紅外與紫外互補(bǔ)變電設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭鑫鑫，申 沖，高國(guó)慶，姬嵩林，劉芳舟

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引言

傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法在診斷故障問(wèn)題時(shí)，通常對(duì)具體運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短以及使用環(huán)境等多方面因素造成忽略，影響了最終故障檢測(cè)的精準(zhǔn)度。而紅外熱圖譜分析具有很好的前景，美國(guó)在上世紀(jì)70年代最先開(kāi)始研究這一技術(shù)，國(guó)內(nèi)真正開(kāi)始在90年代末。為了解決變電設(shè)備故障檢測(cè)的問(wèn)題，本文提出一種紅外與紫外互補(bǔ)的變電設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)。

1 變電站設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 紅外與紫外互補(bǔ)檢測(cè)的重要性

紅外熱圖譜分析技術(shù)有以下特點(diǎn):1) 響應(yīng)速度快。2) 測(cè)量范圍寬。在理論層面根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律：W=εδAT4

式中：W為發(fā)熱體發(fā)射的功率；ε為發(fā)射率；δ為波爾茲曼常數(shù)；A為發(fā)熱體表面積(cm2)；T為發(fā)熱體絕對(duì)溫度(T=t+273.15)K

如果溫度超過(guò)允許值，結(jié)合8 ℃法則可知每超過(guò)允許溫度8 ℃則使用壽命減半。當(dāng)帶電設(shè)備有了熱故障，其特點(diǎn)是過(guò)熱點(diǎn)為最高溫度，輻射出能量，通過(guò)紅外成像儀采集的熱像圖，很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)最高溫度點(diǎn)，也就是熱故障點(diǎn)，由圖像進(jìn)而分析出產(chǎn)生原因[1]。且?guī)щ姷碾姎庠O(shè)備發(fā)生局部放電或電暈時(shí)，會(huì)伴隨著輻射出紫外線?？諝庵须姇灩庾V見(jiàn)圖1。

圖1 空氣中的電暈光譜圖(電壓31 kV靈敏度50 μV)

波長(zhǎng)范圍在250 nm～450 nm之間，多集中在紫外區(qū)。紫外線檢測(cè)儀的工作波段在240 nm～280 nm。紫外光攝像機(jī)成像設(shè)備含有兩個(gè)通道:紫外線和可見(jiàn)光，紫外線通道用于電暈成像，可見(jiàn)光用于拍攝絕緣子，導(dǎo)線等圖片。兩種檢測(cè)各有優(yōu)缺點(diǎn),具體對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 IR檢測(cè)與UV檢測(cè)對(duì)比

總之，紅外與紫外在檢測(cè)變電設(shè)備時(shí)都有優(yōu)缺點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)一種紅外與紫外一體化互補(bǔ)檢測(cè)系統(tǒng)很重要。

1.2 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體功能需求，分析得到該系統(tǒng)的主要運(yùn)行功能包括客戶端、服務(wù)端，具體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。其中服務(wù)端包括了硬件層、數(shù)據(jù)層、方案層，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)底層硬件組件的處理，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自主巡航處理功能[2]。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)層借助OLEDB技術(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)嵌入技術(shù)對(duì)象鏈接，保證訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展至其他數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部[3,4]。方案層主要以TCP/IP協(xié)議[5]，對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)信息完成采集，之后將采集的數(shù)據(jù)信息運(yùn)載至硬件層或數(shù)據(jù)層完成具體操作，并向客戶端反饋。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在檢測(cè)變電設(shè)備故障問(wèn)題應(yīng)用該系統(tǒng)中，以診斷規(guī)則、設(shè)備類(lèi)型作為系統(tǒng)完成設(shè)備故障檢測(cè)診斷的基礎(chǔ)，那么在實(shí)際分析過(guò)程中通過(guò)與故障診斷方案相結(jié)合，提出故障問(wèn)題分析數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)庫(kù)的核心組成作為故障表、故障診斷規(guī)則表，作為整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)核心結(jié)構(gòu)組成[6]。

1.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.4.1 小型化紫外與紅外檢測(cè)光電采集模塊硬件

該系統(tǒng)的紫外采集模塊主要借助高精度日盲紫外鏡頭以及濾光片，保證紫外光的具體探測(cè)范圍在240 nm～280 nm之間，保證該設(shè)備的紫外光探測(cè)范圍符合日盲型紫外探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。并且借助光電陰極轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換屏技術(shù)此類(lèi)光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換屏技術(shù)性性能有效評(píng)估。借助非制冷型紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)紅外成像采集模塊，設(shè)置7.6 μm～14 μm的工作譜段，保證像素達(dá)到640×480。

1.4.2 紫外紅外可見(jiàn)光圖像的多通道融合顯示

該系統(tǒng)主要研制的光學(xué)系統(tǒng)借助紫外光，聯(lián)合可視化通道及紅外通道，滿足光學(xué)配準(zhǔn)、同步變倍及調(diào)焦。針對(duì)電暈探測(cè)，將具備自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)焦的對(duì)焦功能相機(jī)，應(yīng)用于可視通道內(nèi)，并且具體焦距數(shù)值依據(jù)UART完成最終讀取，對(duì)此借助可視光相機(jī)作為檢焦組件。紫外步進(jìn)電機(jī)通過(guò)對(duì)光學(xué)鏡頭所在位置加以調(diào)整實(shí)現(xiàn)通道的對(duì)焦單元完成對(duì)焦。硬件手工調(diào)試紅外成像及可見(jiàn)光成像疊加，之后完成軟件功能疊加處理。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試分析

針對(duì)變電設(shè)備系統(tǒng)故障，變電設(shè)備主要故障問(wèn)題包括離線式、在線式兩類(lèi)。在本次研究中僅分析離線式系統(tǒng)故障問(wèn)題，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備的分類(lèi)檢測(cè)，結(jié)合人工復(fù)核保證檢測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)魯棒性有效提升。實(shí)驗(yàn)借助FLIR E40型號(hào)紅外熱像儀設(shè)備，對(duì)電流互感器的紅外圖像進(jìn)行采集，之后將所獲RGB圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，之后分割灰度圖像，所得系統(tǒng)的最終故障檢測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 電流互感器一般故障檢測(cè)結(jié)果

由圖3中可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行中所達(dá)到的溫度最高值為46.5 ℃，在數(shù)據(jù)庫(kù)中所保存的電流互感器正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫度數(shù)值為30 ℃，兩者之間的溫度差值占55%，表明電流互感器存在一般故障情況，可能是觸桿接觸不良[7]。經(jīng)過(guò)重復(fù)4次檢測(cè)(見(jiàn)表2)。發(fā)現(xiàn)能夠?qū)收蠁?wèn)題獲得清晰的紅外圖像，具備較高檢測(cè)精準(zhǔn)度及有效率。

表2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變電設(shè)備的故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要針對(duì)紅外及紫外一體化變電檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理及流程準(zhǔn)確了解，從而確保該系統(tǒng)能夠在運(yùn)用于電路系統(tǒng)故障問(wèn)題檢測(cè)中，取得良好的檢測(cè)效果。通過(guò)本次研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠?qū)收蠁?wèn)題獲得清晰的紅外圖像，具備較高檢測(cè)精準(zhǔn)度及有效率。