丛浩熹 ，李庆民 ，齐 波 ，李成榕 ，刘有为 ，肖 燕

（1.山东大学 电气工程学院 山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室，山东 济南 250061；2.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206；3.华北电力大学 高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206；4.中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

随着我国电力工业的大力发展和需求量的不断增长，气体绝缘金属封闭开关（GIS）被广泛应用于电力系统中［1-2］。GIS设备加工工艺严格、技术先进，且绝缘介质为SF6气体，因而具有良好的开断能力且触头烧伤轻微，具有检修周期长、故障率低、维护费用少、占地面积小等优点。正是由于GIS设备的这些突出优点，其在变电站中的应用日益广泛。当GIS设备触头接触不良时，由于接触电阻变大，在负载电流流过时会产生过热现象。触头、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，形成重大事故，造成巨大的经济损失［3-4］。据不完全统计，国内的众多发电公司、电力公司所采用的GIS设备均不同程度地出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良，造成温度异常变化，从而引发事故的现象［5］。因此，实现对GIS设备的在线温度监测，提前发现并消除热故障隐患，对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。

目前，在现场中应用的预防GIS设备触头过热的措施主要有3种：人工观察触头表面颜色［6］、定期测量回路电阻和使用红外成像仪［7-8］对固定监测点定期进行温度监测。这些方法均存在着一定不足：前2种措施需要GIS设备停电检修，第3种措施中红外成像技术的分辨率和精度都难以达到要求，而且这3种监测方法均难以实现对GIS设备温度的持续测量，即不能实现在线监测。而目前在开关柜触头测温中应用较为广泛的光纤光栅在线测温方法［9-11］，由于GIS结构的特殊性还未在GIS设备触头温度检测中得到广泛应用。红外在线测温方法［12-13］不与被测物体直接接触，不会扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，更重要的是能够实现连续自动测量GIS设备触头的温度并及时进行温度越限预警，具有广泛的应用前景。本文针对GIS设备结构的特点，提出了一种基于红外传感的适用于GIS设备触头温度在线监测的方法，并对影响红外测温精度的因素进行了实验研究。该方法具有较强的实用性，对提高电气设备运行可靠性和电力系统运行可靠性都具有重要的意义。

1 GIS设备红外在线温度监测特点

红外测温是一种非接触式的测量方法，通过接收被测物体的辐射来确定被测物体的温度。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不断地向周围空间辐射红外辐射能量。物体红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因而，通过测量物体自身辐射红外能量的大小便能准确地测定它的表面温度，这就是红外测温所依据的客观基础。黑体的发射率等于1，实际物体的发射率都小于1，只有调整红外温度传感器的发射率与被测物体的发射率一致，测量的导体温度值才是准确的。

图1为GIS设备隔离开关红外温度在线监测装置示意图，包括GIS设备外壳、密封盖板和红外温度传感器等。金属壳体为圆形开孔并向外凸起，保证了金属导体与探头之间的安全距离；密封盖板与金属壳体的结合处为由橡胶圈、密封胶和螺丝组成的良好密封系统。

图1 在线温度监测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of online temperature monitoring device

目前影响GIS设备红外测温精度的因素主要有以下3个。

a.金属导体表面发射率。GIS设备内部为了提高绝缘性能，减少沿面放电和局部放电，内部导体多为抛光的金属。然而金属的发射率是很低的，特别是抛光的金属（铝、铜）发射率约为0.05，要测量金属导体的温度就必须提高被测点的发射率。

b.SF6气体吸收带。GIS设备内部充满SF6气体，从图1可以看出，内部导体辐射的红外光要经过SF6气体吸收带才能到达红外温度传感器。然而SF6气体是一种温室气体，对红外光有着强烈的吸收和辐射能力，应尽量减少SF6气体的红外辐射和吸收，以提高测量的准确性和精度。

c.红外温度传感器的参数要求。GIS设备内部处于高电压、强电场、强磁场的环境下，所使用的传感器要具有合适的测温范围、温度分辨率、距离系数、精度、响应时间、长期稳定性和对环境温度的要求。

2 金属导体表面发射率对红外测温的影响

由第1节可知，要测量金属导体的温度就必须提高被测点的发射率，这给测温工作带来了极大的困难，也是从事在线监测的专业人员难以进行GIS设备内部导体红外测温的原因［14］。文献［14］提出了一种在触座上开圆孔槽，在槽底嵌入SF6环境下具有高稳定化学性质且辐射率高的物质的方法。虽然这种方法将不受金属铝的限制，可以将对铝导体的红外测温转化为对普通材料温度的红外测量，但会给GIS设备的加工和组装带来一定的困难，而且2种材料的温度传递过程可能会导致嵌入物质不能及时反映触头温度变化情况。

本文提出了一种在金属导体触头表面涂敷高辐射涂料的方法，将对金属导体的红外测温转化为对导体表面涂料温度的红外测温，其有以下几点优势。

a.通常情况下，金属及其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内，发射率是表面状态的函数，而与尺寸无关。因此，涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性，而不是基层表面的特性。

b.在GIS设备正常运行过程中，通常内部导体连接部位在额定电流作用下的温度为100℃左右，由于被测物体测量温度范围较小（特别是非金属物体的发射率随温度的变化很小），在实验中可近似认为被测物体表面的发射率不变。

c.在GIS设备正常运行时，开关电流短时间内一般不会出现剧烈波动，涂敷材料与导体触头处于热平衡状态，两者温度相同。

d.简单经济，便于加工，而且涂料与金属紧密结合，能够更好地与金属导体达到热平衡，从而更灵敏地反映金属的温度变化。

e.涂敷的涂料为非金属，不会产生沿面放电、局部放电等现象，具有广泛的应用前景。

本实验中表面涂敷HS-2-1低温红外辐射涂料（图2），该涂料性能优良，红外线法向全发射率达到0.86，且发射率不随温度的变化而改变。将被涂的底材清除油污，进行喷砂处理后再进行喷涂。施工以喷涂为宜，亦可手工刷涂。涂敷厚度为70～100 μm，涂敷区域直径根据下式确定：

图2 导体表面涂敷红外辐射涂料Fig.2 Conductor surface coated with infrared radiation paint

本实验中采用的红外温度传感器的距离系数是15∶1，红外温度传感器探头到测温区域的距离是30 cm，则测温区域的直径最少应为2 cm。当涂敷区域直径小于测温区域最小直径时，背景辐射能量就会进入温度传感器干扰测温读数，造成误差。为保证足够的测量精度，在实际测温时，以被测目标尺寸超过测温区域最小直径的50%为宜。

3 SF6气体对发射率的影响

GIS设备内部从被测物体到传感器之间存在着SF6气体吸收带，红外光在SF6气体中传播时会因为气体分子对辐射的吸收、散射而衰减［15］。SF6气体对中心波长为10.55 μm的红外波段具有非常强的吸收和辐射特性［16］，而对其他波段的红外光吸收较小。由于SF6气体自身固有的辐射特性，所以选择的红外温度传感器应尽量避开对应的吸收带，优先选用的工作波段为6～10 μm。然而经市场调研发现，目前主流的测量低温范围的红外温度传感器工作波段为 8～14 μm，且现有工作波段在 6～10 μm 的红外传感器报价特别高，不利于测温方法的推广应用。

鉴于可调发射率的红外温度传感器在有烟尘及浓雾等条件下的应用，笔者对通过调节红外温度传感器的发射率来补偿SF6气体的吸收效应进行了实验研究。在红外测温过程中，只有红外温度传感器的发射率与被测物体的发射率一致时才能显示正确的温度示数。由于SF6气体的吸收效应，红外温度传感器接收的红外光要小于被测物体发出的红外光，因此其读数小于实际温度值，此时只有调低红外发射率才能得到正确的温度读数。

SF6气体对红外光的吸收效应与SF6气体的体积分数和温度有关。SF6气体封闭在GIS设备内部，尽管不同地域、不同季节外界的环境温度变化可能较大，但设备正常运行时SF6气体的温度变化不大，可近似认为SF6气体温度变化对红外光的吸收没有影响，因此影响红外测温精度的因素主要是SF6气体的体积分数。

本文对不同体积分数SF6气体对发射率的影响以及发射率校准的可行性进行了研究。实验平台包括大电流发生器、GIS隔离开关实验模型、红外温度传感器、热电偶等。其中，红外温度传感器为可调发射率的HE-155A型红外温度传感器，导体表面涂敷HS-2-1低温红外辐射涂料，热电偶埋入隔离开关的触头处作为温度标准值。

3.1 不同SF6气体体积分数对发射率的影响

保持大电流发生器的输出电流值不变即保持导体的温度不变，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的示数变化，然后调整发射率直到红外温度传感器的读数与标准值（热电偶温度的读数）一致，记下此时的发射率见表1。由于气体压强越大，气体体积分数越大，所以表1中用气体压强表征气体体积分数，后同。红外温度传感器的初始发射率设为0.86，与涂料的辐射率一致。

表1 SF6气体体积分数对发射率的影响Tab.1 Influence of SF6concentration on emissivity

通过结果可以看出，随着SF6气体体积分数的升高，红外温度传感器的读数下降，这是由于SF6气体体积分数的升高导致对红外光的吸收增加所致。此时只有调低红外传感器的发射率作为补偿，才能得到正确的温度值。

3.2 加装红外滤光片对发射率的影响

GIS内部长期处于高温、强电场环境中，在短路时开断电流产生的高温电弧可能会损伤红外温度传感器的探头，因此在工程中在探头前装设红外滤光片来加以保护。然而，红外滤光片不能够完全地通透红外光，其会对红外温度传感器的读数产生影响。加装红外滤光片后，保持大电流发生器的输出电流值不变即保持导体的温度不变，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的读数变化，然后调节传感器的发射率直到传感器的读数与标准值（热电偶温度的读数）一致，记下此时传感器的发射率，结果见表2。

表2 加装红外滤光片后不同SF6气体体积分数对发射率的影响Tab.2 Influence of SF6concentration on emissivity of IR sensor with IR filter

调节大电流发生器的输出电流值即改变导体的温度，待导体温度恒定后，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的读数变化，然后调节传感器发射率直到红外温度传感器的读数与标准值（热电偶温度的读数）一致，记录此时的发射率，实验结果见表3，表中Io为输出电流。

表3 不同导体温度对发射率的影响Tab.3 Influence of conductor temperature on emissivity

通过表2可以看出，加装红外滤光片后，随着SF6气体体积分数的升高，红外温度传感器的读数下降，这是由于SF6气体体积分数的升高导致对红外光的吸收增加所致。此时调低红外传感器的发射率作为补偿，仍然能够得到正确的温度值。通过表3可以看出，加装红外滤光片后，不同温度下红外温度传感器的发射率基本不变。这是由于被测物体为红外辐射涂料，其发射率在不同温度下的发射率恒定；同时，体积分数一定的SF6气体对红外光的吸收和辐射特性一定，所以，不同导体温度下红外温度传感器的发射率基本保持不变。从上述实验结果可看出，加装滤光片后，只要SF6气体的体积分数一定，则红外温度传感器的发射率基本恒定，这说明了通过发射率校准来补偿SF6气体吸收效应的可行性，相关发射率的实验数据可为红外温度传感器的工程应用提供参考依据。

3.3 外界环境温度变化对红外测温的影响

保持大电流发生器输出电流值和SF6气体的体积分数不变，对GIS外壳局部加热40 min，记录红外温度传感器读数变化情况见表4。

表4 外界环境温度变化对红外测温的影响Tab.4 Influence of environmental temperature on IR sensing

从表4可以看出，外界环境温度的局部变化（如现场中光照、局部温度升高），对于红外温度传感器的测量基本没有影响。

4 GIS设备触头在线温度监测系统的设计

基于红外原理的GIS设备触头温度在线监测系统主要包括可调发射率的红外温度传感器、红外温度传感器前端装设的红外滤光片、被测金属导体表面涂敷的红外辐射涂料和温度信号处理电路。整个温度监测系统分为硬件系统和软件系统：硬件系统包括红外温度传感器、数据采集和发射模块、信号中继点、数据管理平台；软件系统包括温度数据采集程序、无线通信程序、数据管理平台温度管理程序。红外温度传感器分别装在隔离开关、断路器和母线的触头处，采集的数据经过无线发射装置被中心节点中继后，通过GPRS网络传输到数据管理平台。

图3 红外温度传感器的安装图Fig.3 Installation of IR temperature sensor

图3给出的是触头处红外温度传感器的结构示意图。导体触头上的黑色部分为涂敷的红外辐射涂料，可以提高被测金属导体的发射率，同时涂敷的范围要满足红外温度传感器距离系数参数的要求。在红外传感器探头的前端装有红外滤光片，能够过滤干扰波段，而且能够承受断路器开断短时高温电弧的冲击，保护红外温度传感器的探头。红外传感器上集成有无线发射模块，采集的温度信号可以通过无线网络传输到控制台。从图中可以看出，红外测温方法不与被测物体直接接触，能够不扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，相对传统的测温方法具有明显的优势。

图4为GIS设备触头温度在线监测系统图。断路器、母线、隔离开关等触头处测量的温度数据经过无线信号中心节点中继，通过无线网络传输到控制台（数据管理平台），这样在控制台侧就可以实时观察到触头温度的变化情况，能够实现连续自动测量GIS设备触头的温度并及时进行温度越限预警。

图4 GIS设备触头温度在线监测系统图Fig.4 Online GIS contacts temperature monitoring system

红外温度传感器采用可调发射率的HE-155A型传感器，无线通信网络选择具有抗干扰能力强、通信距离远、延迟短等优势的ZigBee网络。红外传感器实现高电压、强磁场的隔离，而且不破坏GIS设备内部温度场。采集的温度数据通过无线传输方式可以不受距离限制、无需现场布线。集成的红外温度在线监测系统结构简单，成本较低，安装方便，抗干扰能力强，且具有较高的运行稳定性和可靠性，应用前景广阔。

图5 隔离开关触头温度变化图Fig.5 Temperature variation of disconnecting switch contacts

图5给出了大电流发生器的输出电流为1 kA时连续监测隔离开关触头温度的结果。从图中可以看出，触头温度不断升高，经过40 min基本保持稳定。经过反复测试和优化设计，整个红外测温系统的测量精度为1℃，重复精度为0.5℃。

5 结论

为了实现GIS设备触头温度的在线监测，本文提出了一种基于红外原理的适用于GIS设备触头温度在线监测的方法，并对影响红外测温精度的因素进行了研究。

a.通过对SF6气体下红外温度传感器的实验研究，得到了温度传感器发射率的变化规律，为GIS设备红外温度传感器的实际应用可行性奠定了基础，也为GIS设备红外温度传感器的参数选择提供了依据。

b.外界环境温度的改变对于红外测温基本没有影响。将红外温度传感器安装于现场，当环境温度改变或光照等因素导致GIS设备局部温度改变时，红外温度传感器仍能保持良好的稳定性。

c.提出了一种基于红外原理的GIS设备触头温度在线监测系统，该系统结构简单，成本较低，安装方便，抗干扰能力强，且具有较高的运行稳定性和可靠性。

所提方法不与被测物体直接接触，能够不扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，具有广阔的应用前景。