紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的應(yīng)用

楊青波,魏 卓,胡四全,樊宏偉,廖 巍,柴衛(wèi)強(qiáng),孟學(xué)磊

(1.許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000；2.許繼集團(tuán)有限公司,河南 許昌 461000；3.國網(wǎng)上海市電力公司,上海 200122)

1 引 言

特高壓直流輸電工程,是國家電網(wǎng)公司“一特四大”重大戰(zhàn)略的主要組成部分,承擔(dān)著電力發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)。換流閥是特高壓直流換流站中的核心設(shè)備,價(jià)格昂貴,作用重要[1]。換流閥設(shè)備一旦出現(xiàn)故障,不僅會(huì)導(dǎo)致直流輸電工程的停運(yùn),嚴(yán)重情況下,可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流閥或閥廳的起火,從而引發(fā)重大的安全事故。如何及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備的各種安全問題及故障隱患,避免換流閥關(guān)鍵零部件溫度異常所導(dǎo)致的火災(zāi)隱患,是需要認(rèn)真研究的重要課題。

本文對(duì)紅外測溫技術(shù)進(jìn)行研究,結(jié)合換流閥實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,提出換流閥關(guān)鍵部件近距離在線紅外測溫算法,及測溫裝置設(shè)計(jì)方案,并完成測溫實(shí)驗(yàn)及紅外成像驗(yàn)證。

2 紅外測溫理論研究

2.1 紅外測溫理論推導(dǎo)

由普朗克輻射定律可知,物體在波長λ下的輻射能量與物體溫度存在特定關(guān)系,關(guān)系表達(dá)式為:

(1)

其中,Mλ(T)為黑體光譜輻射出射度,單位為W/(m2·μm)；C1為第一輻射常數(shù),C1=3.7418×1016W·m2；C2為第二輻射常數(shù),C2=1.4338×102K·m；λ為輻射波長,單位為μm；T為目標(biāo)物體的熱力學(xué)溫度,單位為K。

對(duì)于理想漫輻射體,它的輻射出射度和輻射亮度存在以下關(guān)系[2]:

Mλ(T)=πLλ(T)

(2)

其中,Lλ(T)為物體在溫度為T時(shí),在波長λ下的輻射亮度。

紅外測溫的原理是通過紅外測溫器接收目標(biāo)物體的紅外輻射,將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后由采樣芯片將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過輸出的數(shù)字信號(hào)來獲取目標(biāo)物體的表面溫度。物體所發(fā)出的紅外輻射有兩部分構(gòu)成,即自身表面紅外輻射和反射環(huán)境的紅外輻射。實(shí)際情況中,紅外測溫器工作時(shí)所探測到的紅外輻射包括目標(biāo)物體自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射這三種主要的輻射[3]。

紅外探測器所接收到的波長λ下的輻射功率可表示為:

Pλ=ARA0d-2[τa(εLλ(To)+(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]

(3)

其中,AR為紅外測溫器的入射透鏡的面積；d為被測目標(biāo)到探測器之間的距離；A0為紅外測溫器最小空間張角所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)的可視面積；To為被測目標(biāo)物體的表面溫度；Tu為環(huán)境溫度；τα為大氣的光譜透射率；εα為大氣的光譜發(fā)射率；Tα為大氣溫度;ε為物體表面的發(fā)射率；α為物體表面的吸收率;A0d-2一般是一個(gè)常數(shù);τα、ε和α在比較窄的波段范圍內(nèi),可以近似為與波長無關(guān)的常量[2]。

通常情況下,紅外測溫器工作在一定的紅外波段范圍。紅外探測器在自己工作的波段上將入射的輻射能積分,并將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)與入射能量成正比的電信號(hào),有如下公式:

(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]Rλdλ

(4)

其中,V為電信號(hào)；Rλ表示紅外探測器像元的光譜響應(yīng)度,它是紅外探測器把接收到的輻射能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)能力的直接體現(xiàn)。

因?yàn)殡娦盘?hào)與采樣值之間存在線性關(guān)系,存在如下公式:

V=av+b

(5)

其中,v為采樣值;a為比例系數(shù);b為偏移量。

f(T)≈CTn

(6)

工作在不同波段的紅外探測器,參數(shù)n的值并不一樣,對(duì)于工作在8～14 μm波段的探測器,n=3.9889；對(duì)于工作在6～9 μm波段的探測器,n=5.33；工作在2～5 μm波段的探測器,n=8.68[2]。

根據(jù)公式(4)、(5)、(6)可得To的表達(dá)式為:

(7)

公式(7)就是通過紅外探測器采集的電信號(hào)采樣值來計(jì)算探測目標(biāo)表面溫度的計(jì)算表達(dá)式。

2.2 基于換流閥運(yùn)行環(huán)境的公式變換

換流閥安裝運(yùn)行在閥廳內(nèi),由于空間相對(duì)封閉,閥廳內(nèi)部空氣質(zhì)量良好,同時(shí)通過空調(diào)使閥廳溫度維持在25～30 ℃之間。換流閥依靠水冷散熱,其主要部件的溫度一般維持在25～85 ℃之間。根據(jù)這些特點(diǎn),可以對(duì)公式(7)進(jìn)行合理變換。

在公式(7)中,參數(shù)AR、A0d-2、a、b、C、n為常數(shù),參數(shù)τα、εα、α、ε的值與環(huán)境溫度、探測目標(biāo)的材質(zhì)及溫度、探測距離、探測儀的工作波段等有關(guān)。本文所設(shè)計(jì)的探測裝置安裝在換流閥內(nèi)部,與探測目標(biāo)距離在1 m左右,由于距離較近,因此可以設(shè)定大氣的光譜透射率τα=1,大氣的光譜發(fā)射率εα=0[4]。閥組件的溫度范圍變化較小,探測儀也一般工作在比較窄的波段,因此設(shè)定閥組件的表面的發(fā)射率ε和表面的吸收率α為不變的常量[4]。令:

(8)

(9)

(10)

(11)

則K1、K2、K3、B為與探測目標(biāo)輻射度ε相關(guān)的變量,且K3=0。

公式(7)可簡化為:

(12)

又因?yàn)閾Q流閥閥廳環(huán)境溫度基本維持恒定,則可以認(rèn)為環(huán)境溫度Tu為定值。令:

(13)

則B′為與探測目標(biāo)輻射度ε相關(guān)的變量。把公式(13)代入公式(12)中,可得:

(14)

在公式(14)中,K1、B′與探測目標(biāo)輻射度ε相關(guān)的變量。對(duì)于相同材質(zhì)的探測目標(biāo),在溫度變化不大的范圍內(nèi),可以認(rèn)為ε為定值,則K1、B′同樣為定值。

3 參數(shù)測定及驗(yàn)證

根據(jù)換流閥的運(yùn)行溫度范圍,可以認(rèn)為相同材質(zhì)的閥組件,公式(14)中的參數(shù)K1、B′為定值。不同的材質(zhì),其紅外輻射度ε不同[4-5],需要分別計(jì)算K1、B′的值。通過對(duì)已知溫度的閥組件進(jìn)行實(shí)際測量,獲取一組To與v的對(duì)照值,計(jì)算出常量K1、B′的值,從而獲取To完整的計(jì)算公式。

換流閥組件的主要熱源為晶閘管、TCE板絕緣屏蔽外殼和電容,其中晶閘管為陶瓷外殼,TCE板絕緣屏蔽外殼和電容外殼為鋁合金材質(zhì)。因此,對(duì)陶瓷和鋁合金,需要分別計(jì)算公式(14)中的參數(shù)K1、B′。

本文選用的紅外探測器件為Flir公司的lepton,該器件工作在8～14 μm波段,探測最近距離為1 m左右,探測溫度范圍為0～400 K,正常功耗為150 mW,完全能夠滿足換流閥近距離測溫要求。

對(duì)鋁合金材質(zhì),在環(huán)境溫度28 ℃下,用廢舊電容的鋁合金外殼盛滿沸水,隨著溫度的降低,測得一組To與v的數(shù)據(jù),通過擬合計(jì)算得到:K1=3.964×106,B′=2.335×1010。擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1所示。確定參數(shù)K1、B′后,對(duì)公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如表1所示,誤差如圖2所示。

表1 鋁合金紅外測量溫度與實(shí)際溫度對(duì)比

圖1 鋁合金紅外測溫曲線擬合

圖2 鋁合金紅外測溫誤差

對(duì)陶瓷材質(zhì),同樣在環(huán)境溫度28 ℃下,通過對(duì)晶閘管加載電流使其溫度逐漸升高,在升溫過程中,測得一組To與v的數(shù)據(jù),通過擬合計(jì)算得到:K1=5.282777×106,B′=-3.427983×1010。擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。確定參數(shù)K1、B′后,對(duì)

公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如表2所示,誤差如圖4所示。

從實(shí)驗(yàn)可以看出,不同材質(zhì)的探測目標(biāo),溫度計(jì)算公式(14)中的常量參數(shù)K1、B′的值是不同的。采用本文測定的K1、B′取值進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,測試溫度與實(shí)際溫度誤差不超過2 ℃。

圖3 陶瓷紅外測溫曲線擬合

圖4 陶瓷紅外測溫誤差

采樣值實(shí)測溫度值/℃計(jì)算溫度值/℃誤差/℃采樣值實(shí)測溫度值/℃計(jì)算溫度值/℃誤差/℃采樣值實(shí)測溫度值/℃計(jì)算溫度值/℃誤差/℃797629.229.470.27823141.441.710.31839848.849.020.2280313132.231.23821842.241.121.08838849.648.591.01805732.633.520.92822742.841.531.27838750.248.551.65807134.234.200.00827143.443.510.11846850.851.941.14808135.234.690.5183004444.790.79845551.451.400.00810135.835.650.15827944.643.860.74845452.251.360.84814436.837.690.89828845.244.260.94847452.852.180.62814037.637.510.09829845.844.701.10847953.452.391.01814338.437.650.75835146.447.010.61855454.455.421.02819339.239.970.77836946.847.780.98853855.254.780.42818940.239.790.41835647.447.230.17856257.255.741.46819440.840.020.7884044849.271.27858358.256.571.63

4 探測裝置設(shè)計(jì)及紅外成像

4.1 探測裝置設(shè)計(jì)

正常運(yùn)行時(shí),換流閥電壓等級(jí)很高,對(duì)絕緣等級(jí)也有很高要求。一般的探測設(shè)備無法近距離對(duì)換流閥進(jìn)行近距離監(jiān)測,而遠(yuǎn)距離又無法精確定位過溫點(diǎn)。

本文結(jié)合換流閥運(yùn)行時(shí)的具體電磁環(huán)境,對(duì)設(shè)計(jì)的測溫裝置進(jìn)行絕緣外殼封裝,采用激光供能[6-7]的方式對(duì)裝置供電,對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸也采用光纖通道,使裝置與外部完全電磁隔絕。然后把裝置固定安裝在閥組件上方1 m距離的地方。

裝置數(shù)據(jù)處理芯片采用具備高速數(shù)據(jù)處理能力的FPGA,負(fù)責(zé)從紅外探測器lepton接收數(shù)據(jù),并通過光纖通道轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理后臺(tái)。通過功耗測試可知裝置的運(yùn)行功耗最高為1700 mW。裝置供能方面,采用JDSU公司生產(chǎn)的激光電源轉(zhuǎn)換器PPC-6E-FC,共使用4個(gè)提供最大功率2000 mW,完全滿足裝置供能要求。激光供能設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 激光供能電路設(shè)計(jì)

4.2 紅外成像

紅外探測器探測的電信號(hào)值越大,探測目標(biāo)的輻射強(qiáng)度越強(qiáng),探測目標(biāo)的表面溫度越高[8-9]。因此,探測裝置采集的電信號(hào)值的大小可以反映探測目標(biāo)溫度值的高低。根據(jù)位圖的文件格式可知,位圖文件主要有兩部分構(gòu)成:圖像像素點(diǎn)的值和調(diào)色板?？梢园鸭t外探測的電信號(hào)值映射到1到255之間的數(shù),作為圖像每個(gè)像素點(diǎn)的值。電信號(hào)值與位圖像素點(diǎn)值的映射關(guān)系為:

(15)

其中,v為當(dāng)前點(diǎn)的電信號(hào)采樣值;vmin為探測圖像最小電信號(hào)采樣值;vmax為探測圖像最大電信號(hào)采樣值；g為位圖圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值。根據(jù)等式(15)可以求得圖像每個(gè)點(diǎn)的像素值計(jì)算公式為:

(16)

位圖的調(diào)色板由圖像每個(gè)像素值和與之對(duì)應(yīng)的色彩值(RGB值)構(gòu)成。用于紅外成像的位圖一般有常用的調(diào)色板,如灰度值、熱金屬編碼、彩虹編碼等。在成像時(shí),可以選擇不同的調(diào)色板來顯示不同效果的紅外成像圖片。

根據(jù)公式(14)、(16),通過軟件實(shí)現(xiàn),建立溫度、電信號(hào)采樣值、圖像像素值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,把接收到的紅外測溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位圖格式的紅外圖片,并把電信號(hào)采樣值追加在圖片文件中。在查看圖像時(shí),選擇一個(gè)圖像點(diǎn),根據(jù)其像素值獲取該點(diǎn)的溫度信息。

對(duì)常溫下的閥組件和正在進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)的換流閥組件進(jìn)行近距離紅外測溫實(shí)驗(yàn),并通過軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理,成像效果和溫度對(duì)比如圖6和圖7所示,成像的調(diào)色板采用熱金屬編碼。其中,晶閘管的陶瓷外殼與鋁合金的電容外殼、TCE板絕緣外殼的溫度計(jì)算公式分別采用本文測得的不同的參數(shù)取值。從圖像可以看出,采用公式(16)進(jìn)行紅外成像,能夠?qū)﹂y組件進(jìn)行清晰的成像,在圖像中很容易確定晶閘管、TCE絕緣外殼以及電容的位置并獲取其溫度信息。

圖6 常溫下閥組件紅外成像

圖7 溫升實(shí)驗(yàn)時(shí)閥組件紅外成像

5 結(jié) 論

本文對(duì)紅外測溫理論進(jìn)行研究,并結(jié)合換流閥實(shí)際運(yùn)行環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了適用于換流閥組件的紅外測溫算法。根據(jù)換流閥高壓運(yùn)行,絕緣等級(jí)要求高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了近距離紅外測溫裝置,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了紅外測溫和紅外成像效果。

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