梅林

(國家電網(wǎng)河南電力公司 信息通信公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

開關(guān)柜由于具備體積小、成本低、操作方便和維護(hù)量小等特點(diǎn)，在配電電壓等級(jí)的電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，由于設(shè)計(jì)緊湊和空閑散熱有限，常常出現(xiàn)過熱故障。這種過熱故障通常由主通流回路的接觸不良或異常工況引起，如果未得到及時(shí)遏制，將造成整個(gè)開關(guān)柜或配電系統(tǒng)的故障或事故[4-5]。

目前對(duì)開關(guān)柜的過熱故障通常采用溫度監(jiān)測的方法。按技術(shù)原理分類，目前開關(guān)柜的溫度監(jiān)測方法主要有基于聲表面波、紅外熱像技術(shù)、熱電原理及光纖的溫度監(jiān)測方法[6-8]。紅外測溫由于非接觸式測溫的特點(diǎn)，逐步在開關(guān)柜中得到應(yīng)用。然而，由于開關(guān)柜測溫存在安裝后不可調(diào)整和存在設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等問題，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)。此外，運(yùn)維人員對(duì)開關(guān)柜的巡檢操作通常包括定期紅外測溫，該項(xiàng)工作較為繁瑣，而目前重要的變電站已經(jīng)出現(xiàn)了巡檢機(jī)器人，如何充分利用巡檢機(jī)器人來減少運(yùn)維人員工作量，提升工作效率，也是當(dāng)前開關(guān)柜運(yùn)維中面臨的一大問題[9-10]。

為此，研究了基于紅外觀察窗的開關(guān)柜紅外測溫方案，結(jié)合巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套基于紅外測溫與巡檢機(jī)器人的開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，并在變電站開展了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 紅外測溫原理與紅外測溫單元

1.1 紅外測溫原理

紅外測溫利用了任何物體在絕對(duì)零度以上都會(huì)發(fā)出紅外輻射這一特性，通過對(duì)物體發(fā)出的光波的接收，從而獲取物體表面溫度信息。紅外線是一種波長介于0.76 ～1 000 μm的光波，式(1)給出了物體發(fā)射的紅外輻射能量隨溫度的變化規(guī)律。

M=εδT4

(1)

式中：M為物體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)的輻射出射度；ε為待測物體的發(fā)射率；δ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)；T為溫度。由式(1)可知，只要知道物體發(fā)射率，并利用紅外傳感器測量得到物體輻射出射度，就可計(jì)算得到物體的表面溫度。

1.2 紅外測溫單元

紅外測溫單元的主要功能是實(shí)現(xiàn)紅外信息的采集與處理，工作原理如圖1所示。被測物體的紅外輻射波通過光學(xué)元件收集整合輸送給紅外探測器，紅外探測器再將信號(hào)轉(zhuǎn)換成最終可見的紅外熱像圖。運(yùn)維人員和機(jī)器人可根據(jù)紅外熱像圖信息判斷開關(guān)柜內(nèi)各關(guān)鍵部位的溫度信息，做出科學(xué)合理的運(yùn)維檢修策略。

圖1 紅外測溫單元原理

紅外探測器是紅外測溫單元的關(guān)鍵部件，它是將捕獲的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵部件，因此直接影響到整個(gè)紅外測溫單元的性能。本文紅外探測器的基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 紅外探測器性能參數(shù)與指標(biāo)

2 紅外測溫裝置與巡檢機(jī)器人配置方案

2.1 開關(guān)柜常規(guī)紅外測溫方式存在的問題分析

傳統(tǒng)的開關(guān)柜紅外測溫系統(tǒng)是將紅外傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)部的地電位處，這種安裝方式存在以下一些問題：①紅外傳感器需安裝于開關(guān)柜內(nèi)，而開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)較為緊湊，傳感器的引入很難保證絕緣距離不受到任何影響，在一些極端情況，傳感器的存在可能會(huì)引起一些放電隱患；②紅外傳感器一旦安裝完成，運(yùn)行中由于柜門不能打開，傳感器的角度與位置等均不能調(diào)整，因此對(duì)開關(guān)柜關(guān)鍵位置的溫度監(jiān)測存在一定的盲區(qū)。為了避免上述不足，在開關(guān)柜柜面設(shè)置特殊材料制作的紅外測溫窗口，將紅外熱像儀或點(diǎn)溫儀置于紅外測溫窗口外進(jìn)行開關(guān)柜關(guān)鍵部位的溫度測量。該種方式雖然避免了內(nèi)置式開關(guān)柜測溫傳感器的不足，但是由運(yùn)維人員對(duì)開關(guān)柜溫度進(jìn)行巡視測量，不僅工作量大，還可能在出現(xiàn)開關(guān)柜意外情況時(shí)危及到運(yùn)維人員的生命安全。鑒于上述不足，提出了基于紅外測溫窗口與巡檢機(jī)器人相結(jié)合的開關(guān)柜溫度測量方式。

2.2 紅外測溫裝置與巡檢機(jī)器人

首先在待測開關(guān)柜上安裝紅外測溫窗口，窗口的安裝要遵循以下原則：①窗口的設(shè)置不能影響開關(guān)柜的密封與遮擋等基本用途，且不能影響開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣性能；②窗口的設(shè)置要保證在窗口外能有效拍攝到內(nèi)部待測部位的溫度分布，這樣方能保證機(jī)器人巡檢的效率；③窗口采用氟化物晶體，其自身具有耐受高溫、高強(qiáng)度壓力及高度氣密性的特點(diǎn)，能夠滿足開關(guān)柜相關(guān)的防護(hù)與防爆要求。

紅外測溫單元安裝于巡檢機(jī)器人上，利用巡檢機(jī)器人的可移動(dòng)操作性能，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的靈活巡檢。巡檢機(jī)器人可單獨(dú)配置，也可利用站內(nèi)已有的巡檢機(jī)器人進(jìn)行稍加改造而集成紅外測溫巡檢的功能。本文中所用的巡檢機(jī)器人具有下述特點(diǎn)。

1)智能路徑規(guī)劃

通過內(nèi)置智能化算法，可以自動(dòng)根據(jù)需求設(shè)置開關(guān)柜紅外測溫的巡視路徑，避免了重復(fù)路途帶來的額外工作量，從而明顯提升運(yùn)檢巡視的效率。

2)設(shè)備全覆蓋

采用獨(dú)特的導(dǎo)航方案，可對(duì)整個(gè)變電站的主要設(shè)備開展360°全方位巡檢。具體到開關(guān)柜，可對(duì)站內(nèi)各類型的開關(guān)柜進(jìn)行紅外巡檢，并且可以在配置機(jī)器人專用升降梯與智能控制門的基礎(chǔ)上，對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)不同高度樓層間的通航巡檢目的。

3 開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)

3.1 狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于紅外測溫與巡檢機(jī)器人的開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由感知層、中間層與應(yīng)用層組成。感知層主要包括紅外測溫單元與巡檢機(jī)器人，它們共同實(shí)現(xiàn)基于紅外測溫與巡檢機(jī)器人的開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的底層感知，負(fù)責(zé)采集相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，獲取開關(guān)柜關(guān)鍵部件的狀態(tài)信息。中間層主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和主指令傳遞的作用，主要包含視頻、圖像處理與控制單元等數(shù)據(jù)處理部件與機(jī)器人服務(wù)器等硬件設(shè)施。應(yīng)用層主要包括開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)與中心站應(yīng)用系統(tǒng)。該層匯集了中心站的主流應(yīng)用系統(tǒng)，其中開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估平臺(tái)能夠?qū)χ虚g層傳來的紅外圖像信息進(jìn)行處理與判別，并能對(duì)開關(guān)柜關(guān)鍵部件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而給出運(yùn)維檢修策略。中間層與感知層之間主要通過無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而中間層與應(yīng)用層之間主要通過有線方式進(jìn)行通信，且它們處于同一局域網(wǎng)中。

圖2 狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)工作流程

狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)在接收到前端的紅外熱像圖與溫度信息后，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程做一些初步評(píng)估，評(píng)估的方法主要有熱點(diǎn)溫度法與相對(duì)溫差法。熱點(diǎn)溫度法主要根據(jù)設(shè)備或部件的表面溫度絕對(duì)值進(jìn)行判斷，將超過一定溫度閾值的設(shè)備或部件評(píng)估為異常狀態(tài)。相對(duì)溫差法則是將當(dāng)前的溫度值與歷史狀態(tài)進(jìn)行比較，進(jìn)而評(píng)估設(shè)備的狀態(tài)。

根據(jù)上述初步評(píng)估方法，設(shè)備的過熱缺陷一般劃分為一般缺陷、嚴(yán)重缺陷與危急缺陷等三種。一般缺陷溫差≤15 ℃，且未達(dá)到嚴(yán)重缺陷要求；嚴(yán)重缺陷的熱點(diǎn)溫度≥90 ℃或相對(duì)溫差≥80%；緊急缺陷的熱點(diǎn)溫度≥130 ℃或相對(duì)溫差≥95%。

熱點(diǎn)溫度法與相對(duì)溫差法這兩種狀態(tài)評(píng)估方法都存在時(shí)效性與一致性的難題，且對(duì)部分過熱故障可能存在評(píng)估錯(cuò)誤的問題。因此，需要進(jìn)一步的智能評(píng)估。

智能評(píng)估主要是結(jié)合歷史紅外熱像圖信息以及歷史溫度數(shù)據(jù)信息。通過智能算法，對(duì)當(dāng)前的開關(guān)柜過熱狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其準(zhǔn)確性比單純采用初步評(píng)估方法的更高，如圖3所示。常用的智能算法主要有模糊智能評(píng)估，基于馬氏距離與粒子群算法的智能評(píng)估，以及基于反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估等多種方法。

圖3 開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估流程

4 應(yīng)用案例

將基于紅外測溫與巡檢機(jī)器人的開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)安裝在某500 kV變電站內(nèi)，采用巡檢機(jī)器人對(duì)該站內(nèi)的35 kV開關(guān)柜進(jìn)行巡檢。系統(tǒng)運(yùn)行以來，成功減少了站上運(yùn)維人員的開關(guān)柜巡檢工作量，明顯減少了開關(guān)柜紅外測溫的人工次數(shù)與時(shí)間。運(yùn)行半年后，該套系統(tǒng)成功發(fā)現(xiàn)了某開關(guān)柜內(nèi)部的母排搭接處存在的過熱故障，其溫度曲線如圖4所示。由圖4可知，B相母排搭接處存在明顯的溫度上升現(xiàn)象，且已超過警戒值，狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)也根據(jù)相應(yīng)評(píng)估方法給出了嚴(yán)重過熱的評(píng)估結(jié)果。

圖4 開關(guān)柜內(nèi)母排搭接處溫度曲線

運(yùn)維檢修人員根據(jù)評(píng)估結(jié)果，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的異常情況進(jìn)行了停電排查，發(fā)現(xiàn)B相母排螺絲存在松動(dòng)，因而造成接觸電阻過大，引起局部溫度上升，現(xiàn)場檢查情況進(jìn)一步驗(yàn)證了開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

根據(jù)當(dāng)前紅外測溫的不足，結(jié)合站內(nèi)巡檢機(jī)器人配置情況，提出了給開關(guān)柜裝設(shè)紅外觀察窗的開關(guān)柜運(yùn)檢思路，并開發(fā)了基于紅外測溫與巡檢機(jī)器人的開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該開關(guān)柜狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)不僅能夠減少運(yùn)維人員的紅外測溫工作量，而且能夠?qū)﹂_關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵部件的過熱情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。研究工作對(duì)提升開關(guān)柜運(yùn)維檢修效率與智能化水平具有重要意義和明顯的工程應(yīng)用價(jià)值。