段先鋒 白亞為 楊會賢

（西安電力高等專科學校，陜西 西安 710032）

0 引言

電力設(shè)備運行時，會因為各種原因發(fā)熱。正常時，發(fā)熱所導致的溫升在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。設(shè)備有缺陷時，會表現(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)過培訓才能掌握檢測的技巧，并積累判斷發(fā)熱故障的經(jīng)驗。有些電力公司的培訓部門會在真實的設(shè)備上預(yù)裝發(fā)熱元件來模擬故障發(fā)熱，并組織學員進行紅外檢測，對熱成像儀的使用技巧進行培訓，并讓學員積累判斷發(fā)熱故障的經(jīng)驗。

這種在真實的設(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，都使得它越來越不能滿足電力設(shè)備紅外檢測培訓的需要。

該文提出把虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)引入電力設(shè)備紅外測溫的培訓中，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，訓練學員在虛擬環(huán)境中使用紅外檢測技術(shù)，達到培訓目標。

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變電站。在這個仿真變電站中，有1 臺主變。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償間隔。這樣既體現(xiàn)了變電設(shè)備的多樣性，同時也避免了設(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

電流通過導體會產(chǎn)生熱能，其發(fā)熱功率為：

式中：P—發(fā)熱功率（W），I—電流強度（A），R—電器或載流導體的直流電阻（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，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]。

渦流是導體在交變磁場中感生電動勢而在其內(nèi)部產(chǎn)生的電流。渦流損耗是渦流在流經(jīng)通路的電阻時產(chǎn)生的損耗。渦流損耗與導體的形狀及電阻率、磁感應(yīng)強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、熱對流、熱輻射3 種方式。

1.2.2.1 熱傳導

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。熱傳導傳遞的熱量可以用公式（3）來計算：

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。按照對流的方式可以分為自然對流和強迫對流。自然對流的熱量傳遞的速率可用公式（4）計算：

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)導電部分的溫度場進行了研究[3]。采用Fluent 軟件對干式變壓器溫度場進行了仿真，為定點檢測提供了依據(jù)[4]。通過ANSYS 軟件對繞線式異步電動機進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)熱機理把模型分成不同的部件。比如隔離開關(guān)可以分成導電部分和絕緣部分。其次，對每個部件進行建模并劃分網(wǎng)格。對每個部件在ANSYS 中進行建模并劃分網(wǎng)格，把發(fā)熱和散熱條件作為邊界條件輸入。對于導體發(fā)熱，考慮導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、風速、光照等因素。最后，建立運行仿真模型。在運行時能夠使每一個網(wǎng)格都具有一個穩(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，通過改變導體的電阻和負荷電流、絕緣介質(zhì)的電壓、阻值以及環(huán)境溫度、風速、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、功能均與實際儀器一致。當電力設(shè)備三維模型的某一部分進入虛擬紅外熱成像儀屏幕后，根據(jù)模型當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 培訓模式設(shè)計

在電力設(shè)備發(fā)熱及紅外檢測仿真平臺上，分別建立了電力設(shè)備紅外檢測仿真教學系統(tǒng)和紅外檢測虛擬仿真實訓系統(tǒng)。

2.1 紅外檢測仿真教學系統(tǒng)

紅外檢測仿真教學系統(tǒng)用于對學員進行紅外檢測的集中培訓，學員也可以在上面對相關(guān)知識進行自主學習，包括教學模式和考核模式。

2.1.1 教學模式

2.1.1.1 建立紅外熱圖譜庫

庫中的熱譜圖均為實際的圖像，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，以對比的形式進行展示，便于學員辨識。對于圖庫中的每一張異常的熱譜圖，系統(tǒng)都將自動鏈接發(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 模型動態(tài)顯示，幫助訓練學員使用紅外熱成像儀。

2.1.2 考核模式

2.1.2.1 發(fā)熱異常辨識及處理考核

隨機彈出一張紅外圖像，學員判斷是否有異常，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出現(xiàn)一個按鍵名稱或其功能描述，要求學員匹配另一個，考核學員對按鍵功能的熟悉程度。操作流程考核學員對整個操作流程的熟悉程度。

2.2 紅外檢測虛擬仿真實訓系統(tǒng)

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

2.2.1 練習模式

在虛擬環(huán)境中模擬操作紅外測溫儀，訓練熱成像儀對焦、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。學員通過佩戴VR眼鏡進入虛擬環(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)自動進行評分，考核結(jié)束后展示錯誤操作。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)從電力設(shè)備紅外檢測培訓的需要出發(fā)，提出通過使用VR 技術(shù)創(chuàng)建虛擬的培訓環(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、練習、考核于一體的培訓系統(tǒng)，解決了實物模擬發(fā)熱故障種類少、準備時間長的缺點，可以提高培訓的效率和質(zhì)量。相較于實物模擬發(fā)熱故障培訓系統(tǒng)，基于VR 的電力設(shè)備紅外檢測培訓系統(tǒng)具有成本低、效率高、安全可靠的特點，應(yīng)用前景非常廣闊。