基于紅外測溫技術的開關柜溫度在線監測系統

云南電網有限責任公司昆明供電局 蔣羽鵬

赫胥爾于1800年首次發現了紅外輻射，之后經過諸多科學家的研究探索輻射定律得以出現，為紅外測溫技術的發展奠定了基礎。目前紅外測溫技術已相對完善成熟，在社會多個領域有了重要應用。相較于其他技術手段，紅外測溫技術可靠、精準、便捷且安全，具有較高的實用性，將其應用于開關柜溫度監測十分合理可行。

1 紅外測溫技術原理與應用

1.1 測溫原理

自然界一切溫度高于絕對零度的物體，在分子熱運動的作用下會不停向周圍空間輻射電磁波，輻射出的電磁波也包含紅外波。研究表明，當物體因分子熱運動而溫度升高時其輻射能量也增加，據此設計研究出單波段紅外測溫儀用以檢測物體溫度。實驗證明，在物體溫度升高后，短波方向會聚集較多輻射峰值波長，因而在使用高溫測溫儀對物體溫度進行測量時多是從物體短波處測量，而在長波處測量低溫。且物體溫度變化會影響輻射能量的波長，一般情況下，長波處溫度變化率、輻射能量變化率要小于短波處的變化率。根據這一規律，短波處工作的測溫儀相對信噪比相對較高，也有較強的抗干擾性。

1.2 紅外測溫系統應用

紅外測溫系統主要是基于紅外測溫原理，將相關測溫設備、智能化監測裝置等有機結合構建出一個在線測溫系統。在測溫過程中，處于某一背景的目標所輻射的紅外能量通過大氣傳輸到紅外測溫儀，再通過測溫儀的光學系統對能量進行聚集、使其集中到探測器，經過探測器的轉化后輻射能量成為電信號，將電信號進行信號處理就能以數字化方式進行輸出與顯示，從而準確掌握目標物體的實際溫度。當前可應用于紅外測溫系統的紅外測溫方式較多，如在線式測溫、掃描式測溫、光纖式測溫等。在線式測溫主要是將紅外測溫設備固定安裝在相應地點，利用測溫裝置24小時不間斷對目標物體的溫度進行監測，便于實時、動態掌握物體溫度。在紅外測溫系統中，固定的紅外測溫設備與計算機相互連接，保證了數據信息的處理與傳輸，使物體實際溫度可得到準確顯示。

系統中的掃描式測溫方式，主要是使用掃描測溫儀對場地內一條線上的物體溫度進行測量監測[1]。將掃描測溫儀與計算機相連，運用相應軟件對物體溫度進行轉換與顯示，確保能夠得到真實、直觀、清楚的物體溫度信息。此外在當前的紅外測溫系統中雙色（比色）測溫儀也得到廣泛的影響，這類測溫設備主要是利用兩個很窄的相近波段對同一物體的溫度進行測量。在測量時，由于兩波段間的距離較短，因此對最終的測量精度不會產生影響。同時相較于其它的測溫儀器與設備還具有很強的抗干擾能力，在對物體溫度進行檢測時，周圍環境中的粉塵、煙霧以及水汽等不會對測量過程及結果產生過大影響，甚至可對部分被遮擋住的目標進行測量，準確得到目標物體的實際溫度。

2 開關柜溫度影響分析

在供電系統中開關柜是母聯、電纜及架空線的重要樞紐節點，主要承擔電力系統配電及電能轉換過程中開關的開合和保護任務[2]。在開關柜運行過程中，影響其狀態及使用年限的因素較多，如設備的材質、制作工藝、安裝技術、內外部環境等都會對設備運行狀態產生一定影響。但在各類影響因素中溫度對開關柜的影響最為顯著，會影響開關柜的絕緣性能，使設備出現漏電事故的幾率增加，也造成開關柜使用壽命縮短，讓開關柜的運維成本上升。

根據電解質理論可知，溫度對開關柜的絕緣性有著直接的影響，當溫度變化時絕緣介質的絕緣電阻也會發生變化。一般情況下，絕緣介質的絕緣電阻與吸收隨著溫度的上升而下降。而導致這一變化產生的主因為：當絕緣介質的溫度升高后，介質內部離子及電子的熱運動就會加快，進而導致相應變化產生[3]。

此外，在絕緣介質自身溫度較低情況下，介質中的水分與其他介質的結合會更加緊密，在此情況下，若絕緣介質溫度升高就會帶動水分子運動，在溫度的作用下水分子朝兩級延伸，從而導致絕緣介質的導電性增加，使電氣設備的危險性增加。通過以上分析可知，溫度會對開關柜的絕緣性、導電性，運行過程中的安全性以及穩定性產生實質性影響，因此做好對開關柜溫度的在線監測具有重要意義。

開關柜的溫度會影響設備內部潮濕度，而內部濕度又會對設備的絕緣性產生一定影響。經研究與實踐證明，當開關柜溫度較低、濕度較大時，開關柜出現閃絡電壓的幾率就會增加，但如介質表面無凝露開關柜沿面閃絡電壓會出現明顯下降。這是因為開關柜表面是否會出現凝露主要與開關柜的溫度有很大關系，當開關柜溫度較高時介質表面就不會有凝露出現，設備的運行狀態也會相對穩定。根據實驗可知，若開關柜的相對濕度低于60%閃絡電壓就有所提高。這是因為設備相對濕度提高后就意味著溫度的下降，將設備溫度下降到一定程度時設備的運行狀態就會受到影響。在絕對濕度相同的情況下，溫度越高，閃絡電壓越低，溫度越低，閃絡電壓越高[4]。

開關柜在運行過程中，柜內接點（插頭）接觸位置偏移、動靜觸指彈簧松動或因材質不良而導致開關柜內的倒閘觸頭、母線排過渡點、電纜終端接頭等關鍵部位嚴重發熱，使開關柜運行狀態受到嚴重影響。要想保證開關柜的正常穩定運行就需做好對開關柜溫度的監測，通過開關柜的實時溫度判斷開關柜運行狀態，分析開關柜中是否潛存有安全隱患，并根據具體溫度數據及開關柜運行要求等采取有效措施對開關柜進行維護管理，使開關柜運行的安全性、穩定性得以提升。

3 基于紅外測溫技術的開關柜溫度在線監測系統設計

3.1 系統構成與功能

基于紅外測溫技術設計一套開關柜溫度在線監測系統，由系統自動、全程監測開關柜溫度變化情況，并在必要時做出預警，以便運維人員能及時采取相應手段消除設備隱患，確保開關柜的正常穩定運行。該自動化在線溫度監測系統主要由以下模塊構成：GSM 遙信報警模塊、數據采集模塊、處理模塊、顯示模塊及聲光報警模塊[5]。該系統中最關鍵的一項測溫技術是紅外測溫技術，利用這一技術對開關柜的運行溫度進行遠距離、非接觸式測量，達到實時監測開關柜運行溫度，準確判斷開關柜運行狀態目的，為運維管理工作的開展提供準確參考依據。為獲得相對理想的測溫效果，將紅外線測溫裝置安裝在金屬柜門內側，由裝置對開關柜在每一種環境條件下的溫度數據進行采集、轉換與顯示，得到準確的設備溫度信息。

系統中所用子紅外線測溫裝置有很高的靈敏性與較強抗干擾性，能有效規避環境中煙氣、粉塵等的影響而確保所測溫度數據的準確性。同時還有很高的安全性與實用性，如當開關柜實際溫度超過預定值或報警溫度限定值時就會自動報警，提醒工作人員進一步檢查開關柜溫度異常原因并采取相應措施進行處理，避免出現大運行故障。系統中所用紅外線測溫裝置還設計有GSM 遙信報警模塊，若開關柜在運行過程中溫度異常升高或降低，會自動采集設備溫度數據并以短信形式發送給相關運維人員、負責人員，使其在最短時間內掌握到開關柜的異常情況并進入現場進行檢查處理，讓開關柜的運行故障得到有效消除。

此外，基于GSM 遙信報警技術的紅外測溫裝置還能為運維人員查詢短信提供支持，運維人員可通過紅外測溫裝置遠程查詢開關柜實際運行溫度，從而讓整個運維管理工作更加便捷高效，讓開關柜正常運行狀態得到有效維護。

3.2 系統硬件部分設計

本系統主要由無線通信設備TC35及紅外傳感器MLX90614構成，無線通信TC35具有穩定性高、可靠性高、使用便捷、反映靈敏、安全有效等特點，能為紅外線測溫裝置的溫度數據采集、處理與傳輸、顯示等工作提供很大幫助。基于這一硬件，溫度在線監測系統得以實時、高效輸送開關柜溫度信息，為工作人員提供短信服務，為工作人員的運維管理工作提供便利。紅外傳感器MLX90614最顯著的特點與優勢是可實現遠距離、非接觸測溫，測溫裝置內部的溫度感應芯片十分靈敏，對-40℃及125℃內的溫度都能做出靈敏反應與準確監測，因而十分適用于當前的開關柜溫度在線監測。該裝置還采用先進低噪音放大技術，能實現對各類信息的有效辨別，全面保證溫度測量結果的準確性。

單片機芯片STC89C52RC 具有寬電壓特點，能有效克服電源抖動給系統的影響，從而使系統更穩定、靈敏與精確地采集與分析開關柜溫度數據，讓系統在線測溫功能得以實現，其抗干擾能力非常強，測溫范圍也相對較廣，能控制其它模塊完成對開關柜運行溫度的在線監測，能根據實際情況實時發出報警信息。溫度在線監測系統中的聲光報警模塊對燈光與聲音的優點進行了結合，通過這一模塊可在較短時間內確定系統報警來源，并通過對燈光信號的觀察實現對故障的準確定位，讓整個故障排查、分析、定位與處理過程更加有序且高效，讓開關柜故障影響得到有效控制。紅外測溫裝置通過強磁鐵被固定在金屬柜門內側，不會對開關柜的正常運行造成影響，同時也便于檢查與維護。

3.3 軟件部分設計

系統軟件部分主要由C 語言程序及用于遠程查詢開關柜實時溫度數據的遙測功能模塊構成。系統中的C 語言程序利用相關軟件進行編輯，編輯時根據相關規范與要求，結合開關柜的結構特征、運行要求等設定出兩個溫度限定值，劃分出三個溫度狀態，并設定好在不同溫度狀態下的燈光顯示特征。如開關柜的溫度處于正常狀態時裝置綠燈對溫度狀態進行顯示，裝置的蜂鳴器處于關閉狀態；當開關柜溫度異常升高且超出設定值時綠燈滅、黃燈顯示；當開關柜嚴重高溫時由紅燈來顯示高風險，引起工作人員注意并進入現場做進一步的分析處理。當開關柜的溫度超出正常范圍后，系統內蜂鳴器就開始運作發出聲音以提醒工作人員，在設備高溫風險極大的情況下，裝置自動向運維人員發送報警信息或短信進行提醒。對在線溫度監測系統進行初始化處理后，系統就會無限循環采集開關柜溫度數據，為開關柜及電力系統的正常穩定運行提供保障。

3.4 實際應用

完成基于紅外測溫技術的開關柜溫度在線監測系統的設計與建設后，將系統引進變電站內進行試運行。選定變電站內6個10kV 開關柜來檢測系統的在線測溫效果，判斷系統是否具有較高的實際應用價值。在試運行工程中，在線監測系統能穩定、精準監測目標開關柜三項電纜接頭的溫度數據，監測效果相對理想，由紅外測溫裝置采集到的溫度數據全面、準確，在系統監測過程中開關柜溫度正常，運行狀態良好，未出現故障隱患。為對在線監測系統在故障情況下的監測功能及報警功能進行檢查判斷，利用相關技術手段模擬了開關柜高溫情況。經檢驗得知，系統在開關柜溫度出現異常時能靈敏采集到設備溫度數據并根據設定程序發出報警信息，且工作人員能通過系統遠程對開關柜實時溫度數據進行查詢，因而確定系統滿足現場應用要求。

綜上，加強開關柜溫度監測是穩定開關柜運行狀態，提高開關柜使用年限的重要舉措。本文基于紅外線測溫技術設計的開關柜溫度在線監測系統且經實驗與實踐證明具有較高的實際應用價值，系統能實現對開關柜運行溫度的動態、準確監測，可對設備故障做出迅速報警。因而相關單位可考慮引進與應用該系統，為開關柜的正常穩定運行提供保障。