周 侶, 崔昊楊

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司 杭州供電公司, 浙江 杭州 310052; 2.上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

紅外測溫技術在電力設備故障診斷中的應用

周 侶1, 崔昊楊2

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司 杭州供電公司, 浙江 杭州 310052; 2.上海電力學院 電子與信息工程學院, 上海 200090)

針對傳統(tǒng)人工檢測存在的不足,概述了電力設備紅外診斷技術的基本原理以及特點,分析了適用于設備紅外診斷的測溫儀器種類及其優(yōu)缺點,總結(jié)并討論了基于溫度信息的電力設備故障診斷技術.提出了利用紅外檢測技術提高電力設備可靠運行性的方法.

紅外測溫; 電氣設備; 故障診斷; 神經(jīng)網(wǎng)絡

隨著智能電網(wǎng)技術的快速發(fā)展以及能源互聯(lián)網(wǎng)的興起,電力系統(tǒng)對電氣設備的安全提出了更高的要求.作為電網(wǎng)的關鍵節(jié)點,變電站等區(qū)域的安全性顯得尤其重要.變電站等區(qū)域的安全不僅包括設備的安全防盜,更重要的是變電站內(nèi)部電氣設備的運行安全.對電氣設備的運行狀態(tài)進行及時的檢測與評估,能夠有效提高電網(wǎng)運行的可靠性.盡管電氣設備發(fā)生故障的物理機理涉及電、磁、熱、力等方面,但故障的具體表象絕大多數(shù)表現(xiàn)為溫度異常,可以將這些部件的溫度監(jiān)測值作為設備狀態(tài)評估和分析的依據(jù).

變電站設備巡檢工作主要以運行維護人員定期巡視及紅外測溫為主.巡視是指運行維護人員通過目測、耳聽、鼻嗅、手摸等方法對變電站內(nèi)的電力設備和設施進行全面檢查.由于檢測手段的不足,使得設備的內(nèi)在缺陷和隱患很難被發(fā)現(xiàn).紅外測溫是指運行維護人員手持紅外測溫儀器定期對變電站內(nèi)的電力設備開展整體、局部紅外測溫檢測工作.然而在電力系統(tǒng)的“發(fā)、輸、配、變、用”環(huán)節(jié)中,有大量設備的溫度需要監(jiān)測和預警[1].對工作人員而言,設備紅外檢測需要耗費大量時間,存在工作量大、效率低、易漏檢、管理成本高等缺點[2].隨著信息技術、計算機網(wǎng)絡技術與電力設備故障診斷理論的發(fā)展,電力設備紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用為上述問題提供了新的解決途徑[3],同時也使電力設備得到有效、全面、智能的診斷和維護.

本文概述了電氣設備紅外測溫技術的原理及特點,列舉了測溫儀器的種類及特點,總結(jié)了紅外測溫故障診斷技術的基本理論,為電力設備紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)?；瘧玫於死碚摶A.

1 紅外測溫技術的原理與特點

1.1 紅外測溫技術原理

按照紅外輻射理論,自然界中一切溫度高于絕對零度的物體均向外輻射紅外線[3].因為紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射,紅外輻射度則取決于物體的溫度,利用紅外線探測器接收電力設備表面的紅外輻射度,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,就能夠?qū)崿F(xiàn)對電力設備的溫度監(jiān)測.對于電力設備,紅外測溫與故障診斷的基本原理就是探測設備表面的紅外輻射信號,從而獲得設備的溫度特征,以此診斷設備有無故障及故障嚴重程度.測溫系統(tǒng)的組成包括紅外投射鏡頭(分為平面型及透鏡型)、紅外探測器、信號處理電路及顯示屏等.

針對紅外輻射的特點,觀測距離和視角是影響紅外熱輻射檢測精度的兩個關鍵參數(shù).在對電力設備進行紅外測溫的過程中,應盡量保證在觀測距離允許范圍內(nèi)、在設備表面法線方向進行正向測量.在不進行數(shù)據(jù)后期修正算法處理的條件下,最大允許觀測視角范圍不能超過±30°,否則設備表面溫度測量值將與真實值存在較大誤差,且誤差值隨著觀測視角的增大而增大.

1.2 電力設備紅外輻射的特點

1.2.1 紅外輻射強度與輻射率的關系

由黑體輻射定律可得到黑體的溫度與波長的關系[4-5],即由黑體輻射的普朗克定律和斯蒂芬-波爾茲曼定律可知,目標體的紅外熱輻射功率滿足如下關系式:

(1)

(2)

式中:PλT——光譜輻射功率; λ——紅外輻射的波長; T——熱力學溫度; C1——第一輻射常數(shù); C2——第二輻射常數(shù); PT——全輻射功率;σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù).

在實際測量中,由于電力設備與黑體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)存在明顯差別,這將導致紅外輻射的測量過程中必須引入一個隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的參數(shù),即輻射系數(shù)ε.此時,光譜輻射功率和全輻射功率可改寫為:

(3)

(4)

上述分析表明,輻射率對于設備紅外輻射的測量結(jié)果具有非常明顯的影響.例如:設黑體輻射率為1,電力設備材料輻射率為0.8,由式(1)和式(3),可計算出不同溫度下兩者的紅外輻射光譜分布曲線,如圖1所示.

圖1 黑體和電力設備的紅外輻射光譜

由圖1可以看出,由于輻射系數(shù)不同,在150 ℃時,黑體和電力設備的光譜輻射度之差達到34 W/m2,這就對測量結(jié)果造成了較大的影響.總體而言,紅外輻射的強度將隨著輻射系數(shù)和設備溫度的減小而降低.為了準確檢測電力設備的運行溫度,必須確定設備表面的紅外熱輻射系數(shù),然后對紅外測溫儀器修正電路的輻射率ε進行設定.一般情況下,電力設備種類不同,其表面的輻射系數(shù)也不相同,具體的設備表面輻射系數(shù)可從紅外技術手冊中查詢,如電力設備中常見材料的輻射系數(shù)可以設定如下:絕緣子為0.91～0.94,電極銅片為0.59～0.61,鋁導線為0.30～0.40.

1.2.2 紅外輻射峰值波長與設備溫度的關系

從圖1中還可以看出,紅外輻射的峰值波長與物體的表面溫度密切相關,兩者呈反比關系,即紅外輻射的峰值波長隨電力設備溫度的降低而變大,溫度越高,物體輻射的紅外波波長越短;溫度越低,波長越長.在設備溫度升高的過程中,光譜輻射度的峰值波長移動規(guī)律遵循維恩公式:

(5)

式中:λ——光譜輻射峰值波長;T——熱力學溫度.

在選用紅外測溫儀器測量電力設備的運行溫度時,儀器探測到的紅外輻射波長必須覆蓋設備紅外輻射的峰值波長.根據(jù)式(5),在0～95 ℃范圍內(nèi),紅外輻射的波長范圍為7.9～9.6 μm,因此在電力設備紅外測溫選型過程中,應選用紅外大氣窗口為8～14 μm的紅外探測器,測量量程為-30～300 ℃即可滿足需求.

1.2.3 紅外輻射強度與開氏溫度的關系

由式(2)和式(4)可知,設備單位表面的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比,即設備的運行溫度越高,其向外輻射出的紅外輻射強度越大,設備溫度越低,紅外輻射的強度越小.這就要求在測量低溫區(qū)間的設備溫度時,需要采用靈敏度高的傳感器,否則將受到大氣輻射的影響,造成較大的測量誤差.此外,即使設備表面溫度發(fā)生微小變化,也將引起設備表面輻射功率的較大變化.物體向外輻射的紅外信號經(jīng)過探測器可轉(zhuǎn)換為與接收到的輻射功率大小成正比的電信號.依據(jù)這一特性對設備表面紅外輻射進行探測,就能實現(xiàn)對設備的非接觸測溫.

2 紅外測溫儀器的種類

紅外測溫儀器是獲取電力設備溫度的關鍵設備,目前應用比較廣泛的儀器包括紅外測溫儀和紅外熱像儀.其中,紅外測溫儀是采用薄膜熱電堆或者熱釋電模塊作為探測器,其優(yōu)點是不需要制冷,價格較低.其缺點是不能掃描成像,只能顯示視場內(nèi)的平均溫度.而且儀器的距離系數(shù)比不滿足要求時,測溫結(jié)果會出現(xiàn)較大誤差.

紅外熱像儀分為制冷型和非制冷型傳感器.制冷型傳感器一般是對紅外光子進行探測,其特點是靈敏度高、響應速度快、空間分辨率和溫度分辨率高,掃描成像后可較為準確地顯示被測設備的溫度場分布.此類儀器工作時需要制冷,技術要求高,成本比較昂貴.

目前,非制冷紅外焦平面技術日趨成熟,前些年主要依靠FLIR公司、FLUKE公司等國外企業(yè)供貨,近幾年國內(nèi)部分廠商及科研院所開始加大研發(fā)力度,如浙江大立、廣州颯特、武漢高德等公司已經(jīng)研發(fā)出性能較好的微測輻射熱計紅外焦平面和薄膜型紅外焦平面器件.與制冷型紅外熱像儀相比,非制冷紅外熱像儀具有低成本、低功耗和小型化等優(yōu)點,被廣泛應用于軍事和國民經(jīng)濟各領域.盡管非制冷型紅外熱像儀可實現(xiàn)對電力設備工作溫度的定性與定量化檢測,但高像素的非制冷型紅外熱像儀(如1 024×1 024 像素)的價格仍相對較高.

在紅外測溫儀器選型的過程中,應依據(jù)被測現(xiàn)場的具體情況來決定.例如,對于部分設備并不需要定量獲取溫度而僅需得到紅外熱圖像分布時,可采用紅外電視更加符合這一要求.如果部分設備只需對局部重點監(jiān)控區(qū)域進行監(jiān)測,并不需要昂貴的儀器進行紅外成像,此時只要采用價格較低廉的紅外測溫儀即可.

3 電力設備紅外診斷技術

運行中的電力設備,無論是載流設備中電流效應引起的發(fā)熱,還是反映設備內(nèi)部介質(zhì)損耗的電壓效應引起的發(fā)熱,發(fā)生故障區(qū)域的溫度都將發(fā)生顯著變化,并向周圍環(huán)境輻射紅外線.對于紅外檢測技術而言,所采用的判據(jù)理論直接影響著設備紅外診斷的準確性和可靠性.我國電力行業(yè)相繼制定了《DL/T664-1999帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》和(DL/T664-2008帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》等行業(yè)標準,對基于紅外技術的帶電設備故障診斷有較好的指導作用.近年來,隨著圖像處理和其他相關技術的引入,紅外診斷技術正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展,對變電設備紅外圖像的自動分析和診斷是變電設備監(jiān)測技術的重要研究方向.

3.1 溫度閾值法

目前,就基于溫度信息對設備運行故障的判定規(guī)則而言,基本上仍局限于溫度閾值方法,即溫度高于某一閾值就認為設備存在故障,而低于某一閾值就認為運行正常.國家標準中,在用溫度界定電氣設備運行是否正常時,采用的就是這種簡單的方式.但由于電氣設備的種類繁雜,關鍵點數(shù)量眾多,單一的閾值無法準確診斷設備的運行狀態(tài),而且電氣設備的損壞是一個漸進的過程,因此簡單地將設備分為正常和故障兩種狀態(tài)并不符合實際情況.

此外,電氣設備處于不同的運行環(huán)境下,損壞溫度的界限各不相同,僅僅把設備工作狀態(tài)分為正常和故障兩種狀態(tài)過于絕對,閾值溫度法的診斷結(jié)果往往不能準確反映設備的實際運行狀態(tài),容易造成誤判.

3.2 相對溫差法

針對閾值評估方法存在的不足,在設備狀態(tài)評估中又發(fā)展出了溫升檢測法,即用同一檢測儀器測得被測物體表面溫度和環(huán)境溫度參照體表面溫度之差.該方法主要包括絕對溫度判斷法和相對溫差法兩種.絕對溫度判斷法是將過熱部位的溫度與GB/T11022-1999,DL/T664-1999,DL/T 664-2008標準中的物體最大工作溫升和相對溫差表進行對照,并做出診斷.相對溫差法是計算兩個對應檢測點之間的溫差與其中較熱點溫升之比的百分數(shù).

相對溫差的計算式為:

(6)

式中:δt——相對溫差;t1——發(fā)熱點溫升;T1——發(fā)熱點溫度;t2——正常相對應點溫升;T2——正常相對應點的溫度;T0——環(huán)境溫度參照體的溫度.

3.3 同類比較法

同類比較是設備狀態(tài)檢測中另一種常用的方法,其核心思想是在同一電氣回路中,當三相(或兩相)設備相同且三相電流對稱時,比較三相(或兩相)電流致熱型設備對應部位的溫升值,可判斷設備是否正常.

若三相設備同時出現(xiàn)異常,可與同回路的同類設備比較.這一方法的優(yōu)點在于能夠排除負荷和環(huán)境溫度對紅外診斷結(jié)果的影響,在同型設備和同一設備的三相診斷中應用較多.其缺點在于,在不同類型的設備群中,沒有對比目標時,其應用受到一定的限制.

3.4 人工智能診斷法

針對閾值方法在實際應用中存在的不足,人們又相繼提出了電氣設備故障的人工智能診斷方法,如模糊診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡法及專家系統(tǒng)等.

模糊診斷法的基本原理是依據(jù)設備熱故障的影響和危害性,將電力設備的熱缺陷分為幾種故障等級,如正常狀態(tài)、一般故障和嚴重故障.正常狀態(tài)是指雖然設備的溫度升高,但設備并沒有發(fā)生故障,仍然可以正常使用.一般故障是指溫升對設備正常運轉(zhuǎn)的影響不大,可以在加強監(jiān)視的情況下使用.嚴重故障是指設備在溫升的情況下,若繼續(xù)運行會造成危害的故障,具有此類故障的設備需要立刻停止運行.

神經(jīng)網(wǎng)絡具有并行處理、學習和記憶、非線性映射和自適應能力等特點.由神經(jīng)網(wǎng)絡算法衍生出的各類故障診斷方法,如自組織映射(SelfOrganizingMap,SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡[7]、貝葉斯正則化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡[8]、深度神經(jīng)網(wǎng)絡[9]等在電氣故障診斷方面效果顯著.利用大量參數(shù)作為故障診斷模型的初始輸入變量,經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡算法的訓練,可實現(xiàn)輸入樣本的故障評估和診斷,使故障診斷效率得到明顯提高.

4 結(jié) 語

本文概述了紅外測溫診斷技術的基本原理,測溫儀器種類及其特點,總結(jié)并討論了電力設備紅外測溫診斷技術中的若干基本理論.結(jié)果表明,紅外輻射強度隨輻射率的減小而降低,紅外輻射峰值波長隨設備溫度的降低而增大,紅外輻射強度與開氏溫度的四次方成正比.利用溫度信息診斷設備故障時,應充分考慮設備的使用年限、運行環(huán)境等因素,以做出綜合評估.本文的研究對提高電力系統(tǒng)設備的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術水平具有一定的現(xiàn)實意義.

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(編輯 白林雪)

Study of Infrared Technique Used in Diagnosis ofElectric Power Equipment

ZHOU Lü1, CUI Haoyang2

(1.HangzhouPowerSupplyCompany,StateGridZhejiangElectricPowerCorporation,Hangzhou310052,China; 2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The basic principle and characteristics of infrared diagnosis technology of electrical equipment are summarized and the types of the IR measuring instrument applied to the infrared diagnosis are analyzed,and the fault diagnosis technology of electrical equipment is discussed based on the temperature data.Then a method of improving the reliability of power equipment using the infrared detection is offered.

infrared theory; electrical equipment; fault diagnosis; neural network

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.008

2016-07-27

簡介：崔昊楊(1978-),男,博士后,教授,吉林四平人.主要研究方向為電力設備在線監(jiān)測,半導體光電器件等.E-mail:cuihy@shiep.edu.cn.

上海市科學技術委員會地方能力建設項目(15110500900).

文獻標志碼： A 文章編號：1006-4729(2016)06-0543-04