高金玉，張金波，王鵬宇，袁　林

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 通化供電公司，吉林 通化 134001；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021)

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非接觸式電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)儀研究與設(shè)計(jì)

高金玉1，張金波1，王鵬宇2，袁林2

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 通化供電公司，吉林 通化 134001；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司 長(zhǎng)春供電公司，長(zhǎng)春 130021)

研發(fā)了一種非接觸式電氣設(shè)備多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的紅外測(cè)溫儀。設(shè)計(jì)了雙軸向運(yùn)動(dòng)的承載機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)紅外測(cè)溫探頭運(yùn)動(dòng)；通過(guò)紅外測(cè)溫方式對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的母排、電纜接頭的溫度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)承載機(jī)構(gòu)在兩個(gè)軸向的角位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)設(shè)的測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)儀通過(guò)一個(gè)非接觸式紅外探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)全部電氣設(shè)備進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)。

高壓電氣設(shè)備；溫度；在線監(jiān)測(cè)；非接觸式

大量的電氣設(shè)備(如變壓器、電力電纜、母排等)，都工作在高電壓、大電流的運(yùn)行環(huán)境下。電氣設(shè)備的溫度是反映其運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，在眾多的電力設(shè)備故障和進(jìn)而引起的停電事故中，因設(shè)備過(guò)熱導(dǎo)致的事故比重最大[1-3]。因此，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行溫度出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)行人員提前采取相應(yīng)的預(yù)防事故發(fā)生的處理措施，將故障隱患提前消除，能夠有效防止事故發(fā)生。對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是運(yùn)行人員一直以來(lái)從事的重要工作；設(shè)計(jì)方便、有效的溫度監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備制造商一直以來(lái)研究的重點(diǎn)。

在電力系統(tǒng)中，目前采用的溫度監(jiān)測(cè)方法主要有：“測(cè)直阻法”、“貼溫度標(biāo)簽法”、通過(guò)接觸式的溫度傳感器進(jìn)行電氣設(shè)備溫度測(cè)量等方法。隨著電壓等級(jí)的提高，這些方法表現(xiàn)出明顯的局限性；特別地，對(duì)于封閉式的開關(guān)柜，采用這些傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)配合人工巡查的測(cè)溫方式非常困難，并且難以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障隱患。近年來(lái)，紅外熱成像儀[4、5]在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其價(jià)格昂貴且需要人工操作，不適宜在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。

本文利用基于紅外輻射原理[6、7]設(shè)計(jì)的紅外測(cè)溫儀，研發(fā)了一種非接觸式電氣設(shè)備多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)儀。設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制的雙軸向運(yùn)動(dòng)承載機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)紅外測(cè)溫儀在水平和垂直方向運(yùn)動(dòng)；通過(guò)微處理器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確控制，并檢測(cè)其在水平方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)的角位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)的電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)。通過(guò)設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)一個(gè)紅外測(cè)溫儀對(duì)開關(guān)柜內(nèi)全部電氣設(shè)備的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　原理及控制電路設(shè)計(jì)

1.1非接觸式紅外測(cè)溫的原理

所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射[8-9]，紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度有關(guān)，溫度越高輻射越強(qiáng)。對(duì)于“黑體”物質(zhì)，其吸收和發(fā)射的光譜對(duì)波長(zhǎng)沒有選擇性，輻射的光譜完全決定于該物體的溫度。黑體在不同溫度下向外發(fā)射的各段波長(zhǎng)及其強(qiáng)度與溫度呈嚴(yán)格的溫度函數(shù)，因此，通過(guò)測(cè)定相應(yīng)波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度即可確定物體的溫度。

一般工程材料的輻射強(qiáng)度曲線和同一溫度下絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度曲線相似，但不同的是一般的材料具有一定的發(fā)射率和反射率；因?yàn)榻饘俚姆瓷渎瘦^高，發(fā)射率較低，對(duì)傳感器的測(cè)量精度有一定的影響，因此，在進(jìn)行母排、電纜接頭測(cè)溫時(shí)，需要對(duì)其表面進(jìn)行黑體化處理，或通過(guò)數(shù)字化的修正處理，提高溫度監(jiān)測(cè)的精度。

1.2溫度采集單元設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)基本原理制造的紅外測(cè)溫傳感器先將物體發(fā)射的紅外輻射能量收集起來(lái)，通過(guò)熱電堆轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和變換，可以換算得到對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　溫度采集單元總體結(jié)構(gòu)圖

溫度采集系統(tǒng)由紅外溫度傳感器、濾波電路與信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器單元等組成。紅外溫度傳感器采集由物體發(fā)射的紅外能量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)濾波電路消除干擾信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將電壓信號(hào)變換為適合A/D芯片輸入通道的電壓；再由A/D轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，后送至微處理器電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到物體的溫度信息。

1.3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體溫度的采集。為了利用一個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)多個(gè)位置電氣設(shè)備的溫度，需要相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)讓溫度傳感器在水平方向和垂直方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和控制電路原理如圖2所示。

圖2　運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電路原理

運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)由水平方向位置信號(hào)檢測(cè)電路、垂直方向位置信號(hào)檢測(cè)電路、微處理器控制單元、水平方向運(yùn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電路、垂直方向運(yùn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)電路以及雙軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及紅外溫度傳感器組成。水平方向位置信號(hào)檢測(cè)電路和垂直方向位置信號(hào)檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)裝置在兩個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。微處理器通過(guò)對(duì)起始信號(hào)的檢測(cè)和對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的控制，使紅外溫度傳感器運(yùn)動(dòng)到期望的位置。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1紅外測(cè)溫傳感器及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

采用歐普仕生產(chǎn)的高精度紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度變換，傳感器輸出的信號(hào)包括采集的被測(cè)物體的溫度信號(hào)、傳感器殼體的信號(hào)。而根據(jù)傳感器輸出的特性，對(duì)兩路輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)處理。利用軌對(duì)軌(Rail to Rail)運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和信號(hào)變換，這樣不僅能提高線性度，同時(shí)提高了后續(xù)電路的輸入阻抗，減少信號(hào)采集電路對(duì)傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。濾波電路及信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3　濾波及信號(hào)調(diào)理電路

圖4　AD轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2AD轉(zhuǎn)換及微處理器單元設(shè)計(jì)

為了提高溫度采集的精度，A/D轉(zhuǎn)換采用TI公司制造的高精度16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，A/D轉(zhuǎn)換單元電路如圖4所示。該器件通過(guò)I2C總線與微處理器進(jìn)行接口。采用I2C總線串行通信技術(shù)，使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方便、硬件電路的體積也得到減小，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性也得到提高。微處理器單元采用AVR系列單片機(jī)ATmega64，該微處理器具有資源豐富及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。

2.3雙軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某一空間內(nèi)(如開關(guān)柜)的電氣設(shè)備進(jìn)行全部的溫度監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)的紅外溫度傳感器能夠在水平和垂直兩個(gè)方向上自由運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分在本文中不做詳細(xì)介紹。兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)控制，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紅外溫度傳感器在兩個(gè)方向上的角位移。微處理器通過(guò)微動(dòng)開關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器是否運(yùn)轉(zhuǎn)到水平方向和垂直方向的參考點(diǎn)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。雙軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。

圖5　雙軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖6　總體軟件流程圖

3　軟件程序設(shè)計(jì)

紅外測(cè)溫儀的軟件程序主要包括兩大功能模塊：

(1)控制紅外測(cè)溫傳感器到達(dá)相應(yīng)的預(yù)設(shè)位置；(2)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理。軟件部分主要包括以下幾個(gè)主要模塊：初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、預(yù)設(shè)位置控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、保護(hù)控制模塊、程序流向控制模塊。程序總體流程如圖6所示。

4　結(jié)　　論

本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式電氣設(shè)備多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)的紅外測(cè)溫儀。采用高精度的紅外溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，保證了溫度采集的精度；通過(guò)雙軸向運(yùn)動(dòng)的承載機(jī)構(gòu)控制紅外測(cè)溫傳感器在水平和垂直兩個(gè)方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，達(dá)到采用一個(gè)非接觸式紅外溫度傳感器對(duì)一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)全部電氣設(shè)備進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)。

[1]成曙，趙軍紅，劉政波，等.電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及智能診斷系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2000，20(3)：45-47.

[2]胡春海，張?jiān)?，齊廣學(xué).高壓電器設(shè)備在線溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].自動(dòng)化與儀表，2001，16(1)：50-52.

[3]時(shí)斌.光纖傳感器在高壓設(shè)備在線測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2007，33(8)：169-173.

[4]孫曉剛，李云紅.紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光與紅外，2008，38(2)：101-104.

[5]李然.紅外測(cè)溫技術(shù)與變電站圖像監(jiān)控系統(tǒng)的融合研究與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(14)：80-84.

[6]趙汝國(guó)，王寶利，馮新巖.紅外測(cè)溫技術(shù)診斷氧化鋅避雷器安裝缺陷[J].高電壓技術(shù)，2006，32(3)：118-119.

[7]李敏，張蓬鶴，孔凡勝，等.非接觸式高精度紅外測(cè)溫終端的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011(3)：111-114.

[8]王麗麗.紅外測(cè)溫在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013(12)：71-72.

[9]楊武，王小華，榮命哲，等.基于紅外測(cè)溫技術(shù)的高壓電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)傳感器的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(9)：114-118.

Research and Designin Non Contact Temperature Monitor System for Power Equipment

GAO Jin-yu1，ZHANG Jin-bo1，WANG Peng-yu2，YUAN Lin2

(1.Tonghua Power Supply Company，State Grid Jilin Electric Power Company Limited，Jilin Tonghua 134001；2.Changchun Power Supply Company，State grid Jilin Electric Power Company Limited，Changchun 130021)

This paper developed a kind of non contacting infrared temperature measuring instrument for electrical equipment multi point temperature monitoring.It designed the biaxial motion mechanism for infrared temperature measurement probe.The infrared temperature measurement method can detect the switch cabinet bus bar，cable joint temperature.It detects the angular displacement of the bearing mechanism in two axial directions，which monitors the temperature measurement points.The temperature monitor system uses a non-contact infrared probe，which achievements on-line temperature monitoring for all electrical equipment in a switch cabinet.

High voltage electrical equipment；Temperature；On-line monitoring；Non-contact

2016-03-16

國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015-16)

高金玉(1979 -)，男，吉林省通化市人，國(guó)家電網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司工程師，主要研究方向：輸配電運(yùn)行檢修、生產(chǎn)系統(tǒng)安全管理工作.

1005-2992(2016)04-0039-04

TM932

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