基于红外传感技术的开关柜在线测温系统设计

0 引言

       温升是影响开关柜运行性能的重要因素，尤其是大电流开关柜，温升指标尤为重要。造成开关柜温升超标的因素很多，设计、生产过程中选用的导电材料电导率不满足要求、导体连接接触表面处理工艺及紧固螺栓的安装工艺要求不当、运输及运行过程中的机械振动等，都会使开关柜动静触头、母线栓接等导体连接处的接触电阻逐渐增大，从而导致温升超标、绝缘破坏，甚至引发重大事故。因此，实现开关柜温升状态在线监测，能够提前发现潜在故障，对电力系统的安全运行具有非常重大的意义。

       近些年来，出现了多种测温方法，在开关柜温升监测和事故预防方面发挥了重要作用。根据测温传感器的安装位置，可分为接触式和非接触式。其中，接触式测温方法大多采用电池或者特制传感器线圈感应高压侧电流为传感器供电，前者存在电池高温易爆炸和化学泄漏等隐患，后者易受负荷波动影响造成供电电压不稳定，影响传感器的正常工作。并且，接触式传感器直接安装在测温点，而测温点处于高电位，容易导致高压部分沿传感器信号传输路径对地击穿，影响开关柜的安全可靠运行。非接触式测温方法，应用较为广泛的是利用手持式红外成像仪、红外测温仪等仪器的测温方式，无法实现温度的在线监测。

       本文研究基于热辐射原理红外传感技术的开关柜在线测温系统设计，采用非接触式测温原理，可避免传感器供电不可靠、高压对地击穿等问题，在不影响现场设备安全运行的前提下，实现开关柜温升的在线监测，进一步提高开关柜的工作效率。

1 红外测温基本原理

       一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。红外温度传感器正是利用此辐射原理，通过测量物体辐射的红外能量，间接地确定被测物体的温度，特别适用于高温、强电等难以接近的复杂工作环境。

       根据斯特藩一玻耳兹曼定律，可推出所测物体的温度为：

   上式正是物体的热辐射测温的数学描述。式中参量如下：P(T)为温度为T时，单位时间从物体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度；σ为斯特藩一玻耳兹曼常量；ε为物体的单色黑度。

       因此，当物体表面有微小的温度变化时，红外探测设备输出的电信号就有较大的变化，这对于给出设备表面温度的空间分布十分有利。

2 红外测温系统设计

       本系统采用基于热辐射原理的非接触式温度传感器——红外温度传感器，通过获取母排电连接处辐射的红外信号来实现开关柜温升在线监测。

       2.1 系统构成

       本系统基于MLX90614高精度数字式红外测温传感器提出了系统总体设计方案。开关柜在线测温系统框图如图1所示。系统由测温传感器、智能电子装置（包括调理单元、MCU、LCD）和电缆组成。其中，3个测温传感器安装于开关柜母线室内，3个测温传感器安装于开关柜电缆室内，智能电子装置安装于开关柜二次室内，两者之间由双层屏蔽电缆进行抗干扰信号传输。

图1 开关柜在线测温系统框图

       图2为测温系统设计框图。系统通过测温传感器获取开关柜电连接处测温点的温度数据，以数字信号形式传送给调理单元，调理单元进行滤波、隔离及抗干扰处理后，再以通信形式传送给MCU，MCU对测温传感器输出的信号进行处理、后端补偿后，经由LCD显示开关柜电连接处测温点的实时温度值。并且，开关柜6个测温点可设定温度阈值，当温度超过阈值时，智能电子装置可就地显示报警信号，并能以通信方式将开关柜被测点的温度及报警信息上传给后台监测系统，为后台系统分析、诊断开关柜的运行状态提供数据。

图2 设计框图

       2.2 测温传感器及电路设计

       传感器选用Melexis公司生产的MLX90614高精度数字式红外测温传感器。在正常的工作环境下、0～120℃的物体温度测量范围内，MLX90614红外测温传感器具有±1℃的绝对精确度，符合开关柜温度报警保护的要求。它集成了红外热电堆传感器和数字信号处理芯片。物体辐射的能量由芯片热电偶测得，获得的信号经过低噪音放大器后送给模数转换器，转换后的数据经过低通滤波、数字信号处理、环境温度补偿，计算出物体的温度，其所有的模块都在出厂前进行了校验，并且可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点。

       传感器电路主要用来检测并输出数字温度信号，主要由MLX90614传感器、高压瓷片电容及瞬态抑制二极管（TVS管）构成。传感器的3口输入+5V电压为其供电；在使用SMbus输出模式的情况下分别使用传感器的2口和3口输出传感器的数字信号及串行时钟信号，因传感器驱动能力有限，为增加电路的稳定性，提高其驱动能力，有必要为2、3口连接上拉电阻，其大小由传输距离来具体确定；传感器的4口用于接地。

       温度传感器电路设计如图3所示。

图3 温度传感器电路设计

       2.3 调理单元

       调理单元包括了信号调理电路和中央处理单元，主要作用是接受测温传感器传来的数据并对其进行调理、隔离、滤波后送入中央处理单元，由STC12C5A60S2单片机对数据进行处理和补偿等操作，并实现与MCU的通信。

       在后端电路中，数字温度信号通过双层屏蔽电缆传输，应用中将电缆屏蔽层两端接地，使其能具有较强的抗干扰能力。在通过TVS管的瞬态干扰保护和高压瓷片电容的高频干扰滤波信号进入到双向总线隔离器ADuM1250隔离器件进行隔离，隔离的作用是隔断与外接线路（信号线、电源线）地电位的连接，以抑制共模干扰。

       ADuM1250是一款能实现双向信号隔离的无锁存的磁隔离器，支持热插拔，专门应用于隔离成本敏感的I²C，SMBUS及PMBUS等双向通信总线。消除了光耦隔离需把双向信号分为单独的接收或发送信号所带来的不必要的麻烦，使电路板减少了大量空间。同时，由于隔离在设计上取消了光电耦合器中影响效率的光电传输环节，因此，它的功耗仅为光电耦合器的1/16-1/10。采用ADuM1250的双向通信总线隔离电路非常简单，相比于光耦的双向隔离电路，ADuM1250具有体积小、功耗低、外围电路极其简单并且拥有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力等优势。

       ADuM1250外围电路设计如图4所示。

图4 ADuM1250外围电路

       2.4 单片机接口电路

       ML X90614测温传感器与单片机连接的硬件电路如图5所示。SCL、PWM/SDA管脚直接连接MCU的普通I/O口即可，由于MLX90614的输入输出接口是漏级开路(OD)结构，需要加上拉电阻，产生高电平信号。

图5 接口电路

       2.5 软件设计

       本系统中，多个红外温度传感器用于一个系统中，通过地址的不同来区分器件，器件默认的地址为5AH，因此，在多MLX90614系统中，需要给每个MLX90614分配一个不同的地址，以便单片机访问。

       MLX90614的数据传输都是以字节为单位进行，流程图如图6所示。

图6 软件流程图

       每次发送一个字节（先发送高位后发送低位），然后判断对方是否有应答，如果有应答就发送下一个字节；如果没有应答，重复发送该字节，如果多次重复仍得不到应答，则进行出错处理。接收数据时，每次接收一个字节，8位接收完毕向对方发送一个应答信号，然后继续接收下一个字节。

3 测温传感器安装

       如图7所示，红外测温传感器安装在距离母排D的位置（D必需大于绝缘安全距离），处于低电位侧，可方便供电和信号传输。红外温度传感器一般具有较大的感测角度，使得测量范围过大影响准确度。因此，本项目采用特殊的透镜聚焦，使发散角度为α=10°，若安装距离D选取18cm，则测量半径约为3cm，小于母排半宽度R。通过特殊的调制，安装距离D变化对测量结果影响较小（只要测量范围不超出母排半径），可以保证测量准确度不高于±1K。测量数据通过I²C总线形式传输给智能电子装置，便于处理且抗干扰能力强。

图7 温升信号提取示意图

       由于被测目标所处的环境一般都比较恶劣，如存在电磁干扰等。本系统采用双屏蔽系统即屏蔽线外又加了一层金属屏蔽膜，对电磁干扰做到了很好的抵抗作用；内置电磁过滤装置对红外传感器中残留的电磁干扰进行彻底的屏蔽过滤。再通过对通信及微电子技术的改进，实现了通信信号在噪声、电磁场，震动等于扰的情况下不衰减或少衰减。

4 测试结果

       为了检验本温升在线监测系统的测量精度，本次测试采用温升系统热电偶埋点测得母排实际温升值，同时安装红外测温传感器获取热电偶埋点对应的测量数据，两者相对比可得数据，见表1。通过测试，从表中可以看出红外测温传感器具有很好的线性度，误差为±1K，符合设计要求。

5 结语

       开关柜的电连接处温度过高或者升高过快，对开关柜的安全运行可靠性的影响十分重大。以非接触式红外测温传感器作为测温元件，综合利用计算机技术、电子技术和通信技术，设计了温度在线监测系统，能对开关柜内电连接处的温度进行实时在线测量，并能根据温升程度发出不同级别的警报，具有测量准确度高、体积小、安全可靠、抗强电磁干扰等优点。同时，可避免传感器供电不可靠、高压对地击穿等问题，在不影响现场设备安全运行的前提下，实现开关柜温升的在线监测，进一步提高开关柜的工作效率。