基于紅外熱成像的高壓電氣設(shè)備故障分析系統(tǒng)

廖萌　閆盈瑩

摘 要：文章針對(duì)現(xiàn)目前紅外熱成像診斷技術(shù)存在的問(wèn)題，首先歸結(jié)了紅外熱成像技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)紅外熱成像原理和實(shí)際物體對(duì)外熱輻射的分析，提出了以溫差法為主的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了以O(shè)penCV為平臺(tái)的故障分析系統(tǒng)用以對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行紅外熱成像，再對(duì)其故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與故障分析；實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸變電設(shè)備的在線狀態(tài)檢測(cè)，為電力運(yùn)維人員提供了參考。

關(guān)鍵詞：在線檢測(cè)；紅外熱成像；自動(dòng)識(shí)別；故障分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0101-02

1 概 述

輸變電設(shè)備不但是電力系統(tǒng)中重要組成部分，而且其安全穩(wěn)定運(yùn)行也是確保供電可靠性的一個(gè)重要因素[1]。長(zhǎng)期戶(hù)外運(yùn)行著的輸變電設(shè)備，不僅處于強(qiáng)電磁場(chǎng)和高溫多濕等環(huán)境中，還偶有不可預(yù)估的惡劣天氣出現(xiàn)，這都會(huì)導(dǎo)致輸變電設(shè)備本身的絕緣能力降低[2]，從而故障出現(xiàn)的頻率亦隨之急劇增加。電氣設(shè)備通常發(fā)生各種故障的表現(xiàn)形式為整體或者局部異常發(fā)熱，比如設(shè)備絕緣性能的劣化或者絕緣故障所導(dǎo)致的介質(zhì)損耗的增大而引起了發(fā)熱、接頭的接觸不良引起局部過(guò)熱以及設(shè)備的漏電漏磁引起發(fā)熱現(xiàn)象等[3-4]。為了能降低設(shè)備故障的發(fā)生概率，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，一種有效、安全、可靠的帶電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前電力系統(tǒng)運(yùn)行著的輸變電設(shè)備所最為急迫地需要著的[5]。

基于紅外熱成像原理的電氣設(shè)備監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)中被越來(lái)越多的電力工作人員接受并應(yīng)用了起來(lái)，其不僅可以對(duì)正運(yùn)行中的電氣設(shè)備進(jìn)行不停電的檢測(cè)，還可以對(duì)其缺陷和隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)。并且該紅外熱成像技術(shù)是對(duì)設(shè)備的內(nèi)部輻射紅外光線所進(jìn)行的非接觸、遠(yuǎn)距離的熱成像檢測(cè)，不受電場(chǎng)干擾，目前大多數(shù)都是以人工的方式在對(duì)變電設(shè)備紅外圖像進(jìn)行著分析以及熱故障的診斷，但此方法的效率較低，而且其自動(dòng)化程度不高，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，還容易出錯(cuò)。

2 國(guó)內(nèi)外紅外診斷技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用要追溯都上世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)瑞典電網(wǎng)使用紅外熱成像技術(shù)對(duì)輸電線路的設(shè)備接頭進(jìn)行檢測(cè)，由于技術(shù)不成熟，設(shè)備落后，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)到設(shè)備接頭的溫度；英國(guó)、比利時(shí)、巴西等國(guó)家也在電力系統(tǒng)中相繼應(yīng)用了紅外診斷技術(shù)。

我國(guó)將紅外診斷技術(shù)運(yùn)用于檢測(cè)輸變電設(shè)備始于1970年，當(dāng)時(shí)利用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的紅外測(cè)溫儀對(duì)室外電氣設(shè)備接頭進(jìn)行測(cè)量；近十年，研究人員對(duì)設(shè)備的近端電流回路和設(shè)備的絕緣性能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)以往處理各種發(fā)熱故障事故的經(jīng)驗(yàn)，建立了一套針對(duì)不同發(fā)熱故障對(duì)應(yīng)的紅外熱圖像系統(tǒng)。但這一系統(tǒng)僅僅是從定性上進(jìn)行了診斷，而不能對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行定量的分析。因此，本文提出了基于相對(duì)溫差法的紅外熱成像故障分析系統(tǒng)。

3 輸變電設(shè)備紅外檢測(cè)的基本原理

紅外熱成像技術(shù)是綜合了紅外診斷技術(shù)和導(dǎo)熱反問(wèn)題，用以對(duì)輸變電高壓設(shè)備的內(nèi)部絕緣能力采取的定量分析診斷。其主要內(nèi)容是通過(guò)紅外熱像儀測(cè)量設(shè)備表面的溫度數(shù)據(jù)，然后求解出導(dǎo)熱反問(wèn)題的一個(gè)必要性邊界條件，最后對(duì)逆問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算就可檢測(cè)出設(shè)備內(nèi)部是否有缺陷。

3.1 紅外輻射

所謂紅外輻射是自然界中所有物體都存在的一種紅外電磁波輻射現(xiàn)象，伴隨著電磁波的輻射，有一定量的紅外熱能損耗，這部分輻射的紅外熱的大小能可以利用物體表面的溫度來(lái)度量。

相對(duì)溫差是指兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度之差和兩個(gè)點(diǎn)中重較熱一個(gè)點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)：

ε=■×100%=■×100%

=■×100%（1）

其中，T1和δ1分別為溫度（K）和發(fā)熱點(diǎn)的溫升（K）；

T2和δ2分別為溫度（K）和正常時(shí)候相對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫升（K）；

T0表示環(huán)境參照體溫度；

τ表示相對(duì)溫差。

引入相對(duì)溫差這個(gè)參量是可以在電流大小相同時(shí)，通過(guò)比較設(shè)備的相對(duì)溫差值變化，就可分析設(shè)備發(fā)熱狀況。

3.2 紅外輻射定律

在研究紅外熱輻射與紅外線波長(zhǎng)的關(guān)系中常利用四個(gè)熱定律：普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和朗伯余弦定律。由于輸變電設(shè)備所處的變電站中，強(qiáng)電磁場(chǎng)和各種信號(hào)電磁波分布比較復(fù)雜，因此將選定與電磁場(chǎng)輻射無(wú)關(guān)的普朗克輻射定律：

黑體的絕對(duì)溫度T（K），其單位表面積向外輻射的功率Mλb（λ，T）與溫度T、波長(zhǎng)λ滿(mǎn)足下列關(guān)系：

Mλb（λ，T）=C1λ-5[exp（C2/λT）-1]-1（2）

式中，C1是第一輻射常數(shù)；

C2是第二輻射常數(shù)。

從上式可知，把不同的溫度值代入式（2）中就可以得到各種溫度下物體對(duì)外輻射的紅外熱能。

3.3 實(shí)際物體的紅外熱輻射

根據(jù)普朗克輻射定律可知物體對(duì)外輻射紅外熱的強(qiáng)弱，只與物體的溫度和波長(zhǎng)有關(guān)系，針對(duì)實(shí)際物體，由于能量的損失，所有物體在對(duì)外輻射或者吸收能量的值都低于同等情況下黑體的輻射量，輻射值不僅由溫度和波長(zhǎng)決定，而且與此物體的材料及其形狀有關(guān)。為了更準(zhǔn)確的描述實(shí)際物體的對(duì)外輻射強(qiáng)弱，定義了一個(gè)參量為輻射系數(shù)，也可稱(chēng)為比輻射率，此系數(shù)僅與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。

4 紅外熱成像故障診斷方法與系統(tǒng)

4.1 相對(duì)溫差法判斷方法

在對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行紅外成像識(shí)別及故障診斷過(guò)程中，由于設(shè)備常常處在各種不同的復(fù)雜環(huán)境中，并且負(fù)荷電流對(duì)不同設(shè)備發(fā)熱部位的影響不盡相同。

因此，為提高紅外熱成像識(shí)別和故障診斷的精度，針對(duì)不同情況，有六種判斷方法：表面溫度判斷法、相間互比判別法、同相比較判別法、相對(duì)溫差判斷法、檔案分析法和熱像特征（特征圖譜）判別法。

本文重點(diǎn)研究由電流過(guò)大而致熱的設(shè)備紅外熱成像技術(shù)，因此將采用溫差判斷法來(lái)對(duì)電流致熱型設(shè)備進(jìn)行分析，采用此方法的優(yōu)點(diǎn)是可減少由小負(fù)荷自身缺陷引起的漏判。

相對(duì)溫差法是通過(guò)檢測(cè)兩臺(tái)設(shè)備的兩個(gè)對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)之間的溫度差與兩者中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。測(cè)到異常點(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)境溫度參照體的溫度T0，即可計(jì)算出該異常點(diǎn)的相對(duì)溫差，從而通過(guò)相對(duì)溫差值，并結(jié)合發(fā)熱點(diǎn)溫度，以此為依據(jù)診斷電流致熱型設(shè)備的缺陷，并進(jìn)一步查找出該輸變電設(shè)備的所存在的缺陷問(wèn)題。

4.2 OpenCV平臺(tái)

為了能準(zhǔn)確、快速、可靠的判斷出輸變電設(shè)備有無(wú)因發(fā)熱引起的故障，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于開(kāi)源發(fā)行的跨平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)（OpenCV）。OpenCV數(shù)據(jù)庫(kù)中有非常全面的紅外熱圖像處理庫(kù)，可以為多種程序語(yǔ)言如C、C++、Matlab等，提供圖像處理和計(jì)算機(jī)通用算法的交互[15]。

除了在語(yǔ)言交互方面，OpenCV還為Intel的Integrated performance primitives（IPP）提供了相應(yīng)的連接點(diǎn)，也就是如果當(dāng)要為特定處理器進(jìn)行優(yōu)化的IPP庫(kù)時(shí)， OpenCV將在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)加載這些庫(kù)。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

利用OpenCV平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有直觀、操作簡(jiǎn)便、靈活、方便等優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為六大功能模塊，圖像管理模塊，功能是進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的讀取、保存、拷貝和退出等；人機(jī)界面模塊，主要是電力工作人員與計(jì)算機(jī)的交互界面，其界面具有友好，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)；圖像預(yù)處理模塊，該處理模塊將進(jìn)行被測(cè)設(shè)備的圖像的濾波、灰度處理、圖像分辨率增強(qiáng)和邊緣修整；圖像識(shí)別模塊，將對(duì)設(shè)備的類(lèi)型，型號(hào)進(jìn)行分析，使方位拍攝圖像能自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行下一步工作；故障診斷模塊，根據(jù)圖像前期處理結(jié)果與專(zhuān)家系統(tǒng)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，獲得故障類(lèi)型；幫助文件模塊，此模塊主要是軟件系統(tǒng)的介紹、軟件的使用幫助、圖像處理操作幫助等幫助理論。

該系統(tǒng)對(duì)輸變電設(shè)備熱故障的影響及其受損程度進(jìn)行分類(lèi)，可分為一般熱故障、嚴(yán)重?zé)峁收虾臀ｋU(xiǎn)熱故障三個(gè)等級(jí)，根據(jù)電力故障應(yīng)急措施對(duì)這三種等級(jí)的事故采取對(duì)應(yīng)的處理辦法。對(duì)設(shè)備采取熱故障診斷的根據(jù)是基于OpenCV平臺(tái)的紅外熱成像故障系統(tǒng)判斷被測(cè)設(shè)備有無(wú)發(fā)生故障，當(dāng)判斷發(fā)生故障時(shí)，確定其故障等級(jí)，如是一般熱故障，系統(tǒng)就發(fā)出告警信號(hào)，引起電力工作人員的注意，并尋機(jī)處理；當(dāng)判斷為嚴(yán)重?zé)峁收蠒r(shí)，系統(tǒng)將加強(qiáng)監(jiān)視力度，并安排電力人員及時(shí)處理；當(dāng)判斷為危險(xiǎn)熱故障時(shí)，系統(tǒng)給出相應(yīng)的處理方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)目前利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行輸變電設(shè)備的故障分析診斷的缺陷和不足，本文首先對(duì)紅外熱成像技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)；再對(duì)紅外熱輻射的基本原理和實(shí)際物體的紅外熱輻射進(jìn)行了定量闡述，確定了以相對(duì)溫差法判斷法為主體的研究辦法，并設(shè)計(jì)了基于OpenCV平臺(tái)的故障分析系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)不僅解決了現(xiàn)目前紅外熱成像技術(shù)的問(wèn)題，還大大提高了測(cè)量的精度。

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