遠程紅外熱成像檢測技術在變電站巡檢機器人中的設計與應用研究

洪 　剛陳耀高袁　愿

（1.廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門 361001）

遠程紅外熱成像檢測技術在變電站巡檢機器人中的設計與應用研究

洪 剛1陳耀高2袁愿2

（1.廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.廈門紅相電力設備股份有限公司，福建 廈門 361001）

本文基于遠紅外熱成像技術原理及遠紅外熱成像在應用領域中的優(yōu)勢，提出變電站遠紅外熱成像巡檢機器人的設計思路，借助電力設備檢測集控中心數據平臺，可快速發(fā)現并診斷電力設備故障所在，也可應用于故障隱患預測，從而保障電力設備安全運行。

紅外熱成像；檢測；機器人；電力設備

變電站的安全巡檢是電力工業(yè)系統的一項重大課題。推廣使用變電站巡檢機器人不僅可以解放勞動力，節(jié)約人力資源，更重要的是提高了安全保障。根據電力設備運行過程發(fā)熱的特點，將紅外熱成像技術應用于變電站巡檢機器人，可預測并檢測變電站運行狀況，從而保障電網安全穩(wěn)定，提高供電質量。

1.紅外熱成像技術

紅外熱成像是借助光電設備，通過非接觸形式，將人類視覺不可分辨的輻射能量信號轉換成人類視覺可以分辨的圖像信號的一門技術。紅外熱成像常用于檢測系統中，這項技術突破了人類感官觸覺和視覺的局限，促進了多個領域檢測水平的提升。

1.1紅外熱成像原理

人類的感官視覺可分辨光波波長范圍為0.38μm～0.78μm，人類感官視覺不可分辨的波長范圍為0.78μm～1000μm，這一波長范圍稱之為電磁波，又稱為紅外線、紅外輻射。自然界中任何溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體，在其構成自身分子和原子的運動下，均不停地向外輻射出一定波長的紅外線，并產生輻射能量（紅外熱能），物體輻射出的紅外線以及產生的紅外熱能未能為人類視覺和觸覺感知，但可以借助一定光電探測設備可以探測出，并將檢測到的信號轉換成圖像視頻信號形成圖像，測出該物體溫度與溫度場分布，從而判斷該物的運行狀態(tài)。即根據物體溫度發(fā)生的微小變化，診斷其存在故障或缺陷的情況，或預測其可能性。

根據紅外熱成像這一原理，借助智能機器人這一載體，將二者有機結合，定制紅外熱成像巡檢智能機器人，則可實現變電站等電力設備的安全巡檢，實現電網故障隱患早發(fā)現早處理，為電力設備運行狀態(tài)檢測提供了科學和安全保障。

1.2紅外熱成像檢測技術優(yōu)勢

1.2.1應用廣泛

紅外熱成像檢測設備在各大領域廣泛應用，其原因在于：紅外熱成像檢測設備采用光電信號轉換技術，將不可見的紅外輻射轉換為可見圖像信號，故而，其不因周圍光照等條件的變化而受影響，可以對目標物體實行晝夜檢測，甚至在霧霾、暴雨、大風等惡劣環(huán)境下仍然提供準確地檢測。目前在森林防火、安全防范監(jiān)控、電力系統檢測、醫(yī)學診斷和軍事領域均得到廣泛應用。

1.2.2靈敏精準

圖1　系統模塊結構設計圖

圖2　系統模塊功能設計圖

圖3　傳感設備檢測系統設計圖

圖4　人機交互系統設計圖

采用紅外熱成像檢測技術對電力設備進行檢測，其靈敏度很高，在基礎室溫在30℃溫度時，用一臺普通的紅外熱成像檢測儀進行檢測電力設備系統，其靈敏精確度可達0.12℃～0.02℃。即普通紅外熱成像檢測儀即可分辨出被檢測的電力設備零點幾度的溫差，根據檢測到的溫差，通過數據推演，則可診斷出被檢測的電力設備溫度場的微小變化，為精準診斷電力設備故障點和預測電力設備故障隱患提供有力的技術支撐。

1.2.3高效可靠

由于紅外熱成像檢測設備捕捉的是紅外輻射信號，即紅外熱成像檢測設備捕捉光波信號，因而不受電磁干擾，即使是在強電磁場的環(huán)境下（如輸變電站、高壓線網）工作，紅外熱成像儀檢測設備并未受到任何影響，性能仍然很優(yōu)越且穩(wěn)定可靠。目前應用于電力設備上的紅外熱成像檢測技術均采用先進的紅外搜索與跟蹤系統，具有很強的抗干擾性能，且能同時跟蹤多個檢測目標，能實現遠距離精確檢測目標和跟蹤目標，大大提高了工作效率。

1.2.4安全直觀

紅外熱成像檢測借助光電探測設備，通過獲取被檢測物表面熱輻射的紅外能信號實現檢測，因此，可以通過遠程監(jiān)控平臺操控設備即可實現檢測，實現非接觸式即時檢測，負電狀態(tài)下的電力設備均可用紅外熱成像儀檢測。紅外熱成像檢測技術徹底顛覆了傳統人工檢測巡檢方法，檢測人員只需進行計算機及相關設備操作或遙控，根據熱成像視頻信號，判斷檢測結果，具有安全、直觀的優(yōu)勢。

2.遠紅外熱成像檢測技術在電力工業(yè)中的應用

2.1應用范圍

電力工業(yè)是一個龐雜的系統，電網縱橫交錯，變電站星羅棋布，電力設備及其組成元件多，分布地域廣，功能特性雜，其故障發(fā)生和故障隱患情況與緣由差異大，但統計結果顯示，電力設備內外接觸不良、絕緣體受潮劣化等是其電力系統故障產生的最主要因素。電力設備故障則可產生溫度變化，而溫度變化則可通過紅外熱成像檢測設備得知。目前，紅外熱成像檢測在電力工業(yè)領域的應用較為普遍，范圍也較為廣泛，通常包括：變壓器、避雷器、電容器、高壓線路等。

2.2應用效果

由于紅外熱成像檢測克服了光源要求和電磁干擾，可以在黑夜甚至完全黑暗無光的環(huán)境下進行，且檢測的范圍大、距離遠。因此，遠紅外熱成像檢測設備可以為所有電氣設備、配電系統，包括高壓接觸器、熔斷器盤、主電源斷路器盤、接觸器、以及所有的配電線、電動機、變壓器等。利用紅外熱成像檢測，可以發(fā)現潛在故障和隱患，不僅提高了檢測效果，有效防止故障隱患發(fā)生，也大大降低了人工檢測的不安全因素。此外，用紅外熱成像檢測設備代替?zhèn)鹘y維修中的定期清掃和緊固工作，可以節(jié)約費用50%～90%，大大節(jié)省了檢測成本，提高了檢測效率。

3.變電站遠紅外熱成像巡檢機器人設計

變電站巡檢機器人集機電一體化技術、多傳感器融合技術、電磁兼容技術、導航及行為規(guī)劃技術、機器人視覺技術、無線傳輸技術于一體，是多項技術的綜合應用。

變電站遠紅外熱成像巡檢機器人基于其工作性能的定位，在設計上遵循“無人值守、無線遙控、多重感應、紅外檢測、數據分析”理念，定制“可替代運行維護人員巡檢”效果的智能機器人。

3.1功能設計

根據變電站遠紅外熱成像巡檢機器人的設計理念和定制要求，結合變電站巡檢機器人工作環(huán)境，可知變電站巡檢機器人必須具備以下基礎功能：

（1）移動。變電站遠紅外熱成像巡檢機器人可以通過感應系統按照導航指令移動，能按照指令完成前進、后退、向左、向右、暫停等動作，能越過或避讓一定的障礙物，并能實現移動速度可控。

（2）無線控制。變電站遠紅外熱成像巡檢機器人能解碼各式方程指令，通過感應系統實現無線操控，即通過磁感應、紅外感應等系統對機器人輸入指令操控該機器人。

（3）精準定位。變電站遠紅外熱成像巡檢機器人具備自我發(fā)射定位信號和呼應基站信號的能力，通過信號呼應完成自我精準定位，且達到正負2cm定位精度。

（4）圖像識別。變電站遠紅外熱成像巡檢機器人借助無線遙控與主控系統，將收集的輻射信號信息傳輸到后臺計算機系統，再通過計算機系統對接受的數字信號進行處理，轉為圖像信號，并對圖像信號進行處理和分析，從而診斷巡檢對象是否存在故障或故障隱患。

3.2系統模塊設計

根據變電站熱成像巡檢機器人的設計理念、功能要求以及工作指標，此機器人應包括如下幾個子系統。如圖1所示。

人機交互系統關聯機器人與操作者，從工作流程上是：操作者輸入指令，機器人獲取指令后控制其運動，同時將傳感數據反饋主控系統的數據中心。

無線遙控系統集合了多重感應，其主要功能是將指令和數據通過磁感應或紅外感應的方式進行發(fā)送，使機器人由操作者掌控。

主控系統連接計算機數據中心，其主要功能是搜集傳感器的數據，對搜集的數據進行比對和處理，按照操作者的指令，實現對機器人與其他功能系統相應關聯與控制。

電源系統的功能是為機器人提供動力源，保障機器人移動、指令信號接收與處理，完成指令動作所必須的能源。

傳感系統主要作用是接收與發(fā)送信號和數據，機器人通過信號與數據接收與發(fā)送，完成自身精準定位和數據分析處理，并通過無線遙控或感應系統發(fā)送給控制基站。

圖像識別主要借助無線遙控系統與傳感系統將接收到的數字信號傳輸至后臺計算機系統，由后臺計算機對接收的數字信號進行分析、處理與診斷。以上各系統的功能如圖2所示。

3.3傳感器系統設計

變電站遠紅外熱成像巡檢機器人傳感系統可融合磁導航和紅外傳感系統，避免對光源的要求其他條件的干擾。利用電站遠紅外熱成像巡檢機器人這一移動載體平臺，搭載各種檢測系統或裝置。如：存儲數據庫（存儲媒介）、智能定位系統、遠紅外熱成像儀系統、圖像采集處理系統、聲音采集處理系統等。如圖3所示。

3.4人機交互系統設計

變電站熱成像巡檢機器人的導航與監(jiān)控管理最終依賴人的操控，因此，須建立一個機器人監(jiān)控中心（基站），對機器人進行有效地導航與監(jiān)控管理。一般而言，機器人監(jiān)控基站與機器人之間通過無線網橋組成無線局域網，操作人員基于網絡實現對機器人的全面監(jiān)控與管理。如圖4所示。

在人機交互系統中，可見光圖像、紅外圖像等數據匯集到網絡集線器后，經無線網橋、網絡集線器傳到基站計算機中心，連接到局域網上的計算機可實時瀏覽變電站機器人反饋的各項數據，從而分析判斷電力設備故障情況和機器人自身運行情況。

4.遠紅外熱成像巡檢機器人應用

4.1遠紅外熱成像巡檢機器人在故障診斷中的應用

如上所述，遠紅外熱成像巡檢機器人是一個移動集控平臺，基于這一平臺，通過人機交互系統，實現與計算機云平臺系統關聯，從而完成視頻監(jiān)控、遠紅外云臺測溫、變壓器油色譜監(jiān)測、高壓室環(huán)境監(jiān)測、避雷器監(jiān)測等監(jiān)測監(jiān)控，建立變電站智能巡檢管理平臺，實時采集設備的溫度、油色譜、氣體密度、高壓室環(huán)境等信息。在此基礎上，機器人將檢測到的設備運行的狀態(tài)信息、視頻圖像信息通過無線遙控與傳感系統，傳輸到后臺計算機系統進行必要地分析判斷、整合和集成，通過數字信號與圖像信號的相互轉換和處理，反饋至基站或監(jiān)控中心，通過數據與圖像的分析比對，得出巡檢對象運行狀況，并以直觀的圖像形式展示，從而為快速診斷電力設備故障提供技術支撐，為及時搶修電力設備做好前期準備和基礎。

4.2遠紅外熱成像巡檢機器人在預測維護中的應用

圖5　預測維護過程示意圖

變電站等電力系統設備鮮有突然出現故障，故障原因分析統計顯示：絕大部分電力故障是電路逐步受損產生的結果。溫度產生變化常常是設備損壞或功能故障的起初征兆，這一征兆只有通過紅外溫測方可得知，即電路早期發(fā)生的故障性溫度變化信號只有通過紅外熱成像檢測儀才能獲取。遠紅熱成像巡檢機器人是非接觸紅外溫度測量，可以二維圖像的形式來記錄溫度狀況。同時，與只能在單個點處獲取溫度數據的紅外攝像儀不同，遠紅外熱成像機器人可以捕獲關鍵部位以及設備系統整體的溫度，通過無線遙控與傳感系統將圖像傳輸至后臺計算機系統，并通過計算機系統對數據信息與圖像信息進行分析處理、甄別與判斷，對照計算機系統中心數據庫信息，將紅外數據與來自其他技術的數據進行關聯，得出關鍵性數據，從而綜合評估出設備的實際運行狀況，為預測性維護提供技術支撐。遠紅外熱成像巡檢機器人在預測性維護的應用過程如圖5所示。

[1]白廷柱，金偉其.光電成像原理與技術[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]宋玉偉，宋純鵬.紅外成像技術在生命科學中的應用[J].生命科學研究，2004（5）：121-125.

[3]戴景民，汪子君.紅外熱成像無損檢測技術及其應用現狀[J].自動化技術與應用，2007（1）：1-3.

TM63

A