紅外測(cè)溫技術(shù)在電力設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

周 侶, 崔昊楊

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 杭州供電公司, 浙江 杭州 310052; 2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

紅外測(cè)溫技術(shù)在電力設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

周 侶1, 崔昊楊2

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 杭州供電公司, 浙江 杭州 310052; 2.上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對(duì)傳統(tǒng)人工檢測(cè)存在的不足,概述了電力設(shè)備紅外診斷技術(shù)的基本原理以及特點(diǎn),分析了適用于設(shè)備紅外診斷的測(cè)溫儀器種類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)并討論了基于溫度信息的電力設(shè)備故障診斷技術(shù).提出了利用紅外檢測(cè)技術(shù)提高電力設(shè)備可靠運(yùn)行性的方法.

紅外測(cè)溫; 電氣設(shè)備; 故障診斷; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及能源互聯(lián)網(wǎng)的興起,電力系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備的安全提出了更高的要求.作為電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),變電站等區(qū)域的安全性顯得尤其重要.變電站等區(qū)域的安全不僅包括設(shè)備的安全防盜,更重要的是變電站內(nèi)部電氣設(shè)備的運(yùn)行安全.對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)與評(píng)估,能夠有效提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性.盡管電氣設(shè)備發(fā)生故障的物理機(jī)理涉及電、磁、熱、力等方面,但故障的具體表象絕大多數(shù)表現(xiàn)為溫度異常,可以將這些部件的溫度監(jiān)測(cè)值作為設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和分析的依據(jù).

變電站設(shè)備巡檢工作主要以運(yùn)行維護(hù)人員定期巡視及紅外測(cè)溫為主.巡視是指運(yùn)行維護(hù)人員通過(guò)目測(cè)、耳聽(tīng)、鼻嗅、手摸等方法對(duì)變電站內(nèi)的電力設(shè)備和設(shè)施進(jìn)行全面檢查.由于檢測(cè)手段的不足,使得設(shè)備的內(nèi)在缺陷和隱患很難被發(fā)現(xiàn).紅外測(cè)溫是指運(yùn)行維護(hù)人員手持紅外測(cè)溫儀器定期對(duì)變電站內(nèi)的電力設(shè)備開(kāi)展整體、局部紅外測(cè)溫檢測(cè)工作.然而在電力系統(tǒng)的“發(fā)、輸、配、變、用”環(huán)節(jié)中,有大量設(shè)備的溫度需要監(jiān)測(cè)和預(yù)警[1].對(duì)工作人員而言,設(shè)備紅外檢測(cè)需要耗費(fèi)大量時(shí)間,存在工作量大、效率低、易漏檢、管理成本高等缺點(diǎn)[2].隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電力設(shè)備故障診斷理論的發(fā)展,電力設(shè)備紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用為上述問(wèn)題提供了新的解決途徑[3],同時(shí)也使電力設(shè)備得到有效、全面、智能的診斷和維護(hù).

本文概述了電氣設(shè)備紅外測(cè)溫技術(shù)的原理及特點(diǎn),列舉了測(cè)溫儀器的種類(lèi)及特點(diǎn),總結(jié)了紅外測(cè)溫故障診斷技術(shù)的基本理論,為電力設(shè)備紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了理論基礎(chǔ).

1 紅外測(cè)溫技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1.1 紅外測(cè)溫技術(shù)原理

按照紅外輻射理論,自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度的物體均向外輻射紅外線[3].因?yàn)榧t外輻射的本質(zhì)是熱輻射,紅外輻射度則取決于物體的溫度,利用紅外線探測(cè)器接收電力設(shè)備表面的紅外輻射度,并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè).對(duì)于電力設(shè)備,紅外測(cè)溫與故障診斷的基本原理就是探測(cè)設(shè)備表面的紅外輻射信號(hào),從而獲得設(shè)備的溫度特征,以此診斷設(shè)備有無(wú)故障及故障嚴(yán)重程度.測(cè)溫系統(tǒng)的組成包括紅外投射鏡頭(分為平面型及透鏡型)、紅外探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示屏等.

針對(duì)紅外輻射的特點(diǎn),觀測(cè)距離和視角是影響紅外熱輻射檢測(cè)精度的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù).在對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫的過(guò)程中,應(yīng)盡量保證在觀測(cè)距離允許范圍內(nèi)、在設(shè)備表面法線方向進(jìn)行正向測(cè)量.在不進(jìn)行數(shù)據(jù)后期修正算法處理的條件下,最大允許觀測(cè)視角范圍不能超過(guò)±30°,否則設(shè)備表面溫度測(cè)量值將與真實(shí)值存在較大誤差,且誤差值隨著觀測(cè)視角的增大而增大.

1.2 電力設(shè)備紅外輻射的特點(diǎn)

1.2.1 紅外輻射強(qiáng)度與輻射率的關(guān)系

由黑體輻射定律可得到黑體的溫度與波長(zhǎng)的關(guān)系[4-5],即由黑體輻射的普朗克定律和斯蒂芬-波爾茲曼定律可知,目標(biāo)體的紅外熱輻射功率滿足如下關(guān)系式:

(1)

(2)

式中:PλT——光譜輻射功率; λ——紅外輻射的波長(zhǎng); T——熱力學(xué)溫度; C1——第一輻射常數(shù); C2——第二輻射常數(shù); PT——全輻射功率;σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù).

在實(shí)際測(cè)量中,由于電力設(shè)備與黑體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)存在明顯差別,這將導(dǎo)致紅外輻射的測(cè)量過(guò)程中必須引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的參數(shù),即輻射系數(shù)ε.此時(shí),光譜輻射功率和全輻射功率可改寫(xiě)為:

(3)

(4)

上述分析表明,輻射率對(duì)于設(shè)備紅外輻射的測(cè)量結(jié)果具有非常明顯的影響.例如:設(shè)黑體輻射率為1,電力設(shè)備材料輻射率為0.8,由式(1)和式(3),可計(jì)算出不同溫度下兩者的紅外輻射光譜分布曲線,如圖1所示.

圖1 黑體和電力設(shè)備的紅外輻射光譜

由圖1可以看出,由于輻射系數(shù)不同,在150 ℃時(shí),黑體和電力設(shè)備的光譜輻射度之差達(dá)到34 W/m2,這就對(duì)測(cè)量結(jié)果造成了較大的影響.總體而言,紅外輻射的強(qiáng)度將隨著輻射系數(shù)和設(shè)備溫度的減小而降低.為了準(zhǔn)確檢測(cè)電力設(shè)備的運(yùn)行溫度,必須確定設(shè)備表面的紅外熱輻射系數(shù),然后對(duì)紅外測(cè)溫儀器修正電路的輻射率ε進(jìn)行設(shè)定.一般情況下,電力設(shè)備種類(lèi)不同,其表面的輻射系數(shù)也不相同,具體的設(shè)備表面輻射系數(shù)可從紅外技術(shù)手冊(cè)中查詢,如電力設(shè)備中常見(jiàn)材料的輻射系數(shù)可以設(shè)定如下:絕緣子為0.91～0.94,電極銅片為0.59～0.61,鋁導(dǎo)線為0.30～0.40.

1.2.2 紅外輻射峰值波長(zhǎng)與設(shè)備溫度的關(guān)系

從圖1中還可以看出,紅外輻射的峰值波長(zhǎng)與物體的表面溫度密切相關(guān),兩者呈反比關(guān)系,即紅外輻射的峰值波長(zhǎng)隨電力設(shè)備溫度的降低而變大,溫度越高,物體輻射的紅外波波長(zhǎng)越短;溫度越低,波長(zhǎng)越長(zhǎng).在設(shè)備溫度升高的過(guò)程中,光譜輻射度的峰值波長(zhǎng)移動(dòng)規(guī)律遵循維恩公式:

(5)

式中:λ——光譜輻射峰值波長(zhǎng);T——熱力學(xué)溫度.

在選用紅外測(cè)溫儀器測(cè)量電力設(shè)備的運(yùn)行溫度時(shí),儀器探測(cè)到的紅外輻射波長(zhǎng)必須覆蓋設(shè)備紅外輻射的峰值波長(zhǎng).根據(jù)式(5),在0～95 ℃范圍內(nèi),紅外輻射的波長(zhǎng)范圍為7.9～9.6 μm,因此在電力設(shè)備紅外測(cè)溫選型過(guò)程中,應(yīng)選用紅外大氣窗口為8～14 μm的紅外探測(cè)器,測(cè)量量程為-30～300 ℃即可滿足需求.

1.2.3 紅外輻射強(qiáng)度與開(kāi)氏溫度的關(guān)系

由式(2)和式(4)可知,設(shè)備單位表面的總輻射功率與開(kāi)氏溫度的四次方成正比,即設(shè)備的運(yùn)行溫度越高,其向外輻射出的紅外輻射強(qiáng)度越大,設(shè)備溫度越低,紅外輻射的強(qiáng)度越小.這就要求在測(cè)量低溫區(qū)間的設(shè)備溫度時(shí),需要采用靈敏度高的傳感器,否則將受到大氣輻射的影響,造成較大的測(cè)量誤差.此外,即使設(shè)備表面溫度發(fā)生微小變化,也將引起設(shè)備表面輻射功率的較大變化.物體向外輻射的紅外信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器可轉(zhuǎn)換為與接收到的輻射功率大小成正比的電信號(hào).依據(jù)這一特性對(duì)設(shè)備表面紅外輻射進(jìn)行探測(cè),就能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的非接觸測(cè)溫.

2 紅外測(cè)溫儀器的種類(lèi)

紅外測(cè)溫儀器是獲取電力設(shè)備溫度的關(guān)鍵設(shè)備,目前應(yīng)用比較廣泛的儀器包括紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀.其中,紅外測(cè)溫儀是采用薄膜熱電堆或者熱釋電模塊作為探測(cè)器,其優(yōu)點(diǎn)是不需要制冷,價(jià)格較低.其缺點(diǎn)是不能掃描成像,只能顯示視場(chǎng)內(nèi)的平均溫度.而且儀器的距離系數(shù)比不滿足要求時(shí),測(cè)溫結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差.

紅外熱像儀分為制冷型和非制冷型傳感器.制冷型傳感器一般是對(duì)紅外光子進(jìn)行探測(cè),其特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、空間分辨率和溫度分辨率高,掃描成像后可較為準(zhǔn)確地顯示被測(cè)設(shè)備的溫度場(chǎng)分布.此類(lèi)儀器工作時(shí)需要制冷,技術(shù)要求高,成本比較昂貴.

目前,非制冷紅外焦平面技術(shù)日趨成熟,前些年主要依靠FLIR公司、FLUKE公司等國(guó)外企業(yè)供貨,近幾年國(guó)內(nèi)部分廠商及科研院所開(kāi)始加大研發(fā)力度,如浙江大立、廣州颯特、武漢高德等公司已經(jīng)研發(fā)出性能較好的微測(cè)輻射熱計(jì)紅外焦平面和薄膜型紅外焦平面器件.與制冷型紅外熱像儀相比,非制冷紅外熱像儀具有低成本、低功耗和小型化等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域.盡管非制冷型紅外熱像儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備工作溫度的定性與定量化檢測(cè),但高像素的非制冷型紅外熱像儀(如1 024×1 024 像素)的價(jià)格仍相對(duì)較高.

在紅外測(cè)溫儀器選型的過(guò)程中,應(yīng)依據(jù)被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)決定.例如,對(duì)于部分設(shè)備并不需要定量獲取溫度而僅需得到紅外熱圖像分布時(shí),可采用紅外電視更加符合這一要求.如果部分設(shè)備只需對(duì)局部重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè),并不需要昂貴的儀器進(jìn)行紅外成像,此時(shí)只要采用價(jià)格較低廉的紅外測(cè)溫儀即可.

3 電力設(shè)備紅外診斷技術(shù)

運(yùn)行中的電力設(shè)備,無(wú)論是載流設(shè)備中電流效應(yīng)引起的發(fā)熱,還是反映設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)損耗的電壓效應(yīng)引起的發(fā)熱,發(fā)生故障區(qū)域的溫度都將發(fā)生顯著變化,并向周?chē)h(huán)境輻射紅外線.對(duì)于紅外檢測(cè)技術(shù)而言,所采用的判據(jù)理論直接影響著設(shè)備紅外診斷的準(zhǔn)確性和可靠性.我國(guó)電力行業(yè)相繼制定了《DL/T664-1999帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》和(DL/T664-2008帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)基于紅外技術(shù)的帶電設(shè)備故障診斷有較好的指導(dǎo)作用.近年來(lái),隨著圖像處理和其他相關(guān)技術(shù)的引入,紅外診斷技術(shù)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展,對(duì)變電設(shè)備紅外圖像的自動(dòng)分析和診斷是變電設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要研究方向.

3.1 溫度閾值法

目前,就基于溫度信息對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障的判定規(guī)則而言,基本上仍局限于溫度閾值方法,即溫度高于某一閾值就認(rèn)為設(shè)備存在故障,而低于某一閾值就認(rèn)為運(yùn)行正常.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中,在用溫度界定電氣設(shè)備運(yùn)行是否正常時(shí),采用的就是這種簡(jiǎn)單的方式.但由于電氣設(shè)備的種類(lèi)繁雜,關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量眾多,單一的閾值無(wú)法準(zhǔn)確診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),而且電氣設(shè)備的損壞是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程,因此簡(jiǎn)單地將設(shè)備分為正常和故障兩種狀態(tài)并不符合實(shí)際情況.

此外,電氣設(shè)備處于不同的運(yùn)行環(huán)境下,損壞溫度的界限各不相同,僅僅把設(shè)備工作狀態(tài)分為正常和故障兩種狀態(tài)過(guò)于絕對(duì),閾值溫度法的診斷結(jié)果往往不能準(zhǔn)確反映設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),容易造成誤判.

3.2 相對(duì)溫差法

針對(duì)閾值評(píng)估方法存在的不足,在設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中又發(fā)展出了溫升檢測(cè)法,即用同一檢測(cè)儀器測(cè)得被測(cè)物體表面溫度和環(huán)境溫度參照體表面溫度之差.該方法主要包括絕對(duì)溫度判斷法和相對(duì)溫差法兩種.絕對(duì)溫度判斷法是將過(guò)熱部位的溫度與GB/T11022-1999,DL/T664-1999,DL/T 664-2008標(biāo)準(zhǔn)中的物體最大工作溫升和相對(duì)溫差表進(jìn)行對(duì)照,并做出診斷.相對(duì)溫差法是計(jì)算兩個(gè)對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)溫升之比的百分?jǐn)?shù).

相對(duì)溫差的計(jì)算式為:

(6)

式中:δt——相對(duì)溫差;t1——發(fā)熱點(diǎn)溫升;T1——發(fā)熱點(diǎn)溫度;t2——正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫升;T2——正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度;T0——環(huán)境溫度參照體的溫度.

3.3 同類(lèi)比較法

同類(lèi)比較是設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中另一種常用的方法,其核心思想是在同一電氣回路中,當(dāng)三相(或兩相)設(shè)備相同且三相電流對(duì)稱時(shí),比較三相(或兩相)電流致熱型設(shè)備對(duì)應(yīng)部位的溫升值,可判斷設(shè)備是否正常.

若三相設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)異常,可與同回路的同類(lèi)設(shè)備比較.這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠排除負(fù)荷和環(huán)境溫度對(duì)紅外診斷結(jié)果的影響,在同型設(shè)備和同一設(shè)備的三相診斷中應(yīng)用較多.其缺點(diǎn)在于,在不同類(lèi)型的設(shè)備群中,沒(méi)有對(duì)比目標(biāo)時(shí),其應(yīng)用受到一定的限制.

3.4 人工智能診斷法

針對(duì)閾值方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足,人們又相繼提出了電氣設(shè)備故障的人工智能診斷方法,如模糊診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及專家系統(tǒng)等.

模糊診斷法的基本原理是依據(jù)設(shè)備熱故障的影響和危害性,將電力設(shè)備的熱缺陷分為幾種故障等級(jí),如正常狀態(tài)、一般故障和嚴(yán)重故障.正常狀態(tài)是指雖然設(shè)備的溫度升高,但設(shè)備并沒(méi)有發(fā)生故障,仍然可以正常使用.一般故障是指溫升對(duì)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的影響不大,可以在加強(qiáng)監(jiān)視的情況下使用.嚴(yán)重故障是指設(shè)備在溫升的情況下,若繼續(xù)運(yùn)行會(huì)造成危害的故障,具有此類(lèi)故障的設(shè)備需要立刻停止運(yùn)行.

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行處理、學(xué)習(xí)和記憶、非線性映射和自適應(yīng)能力等特點(diǎn).由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法衍生出的各類(lèi)故障診斷方法,如自組織映射(SelfOrganizingMap,SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]、貝葉斯正則化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]等在電氣故障診斷方面效果顯著.利用大量參數(shù)作為故障診斷模型的初始輸入變量,經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的訓(xùn)練,可實(shí)現(xiàn)輸入樣本的故障評(píng)估和診斷,使故障診斷效率得到明顯提高.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文概述了紅外測(cè)溫診斷技術(shù)的基本原理,測(cè)溫儀器種類(lèi)及其特點(diǎn),總結(jié)并討論了電力設(shè)備紅外測(cè)溫診斷技術(shù)中的若干基本理論.結(jié)果表明,紅外輻射強(qiáng)度隨輻射率的減小而降低,紅外輻射峰值波長(zhǎng)隨設(shè)備溫度的降低而增大,紅外輻射強(qiáng)度與開(kāi)氏溫度的四次方成正比.利用溫度信息診斷設(shè)備故障時(shí),應(yīng)充分考慮設(shè)備的使用年限、運(yùn)行環(huán)境等因素,以做出綜合評(píng)估.本文的研究對(duì)提高電力系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

[1] 張國(guó)燦,蘇東青,葉玉云.紅外成像技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù),2012(12):48-49.

[2] 崔昊楊,許永鵬,孫岳,等.基于自適應(yīng)遺傳算法的變電站紅外圖像模糊增強(qiáng)[J].高電壓技術(shù),2015,41(3):902-908.

[3] HERIANSYAH R,SAR Abu-Bakar.Defect detection in thermal image for nondestructive evaluation of petrochemical equipments[J].NDT&E International,2009,42(8):729-740.

[4] WANG X,YANG W,RONG M,etal.Development of digital infrared temperature sensor for high voltage power equipment[J].High Voltage Apparatus,2002,38(2):19-21.

[5] DAI W,FANG M.Infrared detection technology application and research on power station[J].Infrared Technology,2006,28(5):306-309.

[6] ROMESSIS C,MATHIOUDAKIS K.Bayesian network approach for gas path fault diagnosis[J].Engineering for Gas Turbines and Power,2006,128(1):64-72.

[7] 高宇.基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電電子裝置故障診斷[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010,22(3):142-145.

[8] 李紅連,唐炬.基于BRBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障診斷方法[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2013(2):152-155.

[9] 石鑫,朱永利.深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力變壓器故障診斷中的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2015,36(12):116-122.

(編輯 白林雪)

Study of Infrared Technique Used in Diagnosis ofElectric Power Equipment

ZHOU Lü1, CUI Haoyang2

(1.HangzhouPowerSupplyCompany,StateGridZhejiangElectricPowerCorporation,Hangzhou310052,China; 2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The basic principle and characteristics of infrared diagnosis technology of electrical equipment are summarized and the types of the IR measuring instrument applied to the infrared diagnosis are analyzed,and the fault diagnosis technology of electrical equipment is discussed based on the temperature data.Then a method of improving the reliability of power equipment using the infrared detection is offered.

infrared theory; electrical equipment; fault diagnosis; neural network

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.008

2016-07-27

簡(jiǎn)介：崔昊楊(1978-),男,博士后,教授,吉林四平人.主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè),半導(dǎo)體光電器件等.E-mail:cuihy@shiep.edu.cn.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)地方能力建設(shè)項(xiàng)目(15110500900).

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1006-4729(2016)06-0543-04