基于VR的電力設(shè)備紅外檢測培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

段先鋒 白亞為 楊會(huì)賢

（西安電力高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710032）

0 引言

電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)，會(huì)因?yàn)楦鞣N原因發(fā)熱。正常時(shí)，發(fā)熱所導(dǎo)致的溫升在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。設(shè)備有缺陷時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出故障前的熱征兆，即異常的溫升。紅外檢測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的故障發(fā)熱。但是檢測者要經(jīng)過培訓(xùn)才能掌握檢測的技巧，并積累判斷發(fā)熱故障的經(jīng)驗(yàn)。有些電力公司的培訓(xùn)部門會(huì)在真實(shí)的設(shè)備上預(yù)裝發(fā)熱元件來模擬故障發(fā)熱，并組織學(xué)員進(jìn)行紅外檢測，對熱成像儀的使用技巧進(jìn)行培訓(xùn)，并讓學(xué)員積累判斷發(fā)熱故障的經(jīng)驗(yàn)。

這種在真實(shí)的設(shè)備上預(yù)裝發(fā)熱元件來模擬故障發(fā)熱的方法，由于設(shè)備種類和數(shù)量有限，模擬的故障點(diǎn)數(shù)量和種類有限，以及升溫和降溫速度慢、成本較高等特點(diǎn)，都使得它越來越不能滿足電力設(shè)備紅外檢測培訓(xùn)的需要。

該文提出把虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)引入電力設(shè)備紅外測溫的培訓(xùn)中，建立電力設(shè)備仿真模型，并用有限元分析軟件在模型上對溫度場進(jìn)行仿真，并在虛擬的紅外熱成像測試儀中顯示相應(yīng)的紅外圖像，訓(xùn)練學(xué)員在虛擬環(huán)境中使用紅外檢測技術(shù)，達(dá)到培訓(xùn)目標(biāo)。

1 電力設(shè)備發(fā)熱仿真

1.1 電力設(shè)備三維仿真建模

該方案采用三維建模技術(shù)，在虛擬場景中還原了一個(gè)變電站。在這個(gè)仿真變電站中，有1 臺(tái)主變。10 kV 側(cè)為單母線接線，包含主變間隔和1 條出線間隔，采用GIS 設(shè)備。35 kV 側(cè)采用高壓開關(guān)柜組成單母線接線，包含主變間隔、干式站用變間隔和無功補(bǔ)償間隔。這樣既體現(xiàn)了變電設(shè)備的多樣性，同時(shí)也避免了設(shè)備的重復(fù)。

1.2 電力設(shè)備溫度場仿真

電力設(shè)備溫度場仿真主要包括電力設(shè)備發(fā)熱、電力設(shè)備散熱以及電力設(shè)備溫度場有限元仿真3 個(gè)方面的內(nèi)容。

1.2.1 電力設(shè)備發(fā)熱

1.2.1.1 電阻損耗

電流通過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱能，其發(fā)熱功率為：

式中：P—發(fā)熱功率（W），I—電流強(qiáng)度（A），R—電器或載流導(dǎo)體的直流電阻（Ω），Kf—附加損耗數(shù)，考慮了集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)[1]。這種發(fā)熱與電流的大小和導(dǎo)體電阻有關(guān)，也稱為電流型發(fā)熱。

1.2.1.2 介質(zhì)損耗

電氣絕緣介質(zhì)在交變電場中，因極化方向不斷改變而消耗電能并引起發(fā)熱，產(chǎn)生的發(fā)熱功率為：

式中：U—施加的電壓（V），ω—交變電壓角頻率，C—介質(zhì)的等值電容（F），tanδ—介質(zhì)損耗角正切值[1]。這是絕緣介質(zhì)在電壓效應(yīng)下引起的損耗，與電流無關(guān)，也稱為電壓型發(fā)熱。

1.2.1.3 磁滯和渦流損耗

磁滯損耗是鐵磁材料在被交變磁場反復(fù)磁化時(shí)，內(nèi)部的磁疇不停地轉(zhuǎn)換方向，互相摩擦而引起的損耗。磁滯損耗與鐵磁材料的特性有關(guān)[1]。

渦流是導(dǎo)體在交變磁場中感生電動(dòng)勢而在其內(nèi)部產(chǎn)生的電流。渦流損耗是渦流在流經(jīng)通路的電阻時(shí)產(chǎn)生的損耗。渦流損耗與導(dǎo)體的形狀及電阻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度及交變的頻率有關(guān)。

1.2.2 電力設(shè)備散熱

熱交換包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3 種方式。

1.2.2.1 熱傳導(dǎo)

熱從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫作熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)傳遞的熱量可以用公式（3）來計(jì)算：

1.2.2.2 熱對流

熱對流僅存在于液體和氣體中，并常伴隨著熱傳導(dǎo)。按照對流的方式可以分為自然對流和強(qiáng)迫對流。自然對流的熱量傳遞的速率可用公式（4）計(jì)算：

式中：P—傳熱功率（W），Kd1—對流換熱系數(shù)[W/（m2×K）]，θ—發(fā)熱體表面溫度（K），θ0—流體介質(zhì)溫度（K），A—冷卻表面積（m2）[2]。

1.2.2.3 熱輻射

溫度高于絕對零度的物體，以輻射電磁波的形式向外傳遞熱量，稱為熱輻射。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，熱輻射可以用公式（5）計(jì)算：

式中：Pfs—單位面積的輻射功率（W/m2），σ—斯特藩-玻爾茲曼系數(shù)（5.67×10-8W/m2/K4），εf—發(fā)射率，T2—發(fā)熱體表面溫度（K），T1—接收輻射物體溫度（K）[2]。

1.2.3 電力設(shè)備溫度場有限元仿真

目前對仿真電力設(shè)備溫度場的研究已經(jīng)很多了。采用有限元分析軟件ANSYS 對隔離開關(guān)導(dǎo)電部分的溫度場進(jìn)行了研究[3]。采用Fluent 軟件對干式變壓器溫度場進(jìn)行了仿真，為定點(diǎn)檢測提供了依據(jù)[4]。通過ANSYS 軟件對繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了溫度場仿真分析[5]。對濕污絕緣子表面發(fā)熱與溫度場進(jìn)行了研究[6]。這些對電力設(shè)備溫度場的研究都采用了有限元分析的方法。

該培訓(xùn)系統(tǒng)采用ANSYS 有限元分析軟件對VR 場景中的電力設(shè)備三維模型進(jìn)行設(shè)備發(fā)熱和散熱仿真，在模型中建立溫度場。首先，根據(jù)不同發(fā)熱機(jī)理把模型分成不同的部件。比如隔離開關(guān)可以分成導(dǎo)電部分和絕緣部分。其次，對每個(gè)部件進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格。對每個(gè)部件在ANSYS 中進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，把發(fā)熱和散熱條件作為邊界條件輸入。對于導(dǎo)體發(fā)熱，考慮導(dǎo)體的電阻和通過的電流。電阻因?qū)w的材料、尺寸和形狀的不同而不同，電流在導(dǎo)體中的分布具有集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。對于絕緣體的發(fā)熱過程，考慮其材料、溫度、濕度和表面狀態(tài)等因素。散熱過程考慮材料、環(huán)境溫度、風(fēng)速、光照等因素。最后，建立運(yùn)行仿真模型。在運(yùn)行時(shí)能夠使每一個(gè)網(wǎng)格都具有一個(gè)穩(wěn)定的溫度值。把仿真結(jié)果與設(shè)備三維模型關(guān)聯(lián)起來，在三維模型上形成溫度場。

在這一過程中，通過改變導(dǎo)體的電阻和負(fù)荷電流、絕緣介質(zhì)的電壓、阻值以及環(huán)境溫度、風(fēng)速、光照等因素，就可以改變設(shè)備溫度場的分布，從而模擬設(shè)備正常發(fā)熱和各種故障發(fā)熱。

1.3 紅外熱成像儀模擬

按照某一型號的紅外熱成像儀建立儀器模型，其外觀、按鍵、功能均與實(shí)際儀器一致。當(dāng)電力設(shè)備三維模型的某一部分進(jìn)入虛擬紅外熱成像儀屏幕后，根據(jù)模型當(dāng)前的溫度場和紅外熱成像儀設(shè)定的發(fā)射率顯示相應(yīng)的紅外圖像。屏幕外的三維模型仍然顯示可見光圖像。設(shè)置儀器的發(fā)射率和色溫條，可以改變圖譜的顏色。

2 培訓(xùn)模式設(shè)計(jì)

在電力設(shè)備發(fā)熱及紅外檢測仿真平臺(tái)上，分別建立了電力設(shè)備紅外檢測仿真教學(xué)系統(tǒng)和紅外檢測虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

2.1 紅外檢測仿真教學(xué)系統(tǒng)

紅外檢測仿真教學(xué)系統(tǒng)用于對學(xué)員進(jìn)行紅外檢測的集中培訓(xùn)，學(xué)員也可以在上面對相關(guān)知識(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，包括教學(xué)模式和考核模式。

2.1.1 教學(xué)模式

2.1.1.1 建立紅外熱圖譜庫

庫中的熱譜圖均為實(shí)際的圖像，包括設(shè)備正常狀態(tài)的熱譜圖和異常狀態(tài)下的熱譜圖，以對比的形式進(jìn)行展示，便于學(xué)員辨識(shí)。對于圖庫中的每一張異常的熱譜圖，系統(tǒng)都將自動(dòng)鏈接發(fā)熱的原因分析和處理方法。

2.1.1.2 紅外測溫儀講解

紅外測溫儀講解主要包括紅外測溫儀原理、功能按鍵、操作流程等內(nèi)容，配以3D 模型動(dòng)態(tài)顯示，幫助訓(xùn)練學(xué)員使用紅外熱成像儀。

2.1.2 考核模式

2.1.2.1 發(fā)熱異常辨識(shí)及處理考核

隨機(jī)彈出一張紅外圖像，學(xué)員判斷是否有異常，如果有異常則繼續(xù)判斷發(fā)熱原因提出建議處理的方法。

2.1.2.2 紅外測溫儀使用考核

紅外測溫儀使用考核包括功能按鍵考核與操作流程考核。按鍵功能考核是通過隨機(jī)出現(xiàn)一個(gè)按鍵名稱或其功能描述，要求學(xué)員匹配另一個(gè)，考核學(xué)員對按鍵功能的熟悉程度。操作流程考核學(xué)員對整個(gè)操作流程的熟悉程度。

2.2 紅外檢測虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

這一部分是在電力設(shè)備發(fā)熱模擬的基礎(chǔ)上，對紅外測溫儀進(jìn)行操作練習(xí)和考核。系統(tǒng)設(shè)置有練習(xí)模式和考核模式。

2.2.1 練習(xí)模式

在虛擬環(huán)境中模擬操作紅外測溫儀，訓(xùn)練熱成像儀對焦、拍攝、圖像生成等操作。過程中提供步驟提示。

2.2.2 考核模式

在考核模式中，系統(tǒng)不提供任何提示。學(xué)員通過佩戴VR眼鏡進(jìn)入虛擬環(huán)境，模擬操作紅外測溫儀。操作完成后提交操作過程，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行評分，考核結(jié)束后展示錯(cuò)誤操作。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)從電力設(shè)備紅外檢測培訓(xùn)的需要出發(fā)，提出通過使用VR 技術(shù)創(chuàng)建虛擬的培訓(xùn)環(huán)境，通過溫度場的有限元分析，模擬電力設(shè)備正常發(fā)熱和故障發(fā)熱狀況，建立集培訓(xùn)、練習(xí)、考核于一體的培訓(xùn)系統(tǒng)，解決了實(shí)物模擬發(fā)熱故障種類少、準(zhǔn)備時(shí)間長的缺點(diǎn)，可以提高培訓(xùn)的效率和質(zhì)量。相較于實(shí)物模擬發(fā)熱故障培訓(xùn)系統(tǒng)，基于VR 的電力設(shè)備紅外檢測培訓(xùn)系統(tǒng)具有成本低、效率高、安全可靠的特點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。