一种高压电柜红外测温报警系统的技术开发设计

　0 引 言
　　电力设备是电力系统的重要组成部分，电力设备的运行是否正常直接决定了电力系统能否可靠稳定运行，因此在日常维护中，对电力设备进行必要的检修非常必要。传统的电力设备检修停留在定期停电检修状态，到了检修时间，无论设备状况和性能是否存在问题都要停电检查，这给正常的电力系统运行造成了不必要的损失，降低了生产运行效率。近年来，随着电子技术、控制技术、检测技术和计算机技术的不断发展，在线监测技术得到了广泛的应用，电力设备的实时监测正在逐步取代传统的停电检修。随着互联网技术的发展，远地通信、联网传输和异地控制也已经成为现实。
　　电力设备的在线监测及时能提供设备运行过程中的暂态信息，并且及时发现和诊断设备存在的缺陷和安全隐患，可以减少或避免事故的发生，保障了电力设备和系统的安全、可靠运行。
　　高压电柜是电力系统中一种常见的保护和控制装置，保护作用是当设备或线路发生故障时，能将故障部分从电网中快速切除或隔离，以保证电网其他部分的正常运行；控制作用就是根据电网的运行要求，投入或退出相关的设备或线路。因此，电柜内部导电连接处会进行频繁的动作，造成接触处温度升高，引起接触处氧化，导致接触电阻变大，继而会出现局部熔焊或产生火花，殃及周围绝缘材料，影响电柜工作的可靠运行。因此，对柜内触点进行实时的温度监测，实现过热报警显得非常必要。
　　本系统利用红外传感器实时探测电柜内触点温度，实现在线测温报警，通过接收被测目标发出的红外辐射来确定其温度，范围宽、动态响应快，且对被测温场无干扰。
　　1 红外测温原理
　　1.1 红外辐射原理
　　自然界中的任何物体，只要温度高于绝对零度，总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。根据普朗克热辐射定律可得到如图1所示的绝对黑体在不同温度下的光谱辐射曲线。
　　从图1中可以看出，不同温度下的曲线峰值点的波长[λ]和温度[T]满足维恩位移定律，即[λ?T=2 ]998 μm·K，温度在300～500 K范围内的物体，其红外辐射的峰值波长约为5.8～9.66 μm。
　　根据斯忒藩一波耳兹曼定律，物体单位面积所发射的辐射功率为实际物体的总辐射度与其热力学温度的4次方成正比，即物体的温度越高，发出红外辐射的能量也越大，而且只要温度有微小变化，就可引起辐射能量明显的变化。因此，通过测量物体自身辐射的红外能量即可准确测定该物体的表面温度。　1.2 红外测温原理
　　（1） 任何发热的物体都会辐射红外线，发出红外辐射能量，红外测温正是根据这一原理对运行设备的表面温度进行监测，根据设备温度的高低分析判断设备是否存在缺陷和故障。
　　（2） 不同材质的电气设备发出的红外辐射能量不同，红外测温仪能通过调整发射率对各种不同材质的电气设备表面温度进行监测。
　　2 系统结构及功能实现
　　2.1 系统总体结构
　　本实时监测报警系统主要包括测温探头、数据采集单元、数据处理单元和数据显示参数设置单元等4个部分，总体结构框图如图2所示。
　　根据企业施工现场需求，在高压电柜内共安装了9个测温探头，分别用于采集电柜内9个三相隔离开关触头和导体连接头的温度。数据采集单元将探头数据通过总线传送至数据处理单元。数据处理单元将9个数据采集单元信息汇总，以ATMEL 8位C8051f410单片机作为数据处理芯片，并依据相关标准协议通过RS 485总线将系统与整个电站控制系统相连。数据显示参数设置单元主要负责温度的显示和报警参数的设置，当温度超过某一限定值时报警，同时将温度数据和报警信号通过总线传送至数据处理单元。
　　2.2 系统的硬件设计
　　2.2.1 测温探头设计
　　（1） 温度传感器的选择
　　本模块选用热电堆作为温度传感器，被测物体发出的红外辐射通过滤光片被传感器黑体吸收，使得热电堆的热端受热产生电势，该电势表征了被测物体与热电堆冷端的温差。
　　此外，传感器内部虽自带了一个热敏电阻，它的输出电压可表征冷端温度，但是为了减小探头的体积，省去输出冷端电压的调理放大电路，采用数字温度传感器测量环境温度代替热敏电阻。
　　（2） 红外滤光片的选择
　　通常情况下，热电堆传感器都自带有红外滤光片，由于现场监测目标的温度变化范围为0～150 oC，根据维恩位移定律，故选取的红外滤光片对波长为7.5～14 m的红外辐射透过率不低于70%。
　　（3） 探头的安装
　　根据现场安装要求，探头的安装方式如图3所示，目标直径为5 cm，测量距离为1.2 m，共安装9个测温探头，选取带透镜的传感器视场张角为7o，距离系数约为12[∶]1。此外，由于动静触头外部均套有瓷套，而电柜实际运行时内外瓷套间有将近5 cm的间隙，安装时可调整探头的仰角以保证探头能够沿着间隙对准动触头。
　　（4） 探头控制电路设计
　　本系统选用C8051f410单片机作为探头部分的控制芯片，利用其片内自带的12位A/D转换器将调理放大后的温差电势转换为数字信号，同时接收温度传感器DS18B20送入的环境温度检测信号，两路信号经单片机处理后由串口输出显示，并经电平转换后由485芯片将数据传送至数据处理单元，逻辑框图如图4所示。
　　2.2.2 数据采集单元和处理单元的设计
　　根据系统监测要求，数据采集与处理单元的内部资源大体相同，在硬件设计上可兼顾两者的需求设计成统一的电路。该单元选用ATMEL 8位C8051f410单片机作为主控芯片，外部扩展了64 KB的ROM和32 KB的RAM，分别用于程序存储和数据寄存，该单片机内部自带实时时钟可记录系统时间；选用128×64点阵液晶用于显示操作界面、温度数据及报警画面；利用扩展的I/O口连接5个按键实现系统复位和相关的菜单操作；此外，控制芯片还具备看门狗功能，它能够在程序出错或外界干拢时对系统进行复位重启。无论是数据采集单元还是数据处理单元，均处于整个系统的中间层，既要响应上层的召唤，又要接收下层的数据，因此，需要扩展单片机的串口，用于传送采集的历史数据。
　　2.3 系统的软件设计
　　2.3.1 测温探头设计
　　本系统采用C语言编写红外测温探头程序，程序流程见图5。主程序以查询方式取得DS1 8B20和A/D转换的数据，以中断方式响应数据采集单元的召唤，每秒循环一次，并将处理后的数据上传至数据采集单元。
　　2.3.2 数据采集单元和数据处理单元设计
　　数据采集单元和数据处理单元除了通信对象和数据处理方式不同外，其他的功能基本相同。主程序每秒循环一次，将接收到的数据加以处理。若温度正常则继续循环，若有异常则弹出报警画面并闪动示警，同时以中断方式与上下层进行网络通讯。采用C语言进行程序设计，流程图见图6。
　　2.3.3 报警系统设计
　　系统出现报警主要有以下三种可能情况：触点温升在××分钟内超过××℃；触点温度超过环境温度××℃；两相间触头温度相差超过××℃。每种情况可以根据现场要求设置为两种报警级别，通过按键设置，级别不同设置的超限值也不同，以便工作人员根据不同程度的报警形式进行相应的故障处理。
　　3 结 语
　　高压电柜温度实时监测系统可以在线监测柜内隔离开关触头及其他连接点的温度，同时根据监测温度发出不同级别的警报，用户可以通过液晶查看各监测点的状态，并通过键盘设置报警参数及环境参数。本系统测温范围为0～150 ℃，测温距离为1.2 m，目前已经在扬州宝应某电器厂投入使用，运行情况良好，达到了预期的设计要求。
　　参考文献
　　[1] 彭云.10 kV高压开关柜在线测温技术研究[D].广州：华南理工大学，2010.
　　[2] 侯玉杰.浅谈高压配电柜红外测温报警系统的设计[J].都市家教，2010（8）：170?171.