男，廣東清遠人，廣東電網有限責任公司清遠供電局變電管理所班組技術負責人，高級技師，研究方向：變電站設備檢修維護。

（責任編輯：黃銀芳）