夏德分，鄭小革，李卓，劉曉，覃其婷，賀詩文，殷瓊琪

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421008)

紅外成像檢測(cè)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究及應(yīng)用

夏德分，鄭小革，李卓，劉曉，覃其婷，賀詩文，殷瓊琪

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽供電分公司，湖南 衡陽 421008)

紅外成像技術(shù)具有非接觸、不停電等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備故障檢測(cè)，然而目前紅外成像檢測(cè)大多還停留在人工判斷技術(shù)層面上。本系統(tǒng)將發(fā)熱性質(zhì)進(jìn)行分類，采用相對(duì)溫差法、表面溫度法等對(duì)圖像進(jìn)行分析判斷，并自動(dòng)導(dǎo)出用戶所需的測(cè)溫報(bào)告。

紅外成像檢測(cè)；發(fā)熱類型；自動(dòng)識(shí)別

紅外成像檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離、不停電等優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用于電力設(shè)備故障檢測(cè)〔1〕。文獻(xiàn) 〔2〕利用紅外攝像儀拍攝輸電線路設(shè)備紅外圖片，通過圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確識(shí)別。文獻(xiàn)〔3〕建立了紅外診斷變壓器故障的專家系統(tǒng)。文獻(xiàn) 〔4－5〕將紅外成像技術(shù)應(yīng)用于絕緣子污穢等級(jí)識(shí)別，取得較好的效果。文獻(xiàn) 〔6〕將紅外診斷技術(shù)應(yīng)用于電器設(shè)備故障檢測(cè)并開發(fā)了軟件系統(tǒng)，但該軟件系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜，未對(duì)發(fā)熱形式進(jìn)行分類，應(yīng)用推廣受到限制。目前紅外成像檢測(cè)電氣設(shè)備大多還停留在人工判斷技術(shù)層面上，技術(shù)人員根據(jù)紅外導(dǎo)則計(jì)算設(shè)備溫升、相對(duì)溫差等數(shù)據(jù)，判斷發(fā)熱設(shè)備的缺陷性質(zhì)，填寫紅外測(cè)溫報(bào)告。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且判斷方法較為復(fù)雜，影響了紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確性和應(yīng)用普及，亟待一種系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)紅外圖像進(jìn)行缺陷判斷并生成紅外測(cè)溫報(bào)告，便于后續(xù)的技術(shù)分析。

目前紅外成像儀廠家提供的測(cè)溫軟件帶有一定的圖片分析和生成報(bào)告的功能，但不能實(shí)現(xiàn)缺陷分析判斷，導(dǎo)出的報(bào)告格式與實(shí)際要求有較大的差距。本系統(tǒng)將發(fā)熱性質(zhì)進(jìn)行分類，采用相對(duì)溫差法、表面溫度法等對(duì)圖像進(jìn)行分析判斷，并自動(dòng)導(dǎo)出用戶所需的測(cè)溫報(bào)告。系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，有效提高紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

1 設(shè)備發(fā)熱分類及紅外檢測(cè)原理

電力設(shè)備的主要發(fā)熱形式歸納如下〔7〕:

1)電流致熱型

電力系統(tǒng)導(dǎo)電回路中的金屬導(dǎo)體都存在相應(yīng)的電阻，當(dāng)通過負(fù)荷電流時(shí)，由此產(chǎn)生的發(fā)熱功率為

式中 P為發(fā)熱功率 (W)；Kf為附加損耗系數(shù)，表示在交流電路中計(jì)及集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)時(shí)使電阻增大的系數(shù)；I為通過的負(fù)荷電流 (A)；R為載流導(dǎo)體的直流電阻 (Ω)。

2)電壓致熱型

電氣設(shè)備絕緣材料在交變電壓作用下會(huì)引起能量損耗，通常稱為介質(zhì)損耗，損耗發(fā)熱功率為

式中 U為施加的電壓 (V)；ω為交變電壓的角頻率；C為介質(zhì)的等值電容 (F)；tanθ為介質(zhì)損耗角正切值。

3)綜合致熱型

鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)備如變壓器、油浸式互感器等因設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行不正常，或者由于鐵芯材質(zhì)不良，鐵芯片間絕緣受損，出現(xiàn)局部或多點(diǎn)短路，可分別引起回路磁滯或磁飽和，或在鐵芯片間短路處產(chǎn)生短路環(huán)流，增大鐵損并導(dǎo)致局部過熱。

紅外成像是通過非接觸探測(cè)紅外熱量，并將其轉(zhuǎn)換生成熱圖像和溫度值，進(jìn)而顯示在顯示器上，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的一種檢測(cè)設(shè)備〔8〕，如圖1所示。它的基本原理是將被物體的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚、濾波、聚焦后，再通過機(jī)械掃面系統(tǒng)將聚焦后的紅外輻射按照時(shí)間先后順序排列，輸送到紅外探測(cè)器上轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理后送至顯示器或儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)。

圖1 紅外成像檢測(cè)基本原理

2 紅外檢測(cè)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

紅外成像檢測(cè)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)為C/S模式，采用Visual Studio2008 VB.NET為開發(fā)語言，開發(fā)了具有面向?qū)ο蟆⒉僮黛`活方便的紅外檢測(cè)自動(dòng)識(shí)別軟件，其總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。該系統(tǒng)程序特點(diǎn)是占用空間很小、運(yùn)行速度快、操作方便等特點(diǎn)。自動(dòng)識(shí)別可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外圖片進(jìn)行判斷，確定缺陷性質(zhì)，生成報(bào)告，為用戶提供技術(shù)指導(dǎo)，便于安排檢修消缺處理。

圖2 紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 缺陷判斷方法

常見的紅外診斷方法有表面溫度法、相對(duì)溫差法、同類比較法和熱譜圖分析法等〔7〕，本系統(tǒng)主要采用相對(duì)溫差法和表面溫度法。相對(duì)溫差法是兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)，相對(duì)溫差δt計(jì)算方法為

式中 τ1，T1分別為發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度 (℃)；τ2，T2分別為正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度 (℃)；T0為環(huán)境參照體的溫度 (℃)。

缺陷判斷函數(shù)Q相對(duì)溫差法按式 (4)計(jì)算:

采用相對(duì)溫差法缺陷判斷具有一定局限性，相對(duì)溫差法適用當(dāng)發(fā)熱點(diǎn)的溫差大于15 K，因此當(dāng)發(fā)熱點(diǎn)與正常設(shè)備溫差小于15 K時(shí)，采用表面溫度法進(jìn)行判斷。對(duì)于一些綜合致熱型設(shè)備，如變壓器本體漏磁部分異常發(fā)熱，采用表面溫度法進(jìn)行判斷，計(jì)算方法如式 (5):

式中 Δt1，Δt2為表面溫度定值，與發(fā)熱設(shè)備類型有關(guān)，不同的設(shè)備類型，其值不同。例如隔離開關(guān)接頭發(fā)熱大于Δt2＝120℃為危急缺陷，斷路器頂部法蘭發(fā)熱大于Δt2＝80℃時(shí)為危急缺陷。

2.3 檢測(cè)報(bào)告設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮募t外成像檢測(cè)報(bào)告設(shè)計(jì)模式，即根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)檢測(cè)報(bào)告模板，系統(tǒng)只需調(diào)用模板，并將系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)寫入模板即可。模板中設(shè)計(jì)變量參數(shù)，比如StationName為變電站名稱，LocaionName為間隔名稱等變量參數(shù)，根據(jù)用戶需求設(shè)置。該模板設(shè)計(jì)有效提高了編制紅外檢測(cè)報(bào)告的效率。

2.4 紅外檢測(cè)流程

本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備類型、設(shè)計(jì)缺陷判斷方法，對(duì)缺陷進(jìn)行自動(dòng)分析，判斷設(shè)備缺陷性質(zhì)，自動(dòng)生成測(cè)溫報(bào)告。檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 紅外成像自動(dòng)檢測(cè)流程

3 紅外檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

某變電站龍柑A線5163隔離開關(guān)靠斷路器側(cè)A相接頭發(fā)熱，自動(dòng)檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)檢測(cè)流程

3.2 應(yīng)用效果比較

人工判斷法需要查找DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中的缺陷判斷方法，確定設(shè)備缺陷性質(zhì)，并編寫測(cè)溫報(bào)告，整個(gè)時(shí)間至少0.5 h，而采用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，僅需將紅外圖片導(dǎo)入系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)缺陷進(jìn)行判斷，輸入測(cè)溫報(bào)告基本參數(shù)，生成測(cè)溫報(bào)告，整個(gè)過程5 min可以完成，兩者效果比較如表1所示。

表1 人工與紅外系統(tǒng)檢測(cè)方法比較

4 結(jié)論

1)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)熱缺陷自動(dòng)計(jì)算、缺陷性質(zhì)自動(dòng)判斷，提高了紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

2)根據(jù)發(fā)熱缺陷判斷結(jié)果，自動(dòng)生成紅外測(cè)溫報(bào)告，大大提高了紅外成像檢測(cè)的工作效率。

3)將紅外成像技術(shù)與計(jì)算圖像處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了紅外檢測(cè)的可視化判斷。

〔1〕陳永輝，蔡葵.供電設(shè)備紅外診斷技術(shù) 〔M〕.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

〔2〕Ryuichi Ishino，Nonmember.Detection of a faulty power distribution apparatus by using thermal images〔J〕.IEEE Transations on Power Delivery，2002(2):1 332-1 337.

〔3〕張啟清，呂厚余，黃選發(fā)，等.電力變壓器故障紅外診斷專家系統(tǒng) 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(9):18-21.

〔4〕何洪英，姚建剛，蔣正龍，等.基于支持向量機(jī)的高壓絕緣子污穢等級(jí)紅外熱像檢測(cè) 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29 (24):70-74.

〔5〕何洪英，姚建剛，蔣正龍，等.利用紅外圖像特征和徑向基概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別不同濕條件下絕緣子的污穢等級(jí) 〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(8):117-123.

〔6〕付冬梅，李曉剛，唐征花，等.電器設(shè)備故障紅外診斷技術(shù)及其軟件系統(tǒng)開發(fā) 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(9): 55-57.

〔7〕DL/T 664—2008帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則 〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

〔8〕夏德分.紅外熱像檢測(cè)零值絕緣子影響因素研究 〔D〕.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2012.

Research and application of an automatic identification system of infrared imaging detection

XIA Defen，ZHENG Xiaoge，LI Zhuo，LIU Xiao，QIN Qiting，HE Shiwen，YIN Qiongqi
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Hengyang Power Supply Company，Hengyang 421008，China)

Infrared imaging technology without contact，power outage and other advantages，is widely used in electrical equipment fault detection.However，infrared imaging detection is implemented by manual judgment.An automatic identification system of infrared imaging detection is researched，which can classify the heating properties，analyze images by using the relative temperature difference method，surface temperature method，and automatically generate measurement reports for users’requirements.

infrared imaging detection；heating type；automatic identification

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.019

TM76

A

1008-0198(2015)04-0078-03

夏德分 (1987)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。

2015-06-16

鄭小革 (1970)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)管理。