配電柜紅外熱成像監測系統研究

代 康 王金帥 王一平 王鈞可 康 佳 王 尉

（1、國網東北分部綠源水力發電公司太平灣發電廠，遼寧 丹東118000 2、東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012）

1 概述

電氣火災是配電系統運行過程中的重要安全隱患，調查顯示，電氣火災在各類火災中占有較高的比例，并且可能會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失，影響人們的正常生產生活。而配電柜是電氣火災的高發部位，配電系統的安全穩定運行與人們的生產生活息息相關。電氣設備安全運行的火災隱患監測和排查也顯得尤為重要。

目前電力系統普遍采用的探測器分為點式感煙/感溫火災探測器、普通對射式感煙探測器以及纜式感溫探測器。其中，點式煙感探測器和普通對射式感煙探測器由于其報警機制，靈敏度較低，實用性較差，應用較少。

現階段，紅外探測技術應用范圍廣闊，技術相對成熟。尤其在電氣火災預警監控系統中，相對于傳統的火災監測方法，紅外熱成像技術具有很大的優異性。

2 系統構成

整個系統由數據感知系統、無線網絡傳輸系統、上位機應用系統三大部分組成。數據感知系統根據區域的實際情況分別于開關柜內部署紅外熱成像處理器、微處理器、無線時頻模塊等作為紅外熱成像監測終端，無線數據傳輸電臺作為無線傳輸系統基站進行平臺間的無線射頻通信。后端部署管理平臺、中心存儲、解碼、顯示等設備作為遠程數據監測中心。圖1 為基于設備溫度變化火災預警的原理框圖。

電氣設備在工作狀態下，由于電流、電壓的作用，存在電阻損耗發熱、介質損耗發熱和鐵損發熱。絕緣受潮、劣化、局部放電等導致電氣設備內部故障的產生，同時引起設備溫度的升高，設備溫度的變化也成為反映整體電氣性能和電氣設備火災隱患的重要因素。因此，可利用紅外熱成像監測裝置將被診斷設備的紅外輻射信號轉換為電信號，從而通過電信號接收設備對故障進行分析判別。

2.1 紅外熱成像防火系統的數據感知系統設計

圖1 配電柜火災預警監測系統原理框圖

紅外熱成像防火系統的數據感知系統一般由紅外熱成像終端和無線射頻通信兩部分組成。其中紅外熱成像監測終端由MLX90640 紅外熱成像傳感器、STM32 微處理器和E30-433T20D 無線射頻模塊組成。其中E30-433T20D 無線射頻收發模塊基于嵌入式高速低功耗單片機和高性能射頻芯片SI4438。采用高效的循環交織糾檢錯編碼，使得其抗干擾和靈敏度都大大提高。全感知系統安裝在開關柜內，負責開關柜內部熱信息的采集和處理。

2.2 紅外熱成像防火系統的無線網絡傳輸系統設計

紅外熱成像防火系統的傳輸分有線傳輸和無線傳輸兩種。對于配電柜防火監測信息的傳輸，采用無線網絡傳輸系統，由于無線傳輸方式施工簡便，成本低，一次性投入小，是配電柜紅外熱成像防火系統防火監控中首選。本文采用基于超窄帶調制技術的E90-DTU 數傳電臺，電臺一般工作在433MHz 頻段，通訊距離可達10km。內置功率放大器（PA）與低噪聲放大器（LNA），使得最大發射功率達到5W 的同時接收靈敏度也得到了一定程度的提升，與無雙內置放大器的產品相比，大大提升了整體的通信穩定性。

2.3 紅外熱成像防火系統的上位機應用系統設計

紅外熱成像防火系統的上位機應用系統作為整個防火監測系統的心臟，其性能直接關系到整個系統的正常運行，并且在設計時要充分考慮日后的系統擴容。紅外熱成像防火系統的上位機應用系統主要包括遠程無線收發系統和遠程數據監測中心。系統通過前端熱成像數據采集平臺對防火監控區域內配電柜進行視頻監控圖像采集，實現全方位監控，可對著火配電柜進行智能識別和定位，在應用端對采集的數據進行分析，當判定有火情時，防火系統的指揮中心將會馬上發出報警信號并將著火點的定位發送到監控室。及時通知相關值班人員及時清除火災隱患。

3 系統現場運行

為了驗證上述理論分析下系統運行的可行性，本研究組搭建了一套基于紅外熱成像技術的配電柜熱響應實驗測試系統。

為了反映配電柜在持續運行過程中瞬態熱變化過程，利用紅外熱像儀獲取了配電柜內部工作狀態下的紅外熱圖像，如圖2 所示。

圖2 電阻器工作狀態下的熱成像

由圖像可以看出，配電柜電氣火災綜合預警監測系統可以精確有效的反映配電柜內溫度的變化，并且及時作出反饋，具有良好的實用性。

4 結論

隨著紅外探測成像技術的不斷成熟，基于紅外熱成像技術進行溫度測量已在各個領域得到了廣泛的應用，并且均取得優異的實用效果。基于熱成像技術和現代化的無線網絡傳輸技術的配電柜電氣火災預警與監測系統，能夠實現對配電柜內部情況實時預警及監控，降低配電系統安全隱患，保障了人們的生命和財產安全。