輸變電設(shè)備紅外故障診斷技術(shù)與試驗(yàn)研究

魏鋼 馮中正 唐躍 林吳琛

（重慶電力公司檢修分公司，重慶 400039）

隨著電力工業(yè)向大機(jī)組、大容量與超特電壓的方向迅速發(fā)展，輸配電的可靠性愈加重要[1]。長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，設(shè)備的發(fā)熱現(xiàn)象往往預(yù)示著極其嚴(yán)重的故障隱患，因此，對(duì)電力設(shè)備溫度進(jìn)行密切監(jiān)控，準(zhǔn)確有效地判別過(guò)熱設(shè)備故障類型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備過(guò)熱，對(duì)保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行、大力推進(jìn)集約化管理有著非常重要的意義。由于絕大部分電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)都與熱度關(guān)系密切，可以用溫度高低來(lái)判斷其工作狀態(tài)。紅外熱像診斷技術(shù)由此而成為電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的一項(xiàng)行之有效的手段，其具有操作安全、靈敏度高、檢測(cè)診斷效率高、可進(jìn)行計(jì)算分析等特點(diǎn),所以近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)中應(yīng)用日益廣泛。

為了判斷電氣設(shè)備是否出現(xiàn)故障，設(shè)計(jì)了一款軟件，將紅外圖像照片選中導(dǎo)入軟件后，計(jì)算機(jī)對(duì)該異常點(diǎn)進(jìn)行360°的全方位掃描，根據(jù)相對(duì)溫差判斷法，計(jì)算設(shè)備相對(duì)溫差的超出規(guī)定值并確定設(shè)備故障與否，反饋故障信息。設(shè)計(jì)方案提高電力設(shè)備的檢測(cè)可靠性、提高工作效率，并且降低電力設(shè)備檢測(cè)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

電氣設(shè)備檢測(cè)方法，如圖1所示。

圖1 電氣設(shè)備檢測(cè)方法

1 電氣設(shè)備故障紅外熱像儀測(cè)量原理

1.1 相對(duì)溫差法判斷方法

通過(guò)相對(duì)溫差計(jì)算，可以進(jìn)行故障判斷。該方法主要適用于電流致熱型設(shè)備，特別是對(duì)小負(fù)荷電流致熱型設(shè)備采用相對(duì)溫差判斷法可降低小負(fù)荷缺陷的漏判率。

通過(guò)檢測(cè)出異常點(diǎn)的發(fā)熱溫度T1、正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度T2、以及環(huán)境參考體的溫度T0，可以計(jì)算出該異常點(diǎn)的相對(duì)溫差，作為電流致熱型設(shè)備缺陷診斷的判據(jù)。

相對(duì)溫差計(jì)算[2]：

式中，T1為發(fā)熱點(diǎn)的溫度；T2為正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度；T0為環(huán)境溫度參照體的溫度；τ為相對(duì)溫差。

1.2 測(cè)量設(shè)備溫度的智能方法

根據(jù)紅外熱像儀監(jiān)測(cè)得到的紅外熱像圖，可以按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值，則可以測(cè)出該熱像圖上的最高溫度和最低溫度，即可確定：最高溫度處為異常點(diǎn)的發(fā)熱溫度，而最低溫度為環(huán)境溫度。

測(cè)量方法如下：

1）選擇被檢測(cè)的電氣設(shè)備，確定該電氣設(shè)備的溫度圖像照片。

2）如圖2射線1，以最高溫度點(diǎn)為發(fā)熱點(diǎn)，測(cè)量出發(fā)熱溫度T1，再測(cè)量出環(huán)境參考溫度T0，如圖2所示。

3）以發(fā)熱點(diǎn)為原點(diǎn)，做一條直線，計(jì)算經(jīng)過(guò)該直線各點(diǎn)的溫度，繪制成t-x曲線圖；再去掉最高溫度區(qū)域和最低溫度區(qū)域，計(jì)算出該圖T1、T3、X1、X2以及曲線所圍城的積分面積S，如圖3所示。

4）將該直線作360°旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，如圖2中旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α后得到射線2，再重復(fù)以上運(yùn)算計(jì)算面積S，如圖3，找到面積最大值Smax，即該直線通過(guò)被測(cè)設(shè)備的區(qū)域最大；求得該最大面積時(shí)的平均溫度T2，為正常相對(duì)應(yīng)的溫度。

5）通過(guò)式τ =(T1-T2)/(T1-T0)×100%，對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行缺陷診斷，并反饋故障信息。

圖2 紅外熱像圖

圖3 t—x積分s

其中：T1、T3為紅外圖片上的最高溫度區(qū)域臨界溫度和最低溫度區(qū)域臨界溫度；X1、X2是縱坐標(biāo)為T1、T3時(shí)溫度曲線的橫坐標(biāo)。

1.3 紅外熱像技術(shù)計(jì)算原理

紅外熱像技術(shù)是將物體的熱輻射掃描成像的一種非接觸診斷技術(shù)。物體的紅外熱圖像實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是其表面的二維溫度場(chǎng)。物體表面的絕對(duì)溫度與物體的紅外輻射功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定率確定[3]：

式中，P為物體的紅外輻射功率（W·cm-2）；T為物體的絕對(duì)溫度（K）；ε為物體表面的紅外發(fā)射率τ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)。

紅外熱像圖中的噪聲會(huì)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。在正確設(shè)置技術(shù)參數(shù)后，在時(shí)域或頻域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，也可基于小波分析理論在時(shí)域-頻域范圍內(nèi)進(jìn)行局部噪聲濾除。選擇一種最優(yōu)算法，獲取更清晰的設(shè)備紅外特征信息。

1.4 紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀是由紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描組成的系統(tǒng)。被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，由光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，再由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理轉(zhuǎn)換，通過(guò)檢測(cè)器顯示紅外熱像圖，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值[4]。

2 圖像識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

軟件需要從紅外圖片中尋找出環(huán)境溫度，設(shè)備正常溫度以及熱點(diǎn)溫度，再根據(jù)紅外診斷應(yīng)用規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行缺陷分析，軟件分析流程圖如圖4所示：

圖4 軟件溫度掃描

首先，選擇需要被檢測(cè)的電氣設(shè)備，確定該電氣設(shè)備的溫度圖像照片。

其次，以最高溫度點(diǎn)為發(fā)熱點(diǎn)，測(cè)量出發(fā)熱溫度T1，再測(cè)量出環(huán)境參考溫度T0。

再次，以發(fā)熱點(diǎn)為原點(diǎn)，做一條直線，計(jì)算經(jīng)過(guò)該直線各點(diǎn)的溫度，繪制成t-x曲線圖；再去掉最高溫度區(qū)域和最低溫度區(qū)域，計(jì)算出該圖 T1、T2、X1、X2以及曲線所圍城的積分面積S，如圖8所示。

然后，以發(fā)熱點(diǎn)為原點(diǎn)，該直線作360°旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，便重復(fù)以上運(yùn)算計(jì)算面積S，如圖8，找到面積最大值Smax，即該直線通過(guò)被測(cè)設(shè)備的區(qū)域最大；求得該最大面積時(shí)的平均溫度T2，為正常相對(duì)應(yīng)的溫度。

最后，通過(guò)相對(duì)溫差計(jì)算公式對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行缺陷診斷，并反饋故障信息。

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)選擇了三種高壓設(shè)備作為代表性試驗(yàn)：110kV的電流互感器和電壓互感器。檢測(cè)該設(shè)備的正常狀態(tài)與故障發(fā)熱狀態(tài)下的紅外熱像圖譜，作為代表性試驗(yàn)，進(jìn)行圖像特征分析和專家數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，使開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備識(shí)別、故障判斷、故障自動(dòng)分析等功能。

3.1 電流互感器正常情況分析

如圖5所示為電流互感器正常運(yùn)行時(shí)在線監(jiān)測(cè)的分析：通過(guò)軟件分析計(jì)算知參考溫度為 38.1℃，設(shè)備最高溫度為40.7℃，環(huán)境溫度為36℃；通過(guò)計(jì)算相差溫度T＜95%，故屬于正常情況，與軟件分析得出的結(jié)果一致。

圖5 電流互感器正常情況

3.2 電流互感器嚴(yán)重缺陷故障分析

如圖6所示為電流互感器嚴(yán)重缺陷故障時(shí)的軟件自動(dòng)分析，熱點(diǎn)溫度為 49.4℃，正常設(shè)備溫度為34.1℃，軟件分析計(jì)算可知故障類型為電流致熱型故障，相對(duì)溫差達(dá)90%以上，缺陷屬于嚴(yán)重缺陷，并給出處理建議。分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)在檢測(cè)該電流互感器的故障情況一致。

3.3 電壓互感器正常情況分析

如圖7所示：通過(guò)軟件分析計(jì)算知參考溫度為37℃，設(shè)備最高溫度為37.7℃，環(huán)境溫度為33℃；通過(guò)計(jì)算相差溫度T＜95%，故屬于正常情況，與軟件分析得出的結(jié)果一致。

圖6 電流互感器嚴(yán)重缺陷故障分析

圖7 電壓互感器正常情況

3.4 電壓互感器嚴(yán)重缺陷故障分析

圖8所示為電壓互感器嚴(yán)重缺陷故障時(shí)的軟件自動(dòng)分析，熱點(diǎn)溫度為39.3℃，正常設(shè)備溫度為36.1℃，軟件分析計(jì)算可知故障類型為電流致熱型故障，相對(duì)溫差達(dá)97%以上，缺陷屬于嚴(yán)重缺陷，并給出處理建議。分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)在檢測(cè)該電壓互感器的故障情況一致。

圖8 電壓互感器嚴(yán)重缺陷故障處理報(bào)告

通過(guò)此次試驗(yàn)分析并與傳統(tǒng)試驗(yàn)方式比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用紅外熱像儀在線監(jiān)測(cè)電力設(shè)備，并用軟件自動(dòng)分析電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）紅外熱像儀監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備圖像直觀，所測(cè)得數(shù)據(jù)安全可靠。

2）紅外熱像儀在線監(jiān)測(cè)不接觸測(cè)溫、不受電磁干擾、探測(cè)距離的影響。

3）紅外熱像儀對(duì)診斷電力設(shè)備的熱故障隱患具有檢測(cè)速度快、效率高、判斷準(zhǔn)的特點(diǎn)。

4）采用軟件自動(dòng)分析電力設(shè)備故障，減少分析時(shí)間，有利于即時(shí)判斷故障。

4 結(jié)論

通過(guò)紅熱成像儀對(duì)高壓設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用本文研究方法對(duì)設(shè)備圖像進(jìn)行掃描診斷時(shí)，發(fā)現(xiàn)其溫度異常點(diǎn)，并根據(jù)溫度分布和相對(duì)溫差進(jìn)行故障判斷。為了準(zhǔn)確判斷電氣設(shè)備是否出現(xiàn)故障以及故障類型，設(shè)計(jì)了一款軟件，將紅外圖像照片選中導(dǎo)入軟件后，計(jì)算機(jī)對(duì)該異常點(diǎn)進(jìn)行全方位掃描，分析出異常點(diǎn)的發(fā)熱溫度、正場(chǎng)設(shè)備溫度以及環(huán)境溫度，計(jì)算出相對(duì)溫差，根據(jù)該溫差值是否超出規(guī)定值來(lái)確定設(shè)備故障情況，同時(shí)軟件自動(dòng)對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行缺陷診斷，并反饋故障信息。

通過(guò)紅外熱像儀監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況，導(dǎo)入開(kāi)發(fā)的軟件中分析電氣設(shè)備的缺陷診斷，得到故障信息。研究的診斷方法能快速自動(dòng)檢測(cè)到電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的真實(shí)狀態(tài)，并且該監(jiān)測(cè)方法具有不接觸、不停運(yùn)、不取樣、不解體的檢測(cè)功能，安全高效。同時(shí)做到節(jié)省工時(shí)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少設(shè)備維修費(fèi)用，大大提高電網(wǎng)供電可靠性。

[1]張維力.紅外熱像儀在電力工業(yè)中的應(yīng)用[J].激光與紅外, 1996, 26(2): 105, 106, 111.

[2]DL/T 664—2008.帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 2008.

[3]胡紅光.電力紅外診斷技術(shù)作業(yè)與管理[M].北京:中國(guó)電力出版社, 2006.

[4]陳玻若.紅外系統(tǒng)[J].兵器工業(yè)出版社, 1995.

[5]PAL N R, PAL S K. A review on image segmentation techniques[J]. Pattern Recognition, 1993, 26(9).

[6]沈清,湯霖.模式識(shí)別導(dǎo)論[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社, 1991.

[7]JOSEPH C, GIARRATANO J, RILEY D.印鑒譯.專家系統(tǒng)原理與編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[8]程玉蘭.紅外診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[9]WHITTINGTON H W, FLYNN B W. High Reliability Condition Monitoring Systems[J]. Non-Destruct Testing.2008, 35(11).

[10]陳衡.我國(guó)紅外診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].激光與紅外, 1998(5).