海上平台开关柜内红外测温系统应用分析

蒋志鹏，孟祥婷，唐 怡，蔡连博，杜银昌

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海洋石油平台电气设备主要包括：主发电装置、应急发电装置、配电装置、电动机、变压器、蓄电池组、电器保护设施、照明设施、电伴热设施和电加热设备等。其中，配电装置多以中、低压开关设备和控制设备为主，是海上平台保证电力系统安全可靠、稳定运行的重要设备[2]。不同接触器、断路器、热继电器、熔断器等元器件的排列组合共同构成了开关柜的内部结构，由于其空间紧张，操作间隙有限，内部处于外壳封闭且带电状态，无法直接观察开关柜的内部运行情况。随着设备的长期运行，伴随着可能出现：①工作在不稳定电压或过电流等非正常状态；②容易造成开关柜中的触点和母排连接处、电缆接头处等部位因老化或接触电阻过大而发热；③设备本身内部元器件的温升过高，削弱相邻的绝缘部件性能等不良影响。而产生这些不良影响的源头如果无法监测，当温度达到一定程度就可能导致绝缘击穿、停产、火灾等事故。

传统检测开关柜内部温度的手段有以下两种：

1）接触式热敏电阻测温：热敏电阻的优点为体积小、响应迅速、结构简单，能够显示安装点温度。缺点为需修改原开关柜内部结构原理，现场改造工作量大，热敏电阻与测温点一一对应，造成系统布线、接线复杂，如果损坏，现场维护量巨大，且热敏电阻没有自检和数据传输功能，显示局限性和人员依赖性较高。

2）非接触式手持红外测温：手持测温的优点为不影响原开关柜内部已有结构，现场改造工作量少，测量覆盖范围大，能够显示任一检测点温度。缺点为人力依赖性高，主要通过工作人员日常巡检完成检测[3]，故障点判断主观性占比较高、检测效率低、实时性差，需要打开柜门测量，存在带电作业风险，尤其对于中高压开关柜，带电状况下为全封闭状态，无法通过手持式红外测温仪进行过热检测。

1 红外热成像原理

在光谱图中，热红外线波长范围在0.76μm～1000μm之间[5]，一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都在不断自发地向外界辐射出红外线。而物体表面的温度直接反映出物体热辐射能量的大小，人们利用这一特性可以通过非接触的方式对物体进行温度测量和状态分析，通过接收这些辐射出的红外线并进行转换成像，从而形成人眼所能识别的热图像[1]。这就是红外热成像基本原理，从而衍生出了本文提到的红外测温系统。

2 红外测温系统

本文介绍的红外测温系统在开关柜设计阶段考虑测温传感器与盘柜集成，通过对正在运行的设备进行非接触检测，探测物体发出的红外辐射，实时显示测温传感器检测区域温度值，显示检测区域温度变化曲线，数据传输给开关间内的配套上位机系统，通过系统分析判断进行故障原因分析与诊断、越限报警等。基于红外热成像原理，将人眼不可见的热辐射能量转换为带温度值显示的开关柜内部图像，同时具有实时远程监测、直观灵敏显示、历史数据查询等优点。

红外测温系统不仅克服了开关柜全封闭状态下无法带电检测、测温点众多布线接线困难的难题，而且通过上位机数据管理监控界面实时显示测温传感器覆盖范围的不同温度等级的温度值、最低点温度和最高点温度等，并能够提前做出越限报警指示[6]。改良了手持式红外测温依靠大量人力、物力日常巡视打开开关柜柜门检测的方式，降低了人员巡视可能出现的巡检遗漏，提高了故障发生源的检测准确性，使事故预判更加可预见、更具实时性。为海上平台开关柜的安全可靠运行保驾护航，从源头避免开关柜运行过程中可能出现的内部触头及母排连接处、电缆接头处等部位因老化或接触电阻过大而发热所引起的绝缘击穿、短路故障、火灾等重大电力设备事故。

2.1 传感器电源

海上平台常用电制为110V交流电用于低压控制配电，而传感器测温模块一般支持电制为24V或12V直流电。通过海上设施常用电气设备应用分析，24V用电设备一般在开关柜内部配置电源转换模块，转换电源后统一给红外测温传感器模块供电。

2.2 传感器布置

中高压开关柜内母排室、电缆室容易出现温度升高现象，安装红外测温传感器模块测温效果较好；低压开关柜电缆出线处容易发生温度升高现象，安装红外测温传感器模块效果较好。红外测温传感器模块故障不影响盘柜正常运行，且安装局限性较小，盘柜集成后也可安装，实时监测母排及三相电缆接头及周边的温度值与不同温度等级图像显示[4]。

2.3 逻辑拓扑连接

开关柜内置交换机，红外测温传感器模块采用Modbus TCP/IP通讯协议，以太网通讯接口，与交换机之间通过铠装屏蔽网线CAT 5E连接。各开关柜内交换机完成数据转换集成之后，通过铠装屏蔽网线CAT 5E外传，将温度值、红外成像、报警信号等数据传输至开关间内上位机系统或第三方系统实时显示。

2.4 上位机功能显示

红外测温系统上位机具备开关柜内部传感器覆盖检测点温度监测的实时显示、红外热成像图像的实时显示、同一检测点温度数据的历史查询、越限报警管理与解除、管理员与用户权限管理、故障日志分析报告等功能。

3 项目应用

南海某项目海上石油平台开关柜内部应用红外测温系统，通过上位机软件系统对开关柜内部的检测区域进行实时监控图像、实时测量温度、故障触发预警、故障原因分析，并完成对监控设备的统一协同配置管理，实现检测点、温度值、故障源等历史数据归档、自动生成报表日志等功能。

当触发报警时，上位机能自动弹出报警页面，页面详细体现故障发生时间、故障点名称及故障源大概位置，伴随声光报警提醒现场值班人员检查，故障排查后值班人员可以打印故障报警记录，与历史数据库进行对比研究分析。

该系统的应用提供了完备的分析处理与运算功能，包括温度越限分析、温度走势曲线分析、故障点温度历史数据对比分析、数据库日志更新与分析处理，保证现场值班人员在开关柜发生事故之前能够及时预警温度变化及时做出处理。该系统软件还具备二次开发功能，后续将建立完整的设备数据库（扩展延申至变压器监测、UPS监测等），帮助工作人员实时监测和动态分析开关柜内部温升情况，提前预测出故障可能发生的部位，保障海上平台开关柜设备的安全可靠运行。

3.1 温度显示主画面

主画面对所有开关柜设备中的红外测温传感器模块进行监控、模拟、显示实时温度，如图1。

图1 温度显示主画面Fig.1 Temperature display main screen

3.2 红外实时图像

单击主画面开关柜示意图，进入相应开关柜非接触式红外实时图像界面，在该窗口中，可查看到各个测温区域的平均温、最高温、最低温等属性。

3.3 报警与历史数据查询

当有温度报警信息时，在标题栏“报警管理”处有一个红点出现，点击查询报警温度、级别、开始时间、结束时间等信息。点击“历史数据”栏，在左侧站点栏选择对应站点、机柜、设备名称、测温对象、开始时间、结束时间，单击“查询”，显示温度曲线如图2。当鼠标移动到温度曲线上的“正常采集粒度”点时，显示出改点的温度、采集时间，双击该点，弹出该点的图像，单击“生成报表”按钮，即可以Word文档形式生成该点的温度报表。

图2 温度变化曲线Fig.2 Temperature change curve

3.4 运行效果图

针对南海某海油平台应用红外测温系统，应用效果良好。通过开关柜内红外测温传感器模块监测数据传输，可以从红外测温系统上位机界面中实时观测到开关柜内部温度情况，分别以黄色、橘黄、红色等不同深度的颜色反映出不同测温点的实时温度等级。当图像温度变为深红色，超过开关柜内温度设定限值时，伴随有声光报警及上位机页面报警指示，提醒现场值班人员尽快完成开关柜内故障排查。

4 结论

为了降低海洋石油平台因中低压开关柜故障导致的停电、火灾等安全事故概率，并结合具体项目应用红外测温系统分析研究。本次应用相对于以往平台的常规开关柜温度检测手段，有了更实时、更智能、更全面、更精准的监测。通过在线监测，及时发现故障开关柜、故障时间点及实时温度。通过各项参数记录分析温度变化趋势，到达设定阈值并发出预警。全面监测各个测温区域的平均温、最高温、最低温等属性，通过历史数据分析有效保证了故障可追溯性，有着比以往平台月检项目更多的数据支持。通过红外成像不同颜色深度区域以及智能分析，直观显示温度异常区域。同时，该系统具有不因安装红外测温传感器模块而改变开关柜内部原有电气设计参数，当温度传感器模块出现故障时，不影响开关柜设备的安全可靠运行的特点。

红外测温系统在海洋石油平台开关柜内的应用，为今后海洋平台设备的供电安全性、可靠性提供了坚实保障，同时也为智能化、无人化平台的推进提供了经验借鉴。