变电站红外测温在线监测系统

An On-line Monitoring System in the Transformer Substation Based on Infrared Temperature Measurement
LI Chen
（ Beijing Electric Power Company , Beijing 100031 , China）
黑体的一般物体， 总辐射能
， 为黑体系数， 0<
作 者 简 介 ： 李 晨 （ 1983-） ， 男 ， 研 究 方 向 ： 电 力 系 统 运 行 维 护、 电网系统监视、 继电保护自动化等。 收稿日期： 2012-09-18
COMPUTING SECURITY TECHNIQUES
计算机安全技术
变化， 从而相互抵消， 避免出现检测误差， 干涉滤光片能有 效地让人体辐射的红外线通过， 且能最大限度地阻止阳光、 灯光等可见光中的红外线的通过， 以免引起干扰， 热释电红 外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。
（ 4） 调制盘 调制盘置于光学系统的焦平面上， 把恒定的辐射通量变化 成为交变的辐射通量， 产生目标所在空间位量的信号编码， 进 行空间滤波以抑制背景干扰， 同时提高红外系统的检测性能。 （ 5） 显示部分 显 示 部 分 由 ICL7106 （ 多 位 液 晶 显 示 驱 动 器） 和 EDS801 （ 标准段式液晶显示屏） 及其他 一 些 元 器 件 组 成 ， 经 过 测 量 电 路处理过的信号， 经过输入端 口 进 入 A/D 转 换 电 路 ， ICL7106 进行 A/D 转换， 再与标准段的 EDS801 显示屏显示出被测物的 温度。 （ 6） 系统电源 该系统采用 12V 直流电源供电， 将 220V 交流电通过变压 器 T 降压， 全桥 U 整流， C 滤波， 为系统提供 12V 直流电压。 3.2 故障判断方法 电气设备故障种类繁多， 但大部分故障都伴有发热的现 象， 常见的热故障的判断方法有表面温度判断法、 相对温差 判断法、 图像特征判断法、 实时分析判断法、 档案分析判断 法以及同类比较判断法； 不同的电气设备通常采用不同的判 断方法， 如： 断路器故障通常是由于内部载流回路接触不良 造成过热故障,一般可以采用相对温差法进行故障诊断， 即：
符合规程的辅助诊断模块、 红外热像图重新解读与再分析模
块等模块。
（ 5） 实 现 区 域 电 网 红 外 图 库 数 据 共 享 ， 如 故 障 设 备 红 外
成像历史图库、 标准故障图像信息库、 高压设备红外诊断分
析知识库等。
（ 6） 采 用 多 线 程 、 多 任 务 技 术 ， 根 据 添 加/设 置 的 分 析 判
射红外线， 红外能量的大小按红外线波长分布， 因此， 只要捕
捉物体自身辐射的红外能量， 便能准确地测定它的表面温度。
2.1 物体辐射百度文库射度与温度间的关系
根据斯特藩—玻耳兹曼定理， 对于绝对黑体， 总辐射能
， 式中， Pb (T) 是总辐射能， σ 是斯特藩—玻耳兹
曼常量， σ=5.67032×10-8W/m2K4,T 是物体的热力学温度;对于非
绝对温度。 2.3 最大辐射波长与温度的关系
热辐射光谱中包含着各种波长， 物体峰值辐射波长与物
体自身的绝对温度 T 成以下关系： 为峰值响应波长， T 为热力学温度。
， 其中
3 红外测温监测系统
3.1 系统结构
红外测温监测系统主要包括光学系统、 调制盘、 热释电
红外探测器、 信号处理电路、 微控制器、 显示输出电路及网 络传输电路等部分组成， 其基本结构如图 1 所示。
温度是工业生产中很普遍、 很重要的一个热工参数， 传统 的接触式测温仪表如热电偶、 热电阻等， 需要将温度传感器须 附着在测温目标上， 才能与被测对象进行充分的热交换， 且需 过一定的时间后才能达到热平衡， 此外， 每个测温点需一个温 度传感器， 存在着测温的延迟现象， 这大大制约了其使用范 围， 这种接触式测温方式以不能满足现代变电站的测温需求。
1 功能分析
通常， 变电站红外测温在线监测系统的功能应该包括以 下几点：
（ 1） 根 据 热 故 障 监 测 实 际 需 要 设 置 监 测 点 ， 系 统 自 动 采 集红外图谱与之配套的可见光图像， 并自动进行归档， 以便 分析诊断。
（ 2） 根 据 实 际 需 要 灵 活 设 置 自 动 巡 航 方 案 及 巡 航 方 案 启 动的时间及启动频率， 在巡航过程中， 根据设置的自动诊断 规则， 自动分析诊断热故障， 并通过网络通信或短信等方式 发布报警信息， 报警信息包括 多 区 域 （ 多 相） 之 间 温 差 报 警 、 多区域温度报警、 单区域温度报警。
（ 3） 设 计 完 备 的 编 码 体 系 、 逐 级 联 网 和 授 权 访 问 策 略 ， 实现跨地区、 多变电站联网在线监测。
（ 4） 具 有 远 程 诊 断 分 析 管 理 的 功 能 ， 如 具 有 检 验 报 告 管
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理模块、 图库分类管理和查询模块、 图形检索和对比模块、
参考文献 [1] 张 忠 蕾 ， 等. 电 力 设 备 红 外 测 温 诊 断 分 析 及 故 障 判 断 [j] .
数字技术与应用， 2012. [2] 王文华， 等. 红 外 成 像 技 术 在 晋 城 地 区 电 力 设 备 故 障 诊 断
中的应用 [j] . 红外， 2012. [3] 邓 云 辉 ， 等. 变 电 站 运 行 设 备 发 热 及 监 控 方 法 [j] . 中 国
方位监测一次设备的状态， 做到 360 度无死角全方位监测。
（ 9） 采 用 基 于 数 字 网 络 技 术 的 网 络 高 清 摄 像 机 和 红 外 热
像仪， 在授权的情况下， 可以远程监测， 并可切换监测任何
联网的变电站。
2 红外测温原理
研究表明， 温度高于-273℃ (绝对零度) 的物体均向外辐
（ 1） 微控制器 微控制器作为红外测温仪的核心处理部件， 它关系到整 个仪器的性能指标， 系统以 ARM9 为核心器件 ， 系 统 上 电 后 ， 首先加载相应程序的 ARM 程序， 并把红外测 温 模 块 传 来 的 数 据加以处理， 送 LED 显示屏显示及进行网络传输。 （ 2） 光学系统 光学系统能汇聚其视场内的目标红外辐射能量， 其主要 由菲涅尔光学透镜和滤光片组成， 菲涅尔透镜是利用透镜的 特殊光学原理， 在探测器前方产生一个交替变化的“ 高灵敏 区” 和 “ 盲区”， 当被测物从透镜前经过时， 发出的红外线将 交替不断地从“ 盲区” 进入“ 高灵敏区”， 这样就使接收到的 红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入， 从而汇聚其视场内的 目标红外辐射能量。 （ 3） 热释电红外探测器 热释电红外传感器由传感探测元、 干涉滤光片和场效应 管匹配器 3 部分组成， 采用双传感探测元将两个特性相同的 热释电晶体逆向串联， 用来防止其他红外光引起传感器误动 作， 此外， 当环境温度改变时， 两个晶体的参数会同时发生
断规则， 实现自动巡航、 自动分析诊断， 并根据报警设置，
自动生成简明扼要的报警信息。
（ 7） 数 据 实 行 分 布 式 存 储 备 份 ， 图 片 、 视 频 等 红 外 图 像
资源网络共享， 专家知识网络共享， 网络分层管理。
（ 8） 采 用 360 度 连 续 旋 转 、 大 俯 仰 角 度 数 字 云 台 多 点 全
<1。 于是所测物体的温度为：
。
2.2 辐射能量在各波长上的分布关系 辐射的红外线波长跟物体温度有关， 表面温度越高 ,辐射
能量越强， 温度为 T 的单位面积元的绝对黑体， 在半球面方 向所辐射的波长为 λ 的辐射出射度为：
， 式中， c 是光
速 ， h 是 普 朗 克 常 数 h=6.626176×10-34J·s， k 是 波 尔 兹 曼 常 数， k=1.38066244×10-23J/K， C1 是第一辐射常数， C1=3.7418× 10-16W·m2， C2 是 第 二 辐 射 常 数 ， C2=1.4388×10-12m·K， T 是
高新技术企业， 2012. [4] 闻玉凤， 等. 红 外 测 温 技 术 在 变 电 站 设 备 缺 陷 诊 断 中 的 应
相对温差
， 其中， 环境温度参照体的温
度， 正常相对应点的温度， 为发热点的温度； 计算出相对 温差值， 根据设备类型的不同， 判断出故障类型。 如在监测 SF6 断路器中， △%>95%为视同紧急缺陷， 80%<△%<95%为 重大缺陷， 20%<△%<80%为一般缺陷。
4 结语
随着电力负荷的日益增加， 在设备长期运行过程中， 变 电设备因老化或故障而发热， 而这些发热部位的温度通常难 以监测， 容易导致各种事故的发生， 红外测温技术以其特有 的非接触、 实时快速、 形象直观、 准确度高及适用面广等优 点， 成为是变电站监测设备早期缺陷的有效手段之一， 利用 系 统 的 485 总 线 可 以 将 多 个 探 头 的 数 据 连 接 到 控 制 室 内 ， 实 现在线监控， 不仅可以减少劳动强度,提高缺陷诊断率,而且可 以随时随地诊断设备运行情况,保证设备安全运行,提高电力设 备运行可靠性。
信
热
光
调
外热
号
辐
学
制
探释
处
射
系
盘
测电
理
体
统
器红
电
路
显
示
微
器
控
制 器
网 络
传
输
图 1 红外测温系统结构
辐射体发出的红外辐射， 进入光学系统， 经调制器把红 外辐射调制成交变辐射， 由探测器转变成为相应的电信号。 该信号经过放大器和信号处理电路， 并按照仪器内的算法和 目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
电脑编程技巧与维护
变电站红外测温在线监测系统
李晨 （ 北京市电力公司， 北京 100031）
摘 要： 针对传统的接触式测温方式不能满足现代变电站的测温需求， 提出了一种基于红外测温技术的变电站在线 监测系统， 首先对变电站热故障进行需求分析， 然后介绍了红外测温原理， 最后论证红外测温在线监测系统的设计 方案及硬件实现。 关键词： 红外测温； 变电站； 在线监测； 电力设备
Abstract: The traditional contact temperature measurement could not meet demand for modern transformer substation, An On-line Monitoring system in the Transformer Substation Based on Infrared Temperature Measurement is put forward. The thermal fault of power equipments is analyzed, and the principle of infrared temperature measurement is introduced, in the last, the design scheme of the On-line Monitoring system in the Transformer Substation and hardware achieve is discussed. Key words: infrared temperature measurement ; Transformer Substation ; On-Line monitoring ; power equipments
目前， 变电站设备日常红外巡检工作一般由运行人员应 用热成像仪进行， 发现异常后， 再通过电话或邮件方式汇报 专业、 管理人员， 再由专业人员复测分析， 反应时间慢， 且 部分特殊缺陷易漏检， 同时， 各变电站红外图像和故障图像 存放零散、 混乱， 无法发挥规模集中和共享应用价值， 不利 于检修有效性， 基于此， 将红外测温技术应用到变电站在线 监测系统中， 不仅可以通过在线监测发现设备缺陷， 而且还 能与其他试验方法相结合， 对故障进行正确定位， 对于实现 设备状态检修有十分重要的意义。