紅外熱成像技術(shù)對(duì)高壓電氣設(shè)備的診斷與分析

肖遠(yuǎn)文

摘 要：紅外熱成像診斷技術(shù)是在專家系統(tǒng)為核心基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，并按照相關(guān)的診斷結(jié)果規(guī)范了熱故障處理措施與等級(jí)，之后達(dá)到紅外熱成像處理高壓電氣設(shè)備的目的，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和處理故障的目的。文章以高壓電氣設(shè)備診斷與分析中紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；高壓電氣；設(shè)備診斷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.138

隨著長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電力設(shè)備，發(fā)熱一般是十分嚴(yán)重的故障。如果在過(guò)熱狀態(tài)下運(yùn)行電力設(shè)備，將引起設(shè)備材料的電氣、物理、化學(xué)和機(jī)械等反面的惡化，進(jìn)而使得設(shè)備被損壞，影響電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行質(zhì)量、所以，采用先進(jìn)的紅外熱成像技術(shù)診斷與分析高壓電氣設(shè)備中存在的問(wèn)題，從而確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 紅外熱成像診斷技術(shù)

1.1 技術(shù)原理分析

熱傳感器所采集的物體熱輻射能是紅外成像的核心技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)吸納成像以及后期PC制作的紅外非接觸式熱成像技術(shù)，隨著在電力系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用了熱力學(xué)技術(shù)后，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及診斷故障時(shí)，也廣泛的應(yīng)用了紅外熱成像技術(shù)。此技術(shù)具有應(yīng)用安全、測(cè)量精度高、診斷效率優(yōu)越以及操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)還可以在安全的范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備的溫度值進(jìn)行測(cè)量，把它轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外熱成像值，然后精確量化處理被測(cè)設(shè)備的熱量值。

1.2 具體的診斷操作流程分析

1.2.1 濾除噪聲

有較多的因素會(huì)影響到紅外輻射數(shù)據(jù)，比如，所測(cè)高壓設(shè)備的四周物理環(huán)境、所測(cè)物體的紅外熱發(fā)射率、臨近高壓裝置的熱輻射以及太陽(yáng)熱能。為了將精確的符合數(shù)據(jù)獲取出來(lái)，把一些帶來(lái)影響的噪聲降低。首先，確保操作人員科學(xué)的應(yīng)用紅外熱像儀，并把技術(shù)參數(shù)科學(xué)的設(shè)置出來(lái)；其次，后期處理噪聲，能夠在頻域或者時(shí)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)圖像的運(yùn)算分析，例如通過(guò)中值濾波以及鄰域平均等算法，然而，所談及的濾波算法只適用于幾種噪聲或者一種噪聲的信號(hào)。為了將十分精確的高壓設(shè)備紅外特征數(shù)據(jù)信息獲取出來(lái)，可以通過(guò)小波法濾除頻域—時(shí)域范圍內(nèi)的噪聲。

1.2.2 紅外熱成像特征提取以及分割

就多種高壓電氣裝置而言，也有一定差異性存在于故障特診中。所以，在獲取紅外圖像并將噪聲信號(hào)濾除后，然而提取紅外圖像特征以及分割圖像?，F(xiàn)階段，模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)以及小波變換等是圖像分割的基本原理。為了降噪處理大范圍的數(shù)據(jù)，選擇模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及小波變換相融合的方法，通過(guò)分割圖像，然后再獲取電氣裝置的熱像圖，特征量主要涵蓋這樣幾個(gè)方面：熱點(diǎn)最高溫度、發(fā)熱去城市分布情況以及同型號(hào)電氣設(shè)備的平均溫度。

對(duì)比一般可見(jiàn)光熱圖像，高壓設(shè)備的熱圖像有著一定的獨(dú)特性，它具有較弱的熱信號(hào)，噪聲對(duì)其帶來(lái)的影響較大，所以，所測(cè)的圖像通常比較模糊，而且，具有較低的可辨析度，此外，物體表面紅外輻射場(chǎng)的分布對(duì)圖像凸點(diǎn)的紋理以及復(fù)雜度影響較大；現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)有較為復(fù)雜的電力設(shè)備種類，因此，會(huì)呈現(xiàn)出多種設(shè)備局部溫度場(chǎng)以及大量熱圖像混雜的情況，而且，被測(cè)高壓設(shè)備不可避免的受到其他設(shè)備紅外射場(chǎng)的影響，當(dāng)在不同方向、周圍環(huán)境因素以及距離內(nèi)安放紅外熱成像測(cè)量系統(tǒng)后，因此，就會(huì)有較大的差異出現(xiàn)在所測(cè)相同設(shè)備的紅外熱圖像中。

為了將上述因素的影響縮減，把更加精確的熱圖像數(shù)據(jù)獲取出來(lái)，而且，必須要把控把偏心度、圖像周長(zhǎng)和面積之間的比值，然后基于此，用以下公式表示被測(cè)設(shè)備紅外熱圖像特征向量：

在這個(gè)式子中，設(shè)備類別數(shù)用N表示，第i類樣本兩個(gè)特征的平均值用m1和m2表示。利用這個(gè)公式，能夠?qū)⒏黝悩颖緝蓚€(gè)特點(diǎn)的平均值計(jì)算出來(lái)，而且，也會(huì)把各個(gè)因素的影響減少。

1.2.3 故障分析處理

通過(guò)識(shí)別與標(biāo)注，然后分析紅外熱像圖，其中，檔案分析、溫差、同類對(duì)比以、表征特征以及圖像特點(diǎn)是常用的紅外熱圖像故障分析技術(shù)。最后按照不同的工況制定最后PC終端，將最佳的判斷方案選擇出來(lái)。

判斷表面溫度的原理為基于所測(cè)高壓裝置的表面溫度值；而且，在電壓致熱型設(shè)備中比較適合應(yīng)用圖像特征判斷法，按照同型號(hào)設(shè)備的異常與正常狀態(tài)的紅外熱圖像處理技術(shù)，分析設(shè)備是否可以科學(xué)運(yùn)行；相同設(shè)備對(duì)比判斷技術(shù)時(shí)比較設(shè)備不同相或者比較同類型設(shè)備，與相應(yīng)的溫度相對(duì)比，分析是否有異常問(wèn)題出現(xiàn)在設(shè)備中，與溫差法相比，也就是按照相對(duì)溫差判斷的技術(shù)，而且，在電流致型設(shè)備中比較適合應(yīng)用這種方法；對(duì)應(yīng)的，在分析判斷結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備時(shí)比較適合應(yīng)用檔案分析法。然而，首先要把設(shè)備技術(shù)檔案構(gòu)建起來(lái)。但是要求具備原始的檢測(cè)數(shù)據(jù)或者基礎(chǔ)的紅外圖譜。

2 專家系統(tǒng)分析

2.1 基本運(yùn)行原理

就專家系統(tǒng)而言，主要是通過(guò)人工智能程序?qū)⑾嘟慕夥ㄩ_(kāi)發(fā)出來(lái)，這種計(jì)算機(jī)程序?qū)儆谥悄苄偷?，而且主要通過(guò)推理過(guò)程與相關(guān)知識(shí)處理很多專家復(fù)雜問(wèn)題。

利用此系統(tǒng)，首先獲取特殊條件、環(huán)境下運(yùn)行狀態(tài)圖像，在利用數(shù)-圖編碼切換后向Pc終端內(nèi)編入，從而把高壓裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的溫度數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建起來(lái)。與有關(guān)專家處理事件經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，然后再同數(shù)據(jù)庫(kù)分析相融合，通過(guò)最小二乘法將高壓設(shè)備故障的趨勢(shì)以及閾值等求出來(lái)；在識(shí)別語(yǔ)言時(shí)將數(shù)字編碼作為PC終端。然后把高壓裝置在線檢測(cè)專家數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建起來(lái)。通過(guò)與熱圖像專家系統(tǒng)相對(duì)比，然后分析其具體的運(yùn)行狀態(tài)。利用公式將所需檢測(cè)的高壓設(shè)備最高溫度檢測(cè)出來(lái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將設(shè)備的紅外發(fā)射率確定出來(lái)。而且，對(duì)達(dá)到熱圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的基本條件要給予滿足：第一，設(shè)計(jì)出二維點(diǎn)陣圖的熱圖像，其中，在128×100×8bit控制其大小；第二，在說(shuō)明這個(gè)圖像時(shí)，主要圍繞以下幾個(gè)內(nèi)容去做：設(shè)備故障形式、設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的最高溫度以及最低溫度、拍攝圖像的時(shí)間以及設(shè)備型號(hào)等。

2.2 具體的設(shè)計(jì)方案分析

與當(dāng)前紅外熱成像技術(shù)的不足之處相比，當(dāng)分析紅外熱像圖和高壓設(shè)備發(fā)熱之間的聯(lián)系時(shí)，利用專家系統(tǒng)判斷技術(shù)以及紅外熱圖像技術(shù)，將基于專家系統(tǒng)的紅外熱成像技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)對(duì)高壓電氣一次裝置進(jìn)行斬?cái)喾治?。下圖為基本的診斷流程圖，首先預(yù)處理被測(cè)高壓一次設(shè)備紅外熱圖像內(nèi)的噪音，之后利用溫度計(jì)算以及目標(biāo)識(shí)別法將此設(shè)備發(fā)熱的缺陷情況判斷出來(lái)。此外，利用專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)比分析紅外發(fā)射功率數(shù)據(jù)與此設(shè)備溫度之間的關(guān)系。

而且研究得知，有以下功能存在于專家系統(tǒng)中：

第一，按照不同環(huán)境內(nèi)高壓一次設(shè)備的運(yùn)行情況，將最合適的紅外熱圖像算法制定出來(lái)，此算法有著數(shù)據(jù)處理可靠性高、準(zhǔn)確、快速的特征。之后對(duì)紅外熱圖像完成圖像分割、特征提取以及初期降噪等操作。

第二，通過(guò)Java將應(yīng)用程序編寫出來(lái)，向PC終端中錄入紅外成像圖，通過(guò)專家系統(tǒng)能夠分析判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障。

第三，對(duì)不同環(huán)境下一次高壓設(shè)備的紅外熱圖像信息進(jìn)行收集，然后總結(jié)近些年設(shè)備檢修、運(yùn)行等重要信息，把高壓設(shè)備的事故趨勢(shì)以及故障征兆閾值計(jì)算出來(lái)，最后將設(shè)備故障分析以及設(shè)備狀態(tài)識(shí)別的專家系統(tǒng)建立起來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紅外熱成像專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、非接觸測(cè)量高壓電氣設(shè)備，同時(shí)，此系統(tǒng)還具備受四周強(qiáng)電磁干擾影響低、可靠、安全、投資——效益比高以及圖像分辨率高的特征。在今后輸電網(wǎng)電力設(shè)備狀態(tài)檢修中，該技術(shù)也會(huì)被視為核心檢測(cè)手段，并且也屬于智能電網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

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