紅外熱成像技術(shù)對高壓電氣設(shè)備的診斷與分析

李 祉 豪

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院， 沈陽 110136)

紅外熱成像技術(shù)對高壓電氣設(shè)備的診斷與分析

李 祉 豪

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院， 沈陽 110136)

針對紅外熱成像診斷技術(shù)存在的相關(guān)問題，設(shè)計并研發(fā)了以專家系統(tǒng)為核心的紅外熱成像診斷技術(shù)，再根據(jù)診斷結(jié)果規(guī)定了熱故障等級和處理措施，用以對高壓電氣設(shè)備進(jìn)行紅外熱成像，并對其故障進(jìn)行自動識別與故障分析。通過對某220 kV變電站的三相刀閘進(jìn)行對比熱成像試驗(yàn)，并分析可知：基于專家系統(tǒng)的紅外熱成像診斷技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地找到電氣設(shè)備的故障位置、區(qū)域溫差，并分析其故障原因。實(shí)現(xiàn)了對輸變電設(shè)備的在線狀態(tài)檢測，為電力運(yùn)維人員提供了參考。

高壓電氣設(shè)備； 紅外線； 專家系統(tǒng)； 故障分析

0 引 言

電力設(shè)備在長期運(yùn)行中，發(fā)熱現(xiàn)象通常會是非常嚴(yán)重的故障隱患。設(shè)備在過熱狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，將造成設(shè)備材料的機(jī)械、電氣、物理、化學(xué)等各方面性能劣化，從而損壞設(shè)備[1]，危害電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

針對大部分的電氣設(shè)備的故障發(fā)生情況都是階梯式出現(xiàn)，本文設(shè)計了一種以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的紅外熱成像診斷技術(shù)，不僅可以對高壓設(shè)備溫度進(jìn)行實(shí)時全方位監(jiān)控，還能準(zhǔn)確可靠地判斷出設(shè)備出現(xiàn)過熱的故障類型，并解決電力設(shè)備的過熱問題?；诩t外熱成像的高壓電氣設(shè)備故障分析系統(tǒng)，對于及時發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備缺陷，預(yù)防重大設(shè)備故障的發(fā)生起到了非常關(guān)鍵的作用，同時在未來電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備狀態(tài)檢修中也將發(fā)揮著重要作用。

1 紅外熱成像圖診斷技術(shù)

1.1 紅外熱成像技術(shù)原理

文獻(xiàn)[2]中所定義的紅外熱成像是根據(jù)熱傳感器所收集的物體熱輻射能后，進(jìn)行后期PC制作、收納成像的一種非接觸式紅外熱成像技術(shù)[3]，隨著熱力學(xué)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的推廣，紅外熱成像技術(shù)也被用來對高壓一次電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時在線狀態(tài)監(jiān)測以及熱故障的診斷[4]。該技術(shù)擁有可操作性強(qiáng)、使用安全、測量準(zhǔn)確度高、診斷效率高以及能提供計算分析功能的優(yōu)點(diǎn)，紅外熱成像技術(shù)還能從安全距離測量高壓設(shè)備的溫度值將其轉(zhuǎn)換生成紅外熱像值并把被測設(shè)備的熱量值精確量化。

一切超過絕對零度的物體都對外進(jìn)行紅外輻射，實(shí)際物體的輻射度除了與波長和溫度有關(guān)，還和物體的材料表面狀態(tài)有關(guān)[4]。根據(jù)文獻(xiàn)[5]中所述：被測物體表面上的任意一點(diǎn)都能夠被紅外熱成像技術(shù)找到其二維溫度場，并通過紅外熱像圖上將物體的二維溫度場顯示出來，以便于診斷分析。本文采用了斯蒂芬-波爾茲曼紅外輻射定律可得：被測電氣設(shè)備表面的絕對溫度與其向外輻射紅外線功率的關(guān)系：

P=εσT4

(1)

式中：P為物體向外輻射紅外線功率；T為物體的絕對溫度(K)；ε為物體表面的紅外發(fā)射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ=(5.670 32±0.000 71)×1012。

由式(1)可知，在測得物體表面的絕對溫度后，就可求得物體的紅外輻射功率。

1.2 噪聲濾除

對紅外輻射數(shù)據(jù)影響的因素較多，例如：太陽熱能、臨近高壓設(shè)備的熱輻射、被測高壓設(shè)備的周圍物理環(huán)境、被測物體的紅外熱發(fā)射率等[6]。為了獲得準(zhǔn)確的輻射數(shù)據(jù)，降低前述的影響噪聲，第一是保證操作人員正確使用紅外熱像儀，并正確設(shè)置技術(shù)參數(shù)；其次是需要對噪聲進(jìn)行后期處理，可在時域或頻域內(nèi)對圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，如采用鄰域平均、中值濾波等算法，但是這些濾波算法只適合濾除一種或幾種噪聲信號。為了獲得更準(zhǔn)確的高壓設(shè)備紅外特征信息，本文采用基于小波分析理論在時域-頻域范圍內(nèi)進(jìn)行局部噪聲濾除。

1.3 紅外熱成像分割與特征提取

針對不同的高壓電氣設(shè)備，其故障的特征也相差較大。因此，在獲得紅外圖像并濾除噪聲信號后，對紅外圖像進(jìn)行分割與特征提取。目前，圖像分割基本理論包括小波變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。為了大范圍對數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，決定采取小波變換、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合的方式。經(jīng)過圖像分割后，再對電氣設(shè)備的熱像圖進(jìn)行部分特征量的獲取，這些特征量包括：被測物體所在環(huán)境的溫度、同類電氣設(shè)備的平均溫度、最高熱點(diǎn)溫度、發(fā)熱區(qū)域分布等特征參數(shù)，采用式(1)可以計算出設(shè)備的紅外輻射功率，并配合系統(tǒng)軟件就可以判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障類型。

高壓設(shè)備的熱圖像和普通可見光熱圖像相比，其熱信號不強(qiáng)，受噪聲影響大，因此被測圖像往往模糊，可辨析度較低, 圖像凸點(diǎn)的復(fù)雜度、紋理等受物體表面紅外輻射場的分布影響較大；現(xiàn)場電力設(shè)備種類較多, 大部分熱圖像混雜與各種設(shè)備的局部溫度場, 其他設(shè)備的紅外輻射場不可避免地影響被測高壓設(shè)備；當(dāng)把紅外熱成像測量系統(tǒng)安放在不同的距離、方向以及周圍其他環(huán)境因素時，所測量到的同一設(shè)備的紅外熱圖像差別較大。

為了減少以上因素的影響，獲得較為準(zhǔn)確的熱圖像數(shù)據(jù)，選取同一類型高壓設(shè)備的圖像周長與面積之比以及偏心度這兩個特征量。以此為參考量，被測設(shè)備紅外熱圖像的特征向量空間公式為:

Pi={mi1,mi2}T,i=1,2,…,N

(2)

式中：N為設(shè)備類別數(shù)；mi1、mi2為第i類樣本兩個特征的平均值。通過式(2)就可以計算出每類樣本兩個特征的平均值，同時也減少各因素的影響。

1.4 故障識別

在對紅外熱圖像處理后，對實(shí)時圖像進(jìn)行電力設(shè)備故障識別。①把紅外熱成像圖以列為單元找出每個連通區(qū)域；②計算這些連通區(qū)域的特征向量:

ξ={ω1,ω2}T

(3)

式中：ω1、ω2為待測連通區(qū)域樣本中的特征值。

再利用鄰近法則[6]

(4)

進(jìn)行判別, 式(4)成立，則ξ∈Ω(v∈[1,N]),同時設(shè)一閾值θ，若

(5)

則判定為拒絕識別。

針對拒絕識別的區(qū)域?qū)⒗萌藱C(jī)交互法進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的求解, 然后通過PC終端確定此區(qū)域中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象的是什么高壓設(shè)備，最后進(jìn)行自動識別和標(biāo)注。

1.5 故障分析技術(shù)

在識別和標(biāo)注后對此紅外熱像圖進(jìn)行故障分析。紅外熱像圖的故障分析主要有表面溫度、圖像特征、同類比較、相對溫差、檔案分析等技術(shù)手段[7]，最后PC終端將根據(jù)不同的工況，選擇最適宜的判斷手段。

表面溫度判斷法的原理是通過被測高壓設(shè)備的表面溫度值；圖像特征判斷法主要適用于電壓致熱型設(shè)備，根據(jù)同類設(shè)備的正常與異常狀態(tài)的紅外熱像圖分析，判斷設(shè)備是否正常；同類設(shè)備比較判斷法是比較同類型設(shè)備或設(shè)備不同相，對比相應(yīng)的溫度，判斷設(shè)備是否存在異常；相對溫差法，即根據(jù)相對溫差判定的方法,相對溫差判斷法主要適用于電流致熱型設(shè)備；檔案分析法更有利于對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行診斷，但是要首先建立設(shè)備技術(shù)檔案，要有基礎(chǔ)的紅外圖譜或原始檢測數(shù)據(jù)[8]。

2 紅外熱像處理專家系統(tǒng)

所謂專家系統(tǒng)就是采取人工智能程序開發(fā)的近似解法，作為一種智能的計算機(jī)程序運(yùn)用相關(guān)知識和推理過程來解決一些專家型復(fù)雜問題[9]。

通過該系統(tǒng)，首先對待測設(shè)備在不同特殊環(huán)境條件下運(yùn)行狀態(tài)熱像圖進(jìn)行獲取，再經(jīng)圖-數(shù)編碼轉(zhuǎn)換后編入PC終端，用以建立高壓設(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)溫度數(shù)據(jù)庫；收集相關(guān)專家處理類似事件的經(jīng)驗(yàn)[10]，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，采用最小二乘法求出高壓設(shè)備故障征兆的閾值和事故趨勢；以數(shù)字編碼為PC終端識別語言，建立高壓設(shè)備在線監(jiān)測專家系統(tǒng)庫；通過比對熱像圖的專家系統(tǒng)，判斷其運(yùn)行狀態(tài)[11-12]；通過公式解出需要檢測高壓設(shè)備的最高溫度。利用試驗(yàn)確定設(shè)備的紅外發(fā)射率，需要達(dá)到熱圖像數(shù)據(jù)庫的兩個條件:① 該熱圖像是二維點(diǎn)陣圖, 其大小為128×100×8bit。② 對此熱圖像的說明包括以下內(nèi)容：設(shè)備型號、設(shè)備故障類型、設(shè)備的紅外發(fā)射率、設(shè)備可正常運(yùn)行的最低和最高溫度, 圖像拍攝時間等[13-14]。

3 故障的自動診斷

表1所示是熱故障等級及其處理措施。進(jìn)行故障診斷，首先通過傳感器測得被監(jiān)測高壓設(shè)備中的最高溫度，然后利用式(1)得到其紅外線發(fā)射率，再由溫度和發(fā)射率的計算結(jié)果，快速判定該設(shè)備的發(fā)熱故障等級[15]。與此同時，通過人機(jī)交互的方式從熱圖像專家數(shù)據(jù)庫中獲得該設(shè)備的紅熱數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)來判斷該設(shè)備的診斷結(jié)果。

表1 熱故障等級和處理措施

4 專家系統(tǒng)設(shè)計

通過分析目前紅外熱成像技術(shù)的劣勢，并研究高壓設(shè)備發(fā)熱與紅外熱像圖的關(guān)系，通過紅外熱圖像技術(shù)和專家系統(tǒng)判別方法，設(shè)計了基于專家系統(tǒng)的紅外熱成像技術(shù)來診斷高壓電氣一次設(shè)備。該診斷流程如圖1所示，首先將采集到的被測高壓一次設(shè)備紅外熱像圖進(jìn)行圖像去噪聲預(yù)處理，然后通過目標(biāo)識別和溫度計算進(jìn)行判斷該設(shè)備的發(fā)熱缺陷等級，同時通過專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對該設(shè)備的溫度和紅外發(fā)射功率數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

專家系統(tǒng)有如下功能：

圖1 高壓設(shè)備故障自動診斷系統(tǒng)流程圖

(1) 根據(jù)高壓一次設(shè)備在不同的工作環(huán)境，選取最佳的紅外熱圖像算法，該算法具有速度快，且數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。然后對紅外熱圖像進(jìn)行初期降噪、圖像分割和特征提取。

(2) 用Java編寫應(yīng)用程序，將紅外成像圖錄入PC終端，專家系統(tǒng)就可判斷設(shè)備是否發(fā)生故障和類型。

(3) 收集了在不同運(yùn)行環(huán)境下，高壓一次設(shè)備的紅外熱圖像信息，并歸集近年來高壓設(shè)備運(yùn)行、檢修等基本信息，計算出高壓設(shè)備故障征兆的閾值和事故趨勢，建立設(shè)備狀態(tài)識別與故障分析的專家系統(tǒng)。

(4) 將紅外熱成像專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)逐步進(jìn)行應(yīng)用，通過大量試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，不斷完善專家系統(tǒng)。

5 試 驗(yàn)

5.1 紅外熱成像試驗(yàn)

對一220 kV變電站的母線側(cè)三相刀閘進(jìn)行試驗(yàn)，將正常狀態(tài)與故障發(fā)熱狀態(tài)(線路過電流導(dǎo)致發(fā)熱型和過負(fù)載導(dǎo)致發(fā)熱型)的紅外熱像圖進(jìn)行檢測。并將測得的紅外圖像與設(shè)計的專家系統(tǒng)做對比，再通過系統(tǒng)對高壓設(shè)備的故障進(jìn)行判斷、識別和分析。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2所示為國家電網(wǎng)某一220 kV變電站中220 kV母線連接的A、B、C三相刀閘的紅外熱成像圖。由圖中可以看出，A、B、C三相刀閘接口連接點(diǎn)的溫度分別為21.3 ℃、19.3 ℃和45.5 ℃，此時的環(huán)境溫度是16 ℃。經(jīng)溫差計算，C和B相刀閘的溫差為26.2 K，其相對溫差為86%，最后認(rèn)定C相刀閘的發(fā)熱性質(zhì)為嚴(yán)重缺陷。

圖2 母聯(lián)三相刀閘紅外熱像圖

經(jīng)過本系統(tǒng)分析可知，該試驗(yàn)刀閘的缺陷是由電流過大導(dǎo)致的發(fā)熱，其根本原因是刀閘處的接觸電阻過大，而引起了其連接處過熱。在通常情況下，刀閘處的接觸電阻較大，主要是在安裝施工時，螺絲擰的松緊程度不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，從而刀閘的接觸頭部不夠平整和光滑。由以上試驗(yàn)可知，本文設(shè)計的基于紅外熱成像的故障分析系統(tǒng)不僅能快速地找到電氣設(shè)備發(fā)生故障的位置，測出故障設(shè)備的周邊溫度，還能準(zhǔn)確分析設(shè)備出現(xiàn)故障原因。

6 結(jié) 語

設(shè)計的紅外熱成像專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非接觸、準(zhǔn)確、實(shí)時測得高壓電氣設(shè)備狀態(tài)情況，并且該系統(tǒng)還具有紅外熱成像圖分辨率高、受周圍強(qiáng)電磁干擾影響較小、安全可靠、效益-投資比高等優(yōu)點(diǎn)。其不僅是未來開展輸電網(wǎng)電力設(shè)備狀態(tài)檢修的重要檢測手段，而且也是智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

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The Diagnosis and Analysis for High Voltage Electrical Equipment Based on the Infrared Thermal Imaging

LIZhihao

(School of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China)

This paper designed and developed an infrared thermal imaging diagnostic device with the core of expert system. in order to solve the problems existing in the infrared thermal imaging diagnostic techniques. The device can be used to produce infrared thermal image for high voltage electrical equipment and the identify and analyze fault. According to the diagnostic results, the thermal fault level and countermeasures are provided. Finally, a comparative test is carried out for a three-phase disconnecting link in a 220 kV substation, the results show that the system can accurately identify equipment failure location, the difference of regional temperatures, and the cause of the fault. The actual measurement of dielectric loss has verified the convenience and practicability of the device, so it is useful for operators.

high voltage electric equipment; infrared ray; expert system; failure analysis

2016-10-29

李祉豪(1993-)，男，遼寧營口人，助理工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化。E-mail：bingyuhg@126.com

TN 219

A

1006-7167(2017)04-0037-04