紫外紅外雙光譜電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

袁輝建 陽(yáng) 明 蔣 燕 李 霜

(重慶電力高等?？茖W(xué)校電力工程系，重慶 400053)

0 引言

目前，電力系統(tǒng)帶電設(shè)備的非接觸式放電檢測(cè)一般采用紅外成像、紫外成像和超聲波探測(cè)等技術(shù)，對(duì)超高頻、紫外脈沖檢測(cè)等技術(shù)的研究也在進(jìn)行中。采用超聲波探測(cè)儀、紅外成像儀和紫外成像儀探測(cè)設(shè)備放電，存在成本高、操作復(fù)雜、靈敏度不足、對(duì)早期放電危險(xiǎn)難以預(yù)報(bào)以及不能定量表示放電程度等弱點(diǎn)［1－2］。紫外脈沖檢測(cè)技術(shù)雖然能夠定量表示放電程度，但是單獨(dú)使用紫外脈沖檢測(cè)無(wú)法獲得可見(jiàn)光圖像進(jìn)行定位，從而無(wú)法定位帶電設(shè)備的故障點(diǎn)。

本文將紫外脈沖探測(cè)掃描、紅外測(cè)溫掃描、攝像和圖像處理技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)被監(jiān)測(cè)電力設(shè)備進(jìn)行紫外脈沖和紅外測(cè)溫掃描，得到其局部放電分布數(shù)據(jù)和溫度分布數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過(guò)圖像處理技術(shù)置入由攝像頭獲取到的設(shè)備圖像，與設(shè)備圖像建立對(duì)應(yīng)位置關(guān)系。這不僅能定量表示放電程度，而且還能直觀地顯示出放電位置和溫度分布，從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的故障情況。本文將紫外檢測(cè)技術(shù)與紅外檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，大大提高了帶電設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)能力。

1 紫外紅外檢測(cè)原理

1.1 紫外檢測(cè)原理

由電力設(shè)備的放電機(jī)理可知，在放電的不同階段，伴隨著分子的激發(fā)、電離、復(fù)合、電荷交換、電子附著和輻射的不斷發(fā)生，可以觀察到不同光譜的發(fā)光現(xiàn)象。電暈放電光譜中含有部分紫外光譜段的發(fā)光。因此，檢測(cè)放電發(fā)出的紫外線，可以判斷放電強(qiáng)弱，從而確定電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。采用高靈敏度的紫外傳感器，能對(duì)設(shè)備的絕緣下降、裂傷、污穢發(fā)展等作出早期預(yù)報(bào)，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。紫外線的波長(zhǎng)范圍為10～400 nm。太陽(yáng)光中也含有紫外線，其中280 nm以下光譜段的太陽(yáng)輻射幾乎完全被大氣層吸收，因而被稱為太陽(yáng)盲區(qū)。該區(qū)間內(nèi)由太陽(yáng)發(fā)射的紫外光量極低。日光下的紫外放電檢測(cè)即是利用太陽(yáng)盲區(qū)光譜段實(shí)現(xiàn)對(duì)放電設(shè)備的檢測(cè)。電力設(shè)備放電產(chǎn)生的紫外線波長(zhǎng)大部分位于280～400 nm區(qū)間，而280 nm以下的日盲區(qū)紫外光急劇減少，因此，對(duì)檢測(cè)裝置的靈敏度要求較高。高壓系統(tǒng)的早期放電十分微弱，發(fā)射的紫外光很少，其中位于日盲區(qū)的紫外光信號(hào)更是微弱。通過(guò)紫外成像儀難以捕獲這種微小放電信號(hào)的變化，且要等到出現(xiàn)較為明顯的局部放電才能檢測(cè)到。所以，采用紫外成像儀難以預(yù)報(bào)早期放電危險(xiǎn)。

本文采用紫外脈沖法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備放電紫外信號(hào)的檢測(cè)。紫外脈沖法是根據(jù)設(shè)備放電時(shí)輻射的紫外光類(lèi)似于脈沖信號(hào)的原理，采用紫外光敏管或光電倍增管以及檢測(cè)電路，將放電產(chǎn)生的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)目的密集程度來(lái)判斷設(shè)備放電強(qiáng)度的方法。該方法是在微弱信號(hào)測(cè)量中廣泛使用的一種方法［2］。

1.2 紅外檢測(cè)原理

電力工業(yè)中的許多設(shè)備都在高電壓、大電流狀態(tài)下運(yùn)行，與熱度有著極其密切的聯(lián)系。在眾多停電事故中，因設(shè)備局部過(guò)熱引起的停電檢修時(shí)有發(fā)生［3］。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱缺陷，將發(fā)熱缺陷消除在初始狀態(tài)，是保證設(shè)備安全運(yùn)行、減少事故發(fā)生、避免被迫停電的關(guān)鍵。

紅外檢測(cè)的基本原理就是通過(guò)探測(cè)物體的紅外輻射信號(hào)，獲得物體的熱狀態(tài)特征，并根據(jù)這種熱狀態(tài)特征及相應(yīng)的判斷依據(jù)判斷出物體的狀態(tài)。由于紅外檢測(cè)技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、實(shí)時(shí)、快速等特點(diǎn)，因而對(duì)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷具有重要的意義［4］。電力設(shè)備主要采用紅外成像和紅外點(diǎn)溫測(cè)量?jī)煞N紅外檢測(cè)技術(shù)，本文中采用的是紅外點(diǎn)溫測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射能量，這一能量主要與物體的溫度和紅外波長(zhǎng)相關(guān)。對(duì)于灰體物質(zhì)而言，也就是發(fā)射率小于1且與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體(一般工程材料可用灰體來(lái)近似表示)，在單位面積上發(fā)射的所有波長(zhǎng)的總輻射功率M與溫度T之間滿足斯蒂芬-波爾茲曼定律［5］，即:

式中:ε為被測(cè)物體的表面發(fā)射率;σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù);T為物體的絕對(duì)溫度。

一個(gè)絕對(duì)溫度為T(mén)的灰體，單位表面積在波長(zhǎng)λ附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)發(fā)射的輻射功率Mλ，與波長(zhǎng)λ、溫度T滿足普朗克輻射定律，即:

式中:C1為第一輻射常數(shù);C2為第二輻射常數(shù)。

由式(1)、式(2)可以看出，紅外測(cè)溫與被測(cè)物體的溫度和表面發(fā)射率相關(guān)。在實(shí)際測(cè)量中，由于被測(cè)物體溫度不同，所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍也就不同，因而需采用不同的測(cè)量方法和測(cè)溫探頭。

1.3 雙光譜在線監(jiān)測(cè)原理

雙光譜電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。雙光譜在線監(jiān)測(cè)主要通過(guò)紫外脈沖探測(cè)模塊、紅外測(cè)溫模塊、二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和攝像頭的協(xié)同工作完成。

圖1 雙光譜在線監(jiān)測(cè)原理圖Fig.1 Principle of dual spectrum on-line monitoring

圖1中，紫外脈沖探測(cè)模塊的紫外探頭和紅外測(cè)溫模塊的紅外探頭固定安裝在二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，系統(tǒng)通過(guò)二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的掃描，并獲取電力設(shè)備各點(diǎn)的紫外脈沖數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備圖像的獲取，然后通過(guò)圖像處理，將電力設(shè)備各點(diǎn)紫外脈沖數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)與電力設(shè)備圖像對(duì)應(yīng)結(jié)合。這樣不但能定量表示放電程度，而且以圖像方式直觀地顯示出放電位置和溫度分布。用戶可以通過(guò)圖像分析不同時(shí)間設(shè)備各部位的紫外脈沖數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，得到設(shè)備的放電發(fā)展?fàn)顩r和溫度分布變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紫外紅外雙光譜電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the system

系統(tǒng)主要由基于PXA270的嵌入式系統(tǒng)模塊、紫外紅外雙光譜探測(cè)模塊、溫度濕度測(cè)量模塊和廣域無(wú)線通信模塊組成，其中，紫外紅外雙光譜探測(cè)模塊又包含紫外脈沖探測(cè)模塊、紅外測(cè)溫模塊、二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)和攝像頭四部分。

紫外脈沖探測(cè)模塊主要由探頭罩及光學(xué)系統(tǒng)、紫外光敏管、高壓電源和檢測(cè)電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)紫外脈沖信號(hào)的探測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓脈沖信號(hào)，傳送給嵌入式系統(tǒng)模塊。紅外測(cè)溫模塊主要由透射式光學(xué)系統(tǒng)、熱電堆型紅外傳感器和檢測(cè)電路組成，紅外測(cè)溫模塊將－20～220℃的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬電壓信號(hào)，提供給嵌入式系統(tǒng)模塊。二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)用于承載紫外脈沖探測(cè)模塊和紅外測(cè)溫模塊的探頭，可通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)兩個(gè)直流伺服電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)電力設(shè)備局部放電和溫度分布的二維掃描。攝像頭用于對(duì)被監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的圖像采集，并通過(guò)USB接口將采集的圖像信息傳送給嵌入式系統(tǒng)模塊。

溫度濕度測(cè)量模塊用于對(duì)環(huán)境溫度和濕度的檢測(cè)。電力設(shè)備放電是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，利用紫外脈沖法通過(guò)檢測(cè)電力設(shè)備的放電情況來(lái)確定其狀態(tài)，必須考慮空氣濕度的影響因素［6］。另外，環(huán)境溫度對(duì)紅外測(cè)溫的精度有非常大的影響，必須通過(guò)環(huán)境溫度來(lái)修正被測(cè)物體的溫度。

廣域無(wú)線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。監(jiān)控中心可以通過(guò)廣域無(wú)線通信接收在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，以及處理后包含放電分布數(shù)據(jù)和溫度分布數(shù)據(jù)的設(shè)備圖像信息，并可發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作模式的控制。

嵌入式系統(tǒng)模塊是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備紫外紅外雙光譜掃描的控制、紫外脈沖數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、環(huán)境溫度和濕度的測(cè)量分析以及電力設(shè)備局部放電的分析判斷。同時(shí)，通過(guò)圖像處理得到結(jié)合放電分布和溫度分布的設(shè)備圖像信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常的分析、判斷和報(bào)警。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式系統(tǒng)模塊

嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the embedded system module

嵌入式系統(tǒng)模塊主要由Xscale處理器PXA270、E2PROM、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash、A/D 轉(zhuǎn)換器、SD/MMC卡接口、USB接口、RS-232接口和I/O接口等組成［7－8］。

PXA270嵌入式處理器基于ARMv5E的Xscale核心，是一個(gè)資源豐富、高度集成的片上系統(tǒng)微處理器，最高工作頻率可達(dá)624 MHz，適用于各種高性能、低功耗的設(shè)備［9］。PXA270通過(guò)外部總線接口擴(kuò)展了2片16 MB的NOR Flash和2片32 MB的SDRAM存儲(chǔ)器，用于程序運(yùn)行，其中NOR Flash用于啟動(dòng)引導(dǎo)程序運(yùn)行。NOR Flash和 SDRAM分別采用 Intel公司的TE28F128J3和 Hynix公司的 HY57V561620。NAND Flash采用256 MB K9F2G08U0A存儲(chǔ)器，用于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

復(fù)位電路與E2PROM存儲(chǔ)器采用Catalyst公司的CAT1025，用于嵌入式系統(tǒng)模塊的復(fù)位，以及紫外紅外雙光譜探測(cè)模塊的工作模式和判斷閾值等配置參數(shù)的保存。CAT1025包含1個(gè)精確的工作電源監(jiān)測(cè)電路和2個(gè)開(kāi)漏復(fù)位輸出，內(nèi)帶256 B的E2PROM。

SD/MMC卡接口主要用于系統(tǒng)配置文件和設(shè)備圖像信息的保存。A/D轉(zhuǎn)換器采用TLV1543，用于測(cè)量紅外測(cè)溫模塊輸出的電壓信號(hào)，獲得相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。USB接口分為2路:一路為HOST接口，另一路為Device接口。HOST接口主要實(shí)現(xiàn)與攝像頭的連接，而Device接口可用于嵌入式系統(tǒng)模塊的軟件調(diào)試。RS-232接口分為2路，分別采用了PXA270的全功能UART接口(FFUART)和藍(lán)牙UART接口(BTUART)。FFUART用于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)模塊與廣域無(wú)線通信模塊的連接，BTUART可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的連接。I/O接口采用光電隔離，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外脈沖探測(cè)模塊輸出脈沖信號(hào)的采集。

3.2 雙光譜探測(cè)模塊

紫外紅外雙光譜探測(cè)模塊的攝像頭采用分辨率為640×480的可調(diào)焦攝像頭。紫外脈沖探測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備放電產(chǎn)生的紫外光脈沖信號(hào)的檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)選擇紫外光敏管UV-R2868作為檢測(cè)傳感器，其靈敏度可以達(dá)到5000 count/min，僅響應(yīng)185～265 nm波段的紫外信號(hào)，UV-R2868光譜響應(yīng)特性與各種光源中的陰影區(qū)域如圖4所示［10］。由于檢測(cè)紫外光信號(hào)的傳感器本身不能區(qū)分紫外光的發(fā)生源，在紫外探頭有效反應(yīng)角的范圍內(nèi)，電力設(shè)備、導(dǎo)線等的放電紫外光都會(huì)被探測(cè)到，因此，為了實(shí)現(xiàn)紫外探測(cè)的方向性，去除其他光源的影響，需要用探頭罩控制紫外探頭的感光角度，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖4 UV-R2868光譜響應(yīng)特性與各種光源Fig.4 UV-R2868 spectral response characteristics and various light sources

紅外測(cè)溫分為全輻射法、亮度測(cè)溫法和雙波長(zhǎng)測(cè)溫法三種。這三種測(cè)溫方法中，以全輻射法受物體發(fā)射率的影響最大，亮度測(cè)溫法次之，雙波長(zhǎng)測(cè)溫法最小。雙波長(zhǎng)測(cè)溫法是通過(guò)測(cè)量給定波長(zhǎng)λ1和λ2的輻射功率之比，用比色測(cè)溫法來(lái)確定物體的溫度。雙波長(zhǎng)測(cè)溫方法可以大幅降低物體發(fā)射率和環(huán)境輻射的影響，提高測(cè)量的精度。另外，根據(jù)GB 763的規(guī)定，電力設(shè)備的最高允許溫度均在408 K以內(nèi)，而8.0～14.0 μm波段適合探測(cè)常溫到幾百攝氏度的輻射體。因此，本設(shè)計(jì)采用雙波長(zhǎng)測(cè)溫法和8.0～14.0 μm波段的紅外測(cè)溫探頭。二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)用來(lái)承載紅外測(cè)溫探頭和紫外脈沖探頭。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)通過(guò)兩個(gè)直流伺服電機(jī)帶動(dòng)探頭做二維運(yùn)動(dòng)，探頭在二維運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)與被測(cè)區(qū)域形成一定的夾角，且該夾角隨探頭的移動(dòng)而改變，紅外測(cè)溫和紫外脈沖探測(cè)受這個(gè)夾角的影響。漫反射體的輻射強(qiáng)度分布遵從朗伯余弦定律，余弦輻射體如圖5所示［11］。

圖5 余弦輻射體Fig.5 Cosine radiator

圖5中，dA為被測(cè)區(qū)域，P1、P2分別為測(cè)量點(diǎn)，P1對(duì)應(yīng)dA的法線方向，θ為P2點(diǎn)方向與dA法線的夾角。設(shè)M1和M2分別為P1和P2點(diǎn)測(cè)得的輻射功率，則M1與M2應(yīng)近似滿足:M2=M1cosθ。

綜上所述，在進(jìn)行紅外測(cè)溫和紫外脈沖探測(cè)時(shí)，需根據(jù)探頭的角度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所用直流伺服電機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，有效角度范圍為150°。控制的角度分辨率可達(dá)到0.15°。如在距離探頭5 m的位置對(duì)2 m×2 m電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，則探頭可動(dòng)作角度約為22.6°。在紅外測(cè)溫探頭和紫外脈沖探頭的距離系數(shù)大于500∶1時(shí)，局部放電分布和溫度分布的成像分辨率約為150×150。

3.3 溫度濕度測(cè)量模塊

溫濕度傳感器采用SENSIRION公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，默認(rèn)提供12位濕度數(shù)據(jù)和14位溫度數(shù)據(jù)。SHT75集成了1個(gè)電容式聚合物測(cè)濕元件、1個(gè)能隙式測(cè)溫元件、1個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)串行接口電路。該傳感器的溫度測(cè)量范圍為－40～123.8℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)到±0.3 K，濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，測(cè)量分辨率可達(dá)到±1.8%RH。SHT75具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)I2C串行總線實(shí)現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)模塊接口。

3.4 廣域無(wú)線通信模塊

考慮到覆蓋廣、成本低等多方面的顯著優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)中采用SIMCOM公司的SIM300C GPRS模塊。該模塊尺寸小、功耗低，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議，提供通用的AT控制命令。SIM300C內(nèi)部集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，提供2個(gè)串口、1個(gè)SIM卡接口和通用I/O接口等。SIM300C的優(yōu)良性能使其廣泛應(yīng)用于如WLL、M2M、手持設(shè)備、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等方面。嵌入式系統(tǒng)模塊可通過(guò)RS-232接口實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊的操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種結(jié)合紫外脈沖探測(cè)掃描、紅外測(cè)溫掃描、攝像和圖像處理技術(shù)的新型電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了紅外成像儀和紫外成像儀探測(cè)設(shè)備放電存在靈敏度不足、對(duì)早期放電危險(xiǎn)難以預(yù)報(bào)和不能定量表示放電程度等弱點(diǎn)，以及現(xiàn)有紫外脈沖檢測(cè)技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確定位設(shè)備放電故障點(diǎn)的不足。本文提出的紫外紅外雙光譜檢測(cè)方法，雖然紫外、紅外的成像分辨率和成像速度較紫外成像儀、紅外成像儀低，但已能滿足電力系統(tǒng)絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，并且成本低廉，能夠?qū)υO(shè)備的早期放電進(jìn)行檢測(cè)。

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