基于大數(shù)據(jù)分析的紅外成像技術在電纜缺陷檢測中的應用

周 婕，徐麗娟，徐 偉，周詠晨

（國網(wǎng)上海電纜公司，上海 200072）

0 引 言

新時期，我國社會經(jīng)濟水平的逐漸提升為電力行業(yè)的發(fā)展帶來了機遇。在電力行業(yè)發(fā)展中，確保供電系統(tǒng)安全是重點問題。做好供電系統(tǒng)一方面能夠提升電力企業(yè)的競爭力，另一方面也是保證人們工作和生活的關鍵[1]。電力電纜作為電力能源傳輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)，密切監(jiān)測電力電纜的溫度能有效保障其可靠運行。

電力電纜的熱效應是電纜出現(xiàn)異常和故障的原因之一。電纜線路紅外成像技術的普及應用是目前研究的重點。電纜線路紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)應能實現(xiàn)對電纜本體、接頭、終端及接地系統(tǒng)等熱輻射的監(jiān)測與分析。測量和分析電纜線路由負荷電流和電場分布所引起的溫度變化，綜合分析同一終端在一定時間段內連續(xù)測量的紅外圖片，可評估電纜線路的運行狀態(tài)和健康狀況。由于缺乏大量的沉淀數(shù)據(jù)，因此對于紅外成像檢測結果的判斷只能依托運維經(jīng)驗，這就給判定結論的準確性帶來了很大挑戰(zhàn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析能力的提高，物聯(lián)網(wǎng)和智能機器學習等先進技術為實現(xiàn)電力電纜數(shù)據(jù)的自動采集和資產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理提供了更多可能性?；诖髷?shù)據(jù)分析紅外成像技術[3]，實現(xiàn)了“制定工作任務→測試服務→上傳數(shù)據(jù)→形成報告”的完整流程?；诩t外成像圖片測試數(shù)據(jù)智能分析，結合相關信息進行綜合分析，如利用大數(shù)據(jù)進行積累、學習以及應用，利用格式化數(shù)據(jù)進行機器學習，利用多維度的數(shù)據(jù)進行綜合比較和智能預測等。

1 電纜紅外成像測溫技術

1.1 紅外成像技術

該技術基于被測電纜的致熱效應，通過紅外檢測儀接收被測物體存在的“熱輻射”，將其轉換成電信號，并在電子處理下生成紅外線圖譜。在紅外成像分析系統(tǒng)中，相應數(shù)據(jù)輸入后形成溫度曲線。通過這種方式分析電纜運行是否正常，紅外線檢測儀可以吸收的波長范圍一般為2～14 μm。紅外成像原理如圖1所示。

1.2 檢測步驟

儀器開機，校準內部溫度，待圖像穩(wěn)定后設置儀器的參數(shù)。根據(jù)被測電纜的材料設置輻射率，被測電纜在一般檢測時的輻射率通常為0.9。儀器的色標溫度量程一般取+10～20 K的溫升范圍。開始測溫時，通過遠距離方式全面掃描所有被測電纜，利用彩色顯示調節(jié)圖像，使圖像顯示更加清晰，同時結合熱點跟蹤和區(qū)域溫度跟蹤等數(shù)值測溫手段開展實際的檢測工作，充分利用儀器功能保證檢測效果最佳。環(huán)境溫度出現(xiàn)較大變化時，應重新校準儀器內部溫度。存在異常時，需要做好精準檢測工作保證結果的準確性。測溫時，應確?，F(xiàn)場實際測量距離滿足電纜最小安全距離和儀器有效測量距離等要求[4]。

圖1 紅外成像原理示意圖

1.3 功能特點

紅外成像儀操作簡單且質量較輕，在電纜溫度巡視上更加方便。例如，ThermaCAMTME2加電池才0.7 kg，便于攜帶和使用。

儀器使用時，通過液晶顯示屏動態(tài)顯示的方式可以動態(tài)掃描電纜溫度的圖像，在菜單操作模式下進行良好的人機交互操作。同時，利用通信口在計算機中輸入圖像信息進行后臺處理，通過掃描得到電纜溫度，從而大幅提升了工作效率。

紅外熱成像儀采用圖像掃描的工作方式，可測得掃描范圍內的電纜溫度，有超過允許溫度值的情況發(fā)生時，會及時發(fā)出報警。因為它有較高的測溫效率，所以大大提升了電纜測溫的頻率，從而能夠及時掌握電纜的溫度情況。采用測試儀可以一邊巡視電纜，一邊測量電纜溫度，兩項工作同步開展，從而更加有效地掌握電纜的溫度情況。

有效獲得溫度圖像能夠實現(xiàn)對電纜故障的良好分析。因為測量的電纜溫度圖像上有較多的溫度信息，所以能夠測量出電纜各點溫度的分布情況。利用相應的溫度分布信息，可更加直觀地找到電纜的內部/外部故障。

1.4 應用效果

變電站的電纜巡視中，對電纜運行情況的判斷通常是利用目測、耳聽以及鼻嗅等方法，存在很大的局限性，導致處于發(fā)展中的缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)。特別是電纜內部缺陷，發(fā)現(xiàn)時問題可能已經(jīng)較為嚴重，往往會對電纜產(chǎn)生一定的破壞。應用紅外成像測溫技術，可在短時間內找出缺陷類型及位置，確保電力系統(tǒng)的安全，具有較大的應用優(yōu)勢。

1.5 紅外熱成像儀的功能與優(yōu)勢

在測量電纜表面溫度時，紅外熱成像儀能夠得出電纜內部熱消耗的實際情況，從而分析電纜是否存在缺陷。此外，紅外熱成像儀能夠直觀地顯示熱點溫度，且熱圖像也更加直觀，具備儲存功能的同時可以將其打印出來。

該技術可以進行定量測量也可以進行定性成像，同時對溫度及空間分辨率也較高，即使溫差較小也可以很好地辨識出來。在屏幕上可以直觀顯示實時熱圖像，有助于建立熱圖像數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)圖像的采集、儲存以及分析。使用紅外熱成橡儀檢測電纜，能夠在遠距離情況下實施掃描巡檢。因為它不與電纜接觸，所以可以保證工作人員的人身安全。

通過紅外熱成像儀檢測電纜與攝像機錄像原理較為相似。實際應用過程中，可以實現(xiàn)大面積檢測，不僅速度較快，而且準確性較高，可有效找出與運行電流和電壓電流有關的電纜缺陷，同時能判斷缺陷的性質、程度以及實際位置等。

2 基于大數(shù)據(jù)分析的紅外成像技術

2.1 智能分析系統(tǒng)功能架構

系統(tǒng)的功能框架包含應用首頁、任務管理、智能診斷以及基礎數(shù)據(jù)等部分。系統(tǒng)應用首頁可進行紅外任務和整體診斷結果的集中展示，并提供功能菜單，用以選擇具體紅外任務管理和智能診斷功能。任務管理功能模塊具備的功能較多，包括任務建立、下達、圖片上傳、任務終結以及完成情況統(tǒng)計等功能，可實現(xiàn)閉環(huán)的紅外圖像診斷任務流程。智能診斷功能模塊包含紅外診斷所需的設備智能分區(qū)和依據(jù)配置的診斷規(guī)則進行的智能診斷功能，也包含設備關聯(lián)分析及充油設備油位檢測等高級應用功能。通過目標識別和邊緣檢測，可對溫度變化的目標進行識別和邊緣檢測。圖像分割技術檢測圖像的邊緣，以識別不同的設備。

利用Canny算法進行邊緣檢測。Canny算法包括噪聲去除、計算梯度與方向角、非極大值壓縮以及滯后閾值化等步驟。檢測紅外變化的區(qū)域，可得到不同位置溫度變化的區(qū)域邊界。通過溫度變化檢測時間序列的預測，利用時序的預測模型LSTM預測溫度的變化情況，計算歷史數(shù)據(jù)和歷史擬合的數(shù)據(jù)變化情況，從而給出溫度的上下漲落。利用預測的值和上下的漲落，可判斷溫度是否超出閾值。

基礎數(shù)據(jù)包含PMS接口功能，可導入設備和人員信息，支撐紅外任務管理和紅外任務執(zhí)行管理。基礎數(shù)據(jù)部分包含解析且格式統(tǒng)一的電力設備紅外圖片庫、紅外分區(qū)以及診斷樣本庫等，可作為紅外智能診斷的數(shù)據(jù)基礎。

2.2 系統(tǒng)運維實施方案

紅外帶電檢測數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)運維主要實現(xiàn)紅外檢測數(shù)據(jù)和業(yè)務流程的統(tǒng)一管理，進一步提高了紅外缺陷診斷的智能化水平。它的主要建設內容包括主設備紅外樣本庫運維、紅外圖像智能診斷算法運維、智能診斷分析系統(tǒng)運維、任務管理及全景展示。

2.3 智能運維平臺應用

紅外任務和執(zhí)行情況的集中展示能夠批量展示紅外任務下發(fā)與執(zhí)行情況，顯示電網(wǎng)總體紅外任務數(shù)量與執(zhí)行情況，還能夠通過點擊地圖上各部分地理區(qū)域，查看各地市紅外任務與執(zhí)行數(shù)量情況。紅外任務與執(zhí)行情況如圖2所示。

圖2 紅外任務與執(zhí)行情況展示

紅外缺陷診斷結果顯示，對已經(jīng)完成診斷的紅外圖片可選擇單個展示診斷結果或批量展示診斷結果。對同類型電纜，可進行分相比對和歷史數(shù)據(jù)比對展示。其中，歷史數(shù)據(jù)比對展示如圖3所示。

圖3 歷史數(shù)據(jù)比對展示

3 試 驗

對不同類型的電纜采用相應的判斷方法和判斷依據(jù)，并由熱像特點進一步分析電纜的缺陷特征，從而可判斷電纜的缺陷類型。

3.1 判斷方法分析

表面溫度判斷法是通過檢測電纜表面溫度值，在得到實際數(shù)據(jù)后，根據(jù)GB/T 11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》中的相關規(guī)定，與負荷數(shù)據(jù)值和環(huán)境氣候情況相結合，對電纜缺陷做出判斷。

同類比較判斷法是根據(jù)同組三相電纜、同類電纜以及同相電纜存在的溫差，通過對比找出缺陷所在。

相對溫差判斷法適用于小負荷電流致熱型電纜的缺陷判斷，可以提升判斷準確率。當電流致熱型電纜的發(fā)熱點溫升值小于15 K時，不宜選擇這一方法判斷電纜缺陷。

檔案分析判斷法是分析同一電纜溫度場不同時期的分布，從而得到該電纜致熱參數(shù)的實際變化情況，從而判斷其是否存在缺陷。

實時分析判斷法是在一段時間內通過紅外熱像儀對電纜進行連續(xù)檢測，分析電纜溫度在不同時間和負載下的變化情況。

3.2 缺陷類型的確定與處理措施

溫度異常會對電氣設備的運行產(chǎn)生一定的影響。缺陷類型一般分為一般缺陷、嚴重缺陷以及緊急缺陷3個等級。

一般缺陷是指電力電纜存在過熱、溫度分布有差異的情況，一般僅做記錄，不會引發(fā)電力電纜故障，可通過定期或不定期停電（或周期）檢修工作消除缺陷。通常情況下，若電力電纜溫升小、負荷率低且相對溫差大，在改變負荷條件時，需要通過復測負載提升后的電流分析電纜缺陷的實際情況，否則視為一般缺陷，記錄在案。

嚴重缺陷是指電力電纜存在過熱或出現(xiàn)熱像特征異常的情況。程度較嚴重時，應早作計劃，及時處理。例如，增加對電纜的監(jiān)測，了解在溫度發(fā)生變化時電纜負載所產(chǎn)生的變化，盡可能控制缺陷的產(chǎn)生。

緊急缺陷是指電力電纜熱點溫度（或溫升）超過規(guī)定的允許限值溫度（或溫升）的情況，應立即安排電力電纜進行消缺處理或使電力電纜帶負荷限值運行。

4 結 論

基于大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)面向精益運維、精益檢修以及精益管控的應用場景，可有效增強電力電纜的全狀態(tài)量感知力、管控力以及電力安全生產(chǎn)保障能力，進一步提高運檢精益管理水平。