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高壓柜熱點(diǎn)溫度紅外監(jiān)測(cè)與預(yù)警

徐 鵬, 王正旭,張柏年,林高翔

（重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶,400054)

摘要：本文研究的內(nèi)容是對(duì)工作環(huán)境惡劣條件下的高壓開關(guān)柜的溫度進(jìn)行檢測(cè)與預(yù)警。對(duì)高溫高壓，強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的高壓開關(guān)柜進(jìn)行溫度檢測(cè)和預(yù)警是一件不宜之事，為實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)本文主要通過利用高壓柜工作時(shí)母線排所輻射出的紅外波段強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)能量的判斷，使用紅外傳感器對(duì)能量信號(hào)進(jìn)行采集，通過帶屏蔽罩的放大濾波電路將信號(hào)傳輸給增強(qiáng)型STM32F103 進(jìn)行信號(hào)處理，經(jīng)邏輯分析后預(yù)判此時(shí)的溫度安全性，并做出相應(yīng)的指示。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；紅外；非接觸式；監(jiān)測(cè)與預(yù)警

0　前言

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用電的需求量不斷激增，電壓等級(jí)不斷提高，這對(duì)于電力設(shè)備的工作性能來說是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)重要的電力設(shè)備，在開斷的動(dòng)作中可能會(huì)出現(xiàn)高溫的拉弧現(xiàn)象,致使出現(xiàn)發(fā)熱的情況。但迄今為止，針對(duì)高壓強(qiáng)磁環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)都不是非?？煽?。近幾年發(fā)電廠和變電站頻發(fā)開關(guān)柜過熱造成的火災(zāi)及大面積的停電事故。這有悖于電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的基本運(yùn)行要求。因此對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行有效的溫度監(jiān)測(cè)，防止此類事故發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行將對(duì)提高企業(yè)或單位的安全性有著積極和深遠(yuǎn)的影響。

1　系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)利用紅外熱輻射原理，通過紅外接收器實(shí)時(shí)的檢測(cè)高壓開關(guān)柜輻射出的紅外線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。系統(tǒng)選用低功耗高精度的通用儀表放大器進(jìn)行前級(jí)放大。經(jīng)過濾波后的信號(hào)，進(jìn)入到AD采樣模塊，再由STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的檢測(cè)和預(yù)警。

圖1　系統(tǒng)總體原理框架

2　原理分析

利用紅外來測(cè)溫的原理：對(duì)于理想的黑體物質(zhì),單位時(shí)間、單位面積上所輻射出的所有能量強(qiáng)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(cè)試點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)間有溫度差,會(huì)感應(yīng)出溫差電壓，溫差電壓和溫度差存在一定的非線性關(guān)系。其采集的輸出電壓以下式表示:

因?yàn)楦邏汗衲妇€連接處和開關(guān)觸頭工作時(shí)所對(duì)應(yīng)的紅外峰值波長(zhǎng)范圍在6～11 μm間，而8～14 μm間波段下的紅外線在大氣環(huán)境下被吸收的甚少。就這個(gè)波段的紅外線系統(tǒng)選用PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS534紅外溫度傳感器它具有創(chuàng)新的硅基微機(jī)械技術(shù)保證了極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、極好的光電特性，它具有強(qiáng)紅外吸收能力和大的信號(hào)輸出，并且內(nèi)部帶有熱敏電阻進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，測(cè)量溫度的特點(diǎn)。

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(cè)溫范圍內(nèi),其對(duì)應(yīng)的輸出電壓只有毫伏級(jí)。對(duì)于如此微弱的溫度電壓信號(hào)，而且還在高壓開關(guān)柜所處的強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)惡劣工作環(huán)境下，此信號(hào)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(yùn)算放大器。前級(jí)放大器需要將放大倍數(shù)做到放大2000倍，讓放大信號(hào)達(dá)到5V的數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)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(diào)節(jié)滑阻能夠完成1～5000間任何增益的調(diào)節(jié)。INA163PA的修正微調(diào)采用的激光技術(shù)，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(yōu)點(diǎn)，是在這種惡劣環(huán)境、微弱信號(hào)條件下最適合的放大電路芯片選擇。

3.3A/D轉(zhuǎn)換器部分

對(duì)于AD轉(zhuǎn)化模塊，系統(tǒng)采用壓頻變換型AD，其工作模式是間接轉(zhuǎn)換方式，首先將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)量，再通過計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)頻率量從而得到數(shù)字量。系統(tǒng)用壓頻（A/D）轉(zhuǎn)換器AD650作為轉(zhuǎn)化芯片，其優(yōu)點(diǎn)是功率損耗低、采樣的分辨率高、價(jià)格相對(duì)便宜。在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)轉(zhuǎn)化中，特別是在高電壓、強(qiáng)電流的環(huán)境下的單片機(jī)工作系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的安全、轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確性，強(qiáng)電必須和弱電進(jìn)行分離。系統(tǒng)用V/F、F/V兩種不同的轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用，其原理框圖如圖2所示。

圖2　AD650模擬信號(hào)隔離傳輸原理框圖

放大濾波后用V/F電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變?yōu)轭l率信號(hào)，轉(zhuǎn)化得到的頻率信號(hào)即為幅度穩(wěn)定的脈沖信號(hào)可以通過光耦隔離進(jìn)行傳輸，然后在對(duì)光耦接收到的信號(hào)進(jìn)行F/V變換，其中一端口為模擬信號(hào)測(cè)試端，轉(zhuǎn)化輸出端口安全準(zhǔn)確將信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。即實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的隔離傳輸，保證了信號(hào)的安全和可靠性。

4　軟件部分

圖3　系統(tǒng)軟件執(zhí)行程序

通過硬件傳感器將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由AD650轉(zhuǎn)換后的信號(hào)由STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，判斷當(dāng)前的安全溫度裕度。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，開機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置定時(shí)器、中斷服務(wù)程序，定時(shí)器功能為喚醒STM32F103對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，從而計(jì)算出溫度。圖3為系統(tǒng)軟件執(zhí)行圖。

5　測(cè)試結(jié)果

5.1熱電堆的靜態(tài)標(biāo)定

熱電堆輸出與被測(cè)量的函數(shù)關(guān)系在設(shè)計(jì)出廠時(shí)已確定，所以不能用于實(shí)際的測(cè)量中，靜態(tài)標(biāo)定性能測(cè)試時(shí)精準(zhǔn)校準(zhǔn)傳感器的前提，它將構(gòu)建起輸入與輸出間的關(guān)系。所以在傳感器的工程應(yīng)用中一定要進(jìn)行嚴(yán)格的靜態(tài)測(cè)試進(jìn)行校準(zhǔn)。

系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)試的目的是明確熱電堆輸出量與被測(cè)溫度間的函數(shù)關(guān)系。熱電堆TPS534的測(cè)溫范圍為-40～300℃。溫度調(diào)節(jié)器每40℃保證黑體輻射源的溫度穩(wěn)定。測(cè)試得到靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示：

使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)表中的溫度（T）-電壓(V)的特征值，進(jìn)行最小二乘發(fā)擬合，依據(jù)擬合結(jié)果可得到六階擬合時(shí)，效果為最好，其擬合公式為：

對(duì)傳感器的靜態(tài)標(biāo)定即可采用式（5）進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。

5.2系統(tǒng)整體功能測(cè)試

將系統(tǒng)各模塊連接好，接入熱電堆探測(cè)模塊和預(yù)警

指示模塊，在熱體發(fā)射器的不同溫度下測(cè)試系統(tǒng)的整體性能及預(yù)警狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如表2所示，系統(tǒng)可以完成對(duì)溫度變化進(jìn)行檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確的對(duì)預(yù)警狀態(tài)進(jìn)表行研判。

表2　系統(tǒng)整體測(cè)試表

測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)可以完成對(duì)溫度變化進(jìn)行檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確的對(duì)預(yù)警狀態(tài)進(jìn)行研判。

6　結(jié)束語

高壓柜是電力系統(tǒng)一次側(cè)至關(guān)重要的電力設(shè)備，它關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。高電壓，大電流在高壓柜中流通，開關(guān)的接觸處存在高阻抗，由功率公式可知，高壓柜極易出現(xiàn)高溫危險(xiǎn)，從而可能導(dǎo)致火災(zāi)。所以對(duì)高壓柜進(jìn)行溫度檢測(cè)是非常重要的，系統(tǒng)采用非接觸式傳感器進(jìn)行對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過儀表放大器放大，由STM32F103 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)溫度狀態(tài)進(jìn)行研判。很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓柜溫度的檢測(cè)。

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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(hào)：TM591，TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A