龍東川，雷霆，鐘力強(qiáng)，王柯

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080)

開(kāi)關(guān)柜、匯控柜等電力屏柜是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在變電站、換流站中被廣泛應(yīng)用，屏柜內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。柜內(nèi)電氣設(shè)備因氧化、松動(dòng)、接觸不良等原因?qū)е伦柚翟龃?，從而增加了損耗并引起發(fā)熱。發(fā)熱是柜內(nèi)設(shè)備的常見(jiàn)缺陷，特別是在大電流的情況下，容易導(dǎo)致設(shè)備溫升異常，甚至出現(xiàn)局部過(guò)熱的現(xiàn)象[1-4]。設(shè)備發(fā)熱的情況如果不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，會(huì)釀成難以挽回的后果。例如某變電站10 kV側(cè)C相電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行中，電效應(yīng)與熱效應(yīng)使得電纜頭絕緣劣化，最終形成C相電纜單相接地故障，導(dǎo)致母線失壓及部分設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞[5]。某10 kV開(kāi)關(guān)柜隔離插頭接觸不良，開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，觸頭發(fā)熱引起梅花觸頭彈簧失去彈性，最終導(dǎo)致相間短路，開(kāi)關(guān)柜大部分設(shè)備損壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[6]。因此，對(duì)電氣屏柜中可能發(fā)生缺陷故障的設(shè)備或部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要，在發(fā)生故障之前進(jìn)行修護(hù)、替換，謹(jǐn)防發(fā)生嚴(yán)重事故。

隨著電力系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，電氣屏柜內(nèi)電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在不斷更新。2017年周文文等人基于無(wú)線測(cè)溫法，在柜內(nèi)關(guān)鍵位置安裝溫度傳感器，通過(guò)2.4 G無(wú)線通信技術(shù)接收溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7]。雖然能夠解決在線監(jiān)測(cè)的要求，但是該類測(cè)量設(shè)備只能停電安裝，而且附加的傳感器也會(huì)破壞電氣設(shè)備原有的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)強(qiáng)度分布，進(jìn)而影響設(shè)備的絕緣性能與運(yùn)行穩(wěn)定性。2015年廖志軍等人基于光纖光柵傳感技術(shù)，將整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為感知層、傳輸解調(diào)層、監(jiān)控層，開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)[8]。但是光纖光柵傳感器成本高，布線難度較大，會(huì)影響開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)的絕緣性能[9]，且無(wú)法準(zhǔn)確定位具體測(cè)溫點(diǎn)[10]。2021年姚震基于紅外技術(shù)，研究了開(kāi)關(guān)柜電氣接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在電氣接頭裝設(shè)紅外傳感器，將溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)換成紅外圖像，通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)圖像進(jìn)行處理分析，最終判別監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否存在電氣接頭過(guò)熱故障[11]。該系統(tǒng)采用非接觸式的測(cè)量方式，具有無(wú)需更改柜內(nèi)結(jié)構(gòu)，使用安全性高，對(duì)設(shè)備的電場(chǎng)強(qiáng)度分布沒(méi)有影響，無(wú)需停電安裝等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，但是該系統(tǒng)局限于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，不利于新增或刪除監(jiān)測(cè)位置，監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收所有紅外傳感器的紅外圖像并進(jìn)行處理分析易造成信息堵塞，且僅僅將熱點(diǎn)溫度作為缺陷狀態(tài)的唯一判據(jù)，很可能導(dǎo)致缺陷預(yù)警不及時(shí)，造成嚴(yán)重事故。

目前電氣屏柜內(nèi)電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在許多不足之處，基于站內(nèi)龐大的需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備數(shù)量，電氣屏柜中電氣設(shè)備測(cè)溫規(guī)則需要自定義修改、新增、刪除，并且做到由點(diǎn)到面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免裝設(shè)大量的傳感器設(shè)備。然后根據(jù)靈活的測(cè)溫規(guī)則，研究相應(yīng)的溫度診斷判據(jù)，保證缺陷狀態(tài)判定的及時(shí)性。因此，本文提出基于熱成像技術(shù)的非接觸式柜內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。紅外熱成像技術(shù)是紅外測(cè)溫技術(shù)的延伸，是一種優(yōu)良的非接觸式監(jiān)測(cè)方式，其探測(cè)能力強(qiáng)，克服了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)溫的缺點(diǎn)，不受電磁干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)7 d全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，通過(guò)采集紅外圖像的溫度矩陣進(jìn)行判定。本文基于紅外熱成像技術(shù)，建立設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)與紅外設(shè)備、臺(tái)賬樹(shù)與測(cè)溫規(guī)則的多重映射關(guān)系，臺(tái)賬樹(shù)包含站內(nèi)所有開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)重要電氣設(shè)備；根據(jù)電氣設(shè)備材料自動(dòng)設(shè)定反射率，結(jié)合三重溫度診斷法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)面輻射；在不影響開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電氣屏柜中各個(gè)關(guān)鍵部位[15]。該系統(tǒng)在某500 kV換流站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，根據(jù)換流站電氣屏柜內(nèi)設(shè)備的實(shí)際情況建立臺(tái)賬樹(shù)，設(shè)置重要電氣設(shè)備的測(cè)溫規(guī)則，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置周期巡檢或主動(dòng)巡檢整個(gè)站內(nèi)的柜內(nèi)電氣設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度高，溫度預(yù)警準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)單有效。

1 非接觸式柜內(nèi)設(shè)備紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論

1.1 紅外熱成像技術(shù)原理

在自然界中，任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，其每時(shí)每刻都會(huì)輻射紅外線，其為波長(zhǎng)0.78～1 000 μm的電磁波，為判別各種被測(cè)目標(biāo)的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供客觀基礎(chǔ)。紅外熱成像技術(shù)以黑體輻射3大定律為基礎(chǔ)，其中普朗克黑體輻射定律認(rèn)為在任意溫度T下，從1個(gè)黑體中發(fā)射出的電磁輻射的輻射力I(λ,T)(單位時(shí)間、單位頻率下單位立體角所對(duì)應(yīng)的輻射行進(jìn)截面積輻射的能量)與輻射光波波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系式為

(1)

式中：λ為輻射光波波長(zhǎng)，單位m；T為黑體溫度，單位K；K1=3.741 9×10-16W·m2，為第1輻射常數(shù)；K2=1.438 8×10-2W·K，為第2輻射常數(shù)。

斯特藩-玻爾茲曼定律對(duì)黑體表面各點(diǎn)的輻射譜強(qiáng)度應(yīng)用普朗克黑體輻射定律，在輻射進(jìn)入的半球形空間表面對(duì)所有可能的輻射頻率進(jìn)行積分，得到黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)電磁輻射的輻射力

(2)

式中：σ=5.670 373(21)×10-8W·m2·K-4，為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)；c為光速；h為普朗克常數(shù)，取值6.626×10-34J·s；k為玻爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23J/K。從而得出結(jié)論，黑體輻射的總能量與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅與溫度有關(guān)。

同樣溫度下，相較于實(shí)際物體，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)。實(shí)際物體因能吸收、反射、透射電磁輻射，其表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體。實(shí)際物體的發(fā)射能力用發(fā)射率ε(表征實(shí)際物體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)電磁輻射的輻射力)來(lái)評(píng)估，可以得到實(shí)際物體輻射力I與溫度之間的關(guān)系為

I=εIT=εσT4.

(3)

實(shí)際物體的發(fā)射率對(duì)紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性影響頗大，根據(jù)研究，發(fā)射率只與物體本身有關(guān)，即

ε=f(x,y,z) .

(4)

式中：x為物質(zhì)種類；y為表面狀況；z為表面溫度。

以上公式只針對(duì)方向和光譜相對(duì)平均的情況，在本研究中，柜內(nèi)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)光譜范圍為8～14 μm，且反射角在0°～40°，方向和光譜變化不大，因此本研究適用上述理論。本文建議的材料發(fā)射率參考值見(jiàn)表1。

表1 不同類型材料發(fā)射率參考值Tab.1 Reference values of emissivity of different materials

1.2 紅外熱成像技術(shù)框架

目前使用最多的是非致冷焦平面紅外熱成像技術(shù)，該技術(shù)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、光電紅外探測(cè)器陣列、輸入電路、輸出電路、視頻圖像處理等組成，如圖1所示。

圖1 熱成像結(jié)構(gòu)Fig.1 Thermal imaging structure

光學(xué)系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，經(jīng)光譜濾波將紅外輻射的能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測(cè)器陣列的各光敏元上，探測(cè)器再將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并放大注入到讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以送入微機(jī)進(jìn)行視頻圖像處理，最終顯示紅外熱像圖。

1.3 三重溫度診斷法

根據(jù)電流、電壓制熱型設(shè)備缺陷診斷判據(jù)[16]，基于電氣屏柜內(nèi)電氣設(shè)備的不同，設(shè)置測(cè)溫閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缺陷診斷?；谙鄬?duì)溫差診斷法提出針對(duì)電氣屏柜內(nèi)設(shè)備的三重溫度診斷法，該方法以用戶設(shè)置的溫差、相對(duì)溫差和熱點(diǎn)溫度3部分閾值條件以及測(cè)溫域的測(cè)溫規(guī)則為基礎(chǔ)，測(cè)溫域由用戶自定義繪制，最多繪制3個(gè)測(cè)溫域，每個(gè)測(cè)溫域都有熱點(diǎn)溫度、最高溫度和最低溫度。溫差是不同域之間的最大溫差，相對(duì)溫差是不同域之間的最大相對(duì)溫差，相對(duì)溫差

δt=(τ1-τ2)/τ1=(Q1-Q2)/(Q1-Q0).

(5)

式中：τ1和Q1分別為發(fā)熱點(diǎn)的溫升與溫度；τ2和Q2分別為正常對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度；Q0為被測(cè)設(shè)備區(qū)域的環(huán)境溫度。

根據(jù)專家判定與歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證電氣設(shè)備缺陷狀態(tài)，包括正常狀態(tài)、一般缺陷、嚴(yán)重缺陷、緊急缺陷4種。對(duì)于電流互感器而言，δt≥35%、Qmax≤55 ℃為一般缺陷，δt≥80%、Qmax≤80 ℃或55 ℃≤Qmax≤80 ℃為嚴(yán)重缺陷，δt≥95%、Qmax>55 ℃或Qmax≥80 ℃為緊急缺陷，其中Qmax為最高熱點(diǎn)溫度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括測(cè)溫模塊、路由模塊、數(shù)據(jù)模塊、監(jiān)測(cè)模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)溫模塊根據(jù)電氣屏柜內(nèi)的具體情況設(shè)置雙目卡片機(jī)個(gè)數(shù)(一般最多裝設(shè)4個(gè))，保證能夠映射出電氣屏柜內(nèi)所有重要電氣設(shè)備。路由模塊通過(guò)交換機(jī)匯總電氣屏柜中所有雙目卡片機(jī)的紅外圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行圖像解析并傳入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)測(cè)中心為1臺(tái)CPU，根據(jù)設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)獲取對(duì)應(yīng)的電氣屏柜和雙目卡片機(jī)的紅外圖像，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶自定義的測(cè)溫規(guī)則應(yīng)用三重溫度診斷法對(duì)設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)上面所有葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)中心配置詳盡的圖形界面程序。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure

2.2 硬件配置

電氣屏柜環(huán)境光線較暗，空間較窄，密閉環(huán)境不宜散熱，且柜內(nèi)電源接口較少。鑒于電氣屏柜的復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，需要對(duì)紅外設(shè)備開(kāi)展選型，選擇體積小、像素高、測(cè)溫精準(zhǔn)、散熱良好、能適應(yīng)電氣屏柜環(huán)境的紅外設(shè)備。

基于電氣屏柜現(xiàn)場(chǎng)狹窄的環(huán)境，紅外設(shè)備距離所測(cè)部位的距離均在0.5 m左右，本文參考GB/T 19870—2018《工業(yè)檢測(cè)型紅外熱像儀》規(guī)定，針對(duì)市面上6款紅外雙目卡片機(jī)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)黑體型號(hào)為DY-HTX3，溫度設(shè)置為40 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)際測(cè)溫需求，選擇測(cè)溫準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性兼?zhèn)洳⑶壹t外與高清圖像清晰的設(shè)備4——高德在線式測(cè)溫卡片機(jī)作為系統(tǒng)的紅外設(shè)備。該設(shè)備大小為60 mm×60 mm×20 mm，工作溫度為-30～60 ℃，測(cè)溫范圍-20～150 ℃，光譜范圍8～14 μm，采用CMOS傳感器，探測(cè)器采用WLP Vox，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，DSP)芯片進(jìn)行2D/3D降噪，支持熱成像通道融合可見(jiàn)光圖像信息。

由于電氣屏柜內(nèi)電源接口少，雙目卡片機(jī)采用有源以太網(wǎng)(power over Ethernet，POE)供電，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)配置一款TL-R479GP-AC路由器，內(nèi)置AC和標(biāo)準(zhǔn)PoE功能，提供9個(gè)千兆網(wǎng)口。系統(tǒng)環(huán)境為Windows10，六核CPU(2.6 GHz)，8 GB內(nèi)存，硬盤(pán)空間20 GB以上，開(kāi)發(fā)環(huán)境為QT5.12，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。通信方式為WebSocket通信，只需1次HTTP握手，服務(wù)器就能一直與客戶端保持通信，減少了資源開(kāi)銷，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。

表2 0.5 m處對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Comparison test results at 0.5 m from infrared equipment to the measured position

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行所有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作，包括管理臺(tái)賬樹(shù)、管理紅外設(shè)備、設(shè)置/關(guān)聯(lián)規(guī)則、關(guān)聯(lián)紅外設(shè)備、采集/解析圖像、三重閾值判定、缺陷報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)顯示等。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)分為設(shè)備管理模塊、圖像采集模塊、圖像分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、安全運(yùn)營(yíng)模塊以及歷史記錄模塊6個(gè)部分。其中，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖4所示。

該系統(tǒng)針對(duì)變電站、換流站內(nèi)的電氣屏柜繪制設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)，葉子節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)紅外設(shè)備，用戶設(shè)置臺(tái)賬樹(shù)中各個(gè)電氣設(shè)備的測(cè)溫規(guī)則或關(guān)聯(lián)規(guī)則，建立紅外設(shè)備與臺(tái)賬樹(shù)，測(cè)溫規(guī)則與臺(tái)賬樹(shù)關(guān)聯(lián)機(jī)制實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”或“多對(duì)一”的映射，能夠靈活實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)與紅外設(shè)備、測(cè)溫規(guī)則的多重對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)采集站內(nèi)電氣屏柜中紅外設(shè)備的紅外圖像，基于設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)中葉子節(jié)點(diǎn)電氣設(shè)備的測(cè)溫規(guī)則與國(guó)網(wǎng)紅外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式對(duì)該節(jié)點(diǎn)采集的紅外圖像進(jìn)行解析，定位電氣設(shè)備所在圖像位置，獲取溫度矩陣；采用熱點(diǎn)溫度、溫差、相對(duì)溫差三重溫度診斷法對(duì)各個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如發(fā)生缺陷立即報(bào)警，過(guò)程數(shù)據(jù)詳細(xì)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程如圖5所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Software structure

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of monitoring system

圖5 系統(tǒng)流程Fig.5 System flow chart

設(shè)備管理模塊通過(guò)asynico異步協(xié)程管理整個(gè)變電站或換流站電氣屏柜的紅外設(shè)備，根據(jù)用戶提供的站內(nèi)電氣屏柜信息實(shí)時(shí)更新設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)。圖像采集模塊通過(guò)對(duì)紅外設(shè)備收發(fā)通信協(xié)議，對(duì)接收的協(xié)議進(jìn)行處理、分析；通過(guò)opencv對(duì)協(xié)議結(jié)果進(jìn)行解析得到紅外熱像圖，采集的方式主要是離線采集。

圖像分析模塊根據(jù)國(guó)網(wǎng)格式對(duì)紅外圖像進(jìn)行解析，獲得溫度矩陣；根據(jù)各個(gè)電氣設(shè)備位置的測(cè)溫規(guī)則定位測(cè)溫區(qū)域，并獲取測(cè)溫區(qū)域內(nèi)的溫度矩陣，然后判定溫度域熱點(diǎn)溫度的最大、最小值；通過(guò)定位算法獲取溫度域溫度最值定位，就同一電氣設(shè)備的不同區(qū)域(如A、B、C三相)獲得電氣設(shè)備的全局最高熱點(diǎn)溫度、最大相對(duì)溫差和最大溫差。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將各個(gè)電氣設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)均存入數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置存儲(chǔ)機(jī)制和索引機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)歸屬進(jìn)行區(qū)分。安全運(yùn)營(yíng)模塊根據(jù)測(cè)溫規(guī)則中的熱點(diǎn)溫度、溫差、相對(duì)溫差閾值將電氣設(shè)備缺陷故障分為正常狀態(tài)、一般缺陷、嚴(yán)重缺陷、緊急缺陷。三重溫度診斷法根據(jù)用戶需求靈活設(shè)置閾值條件，使其與電氣設(shè)備缺陷狀態(tài)一一映射，如果測(cè)溫規(guī)則僅有1個(gè)溫度域，溫度告警判定只有熱點(diǎn)溫度，如果有2個(gè)或3個(gè)溫度域，那么溫度告警判定最多包含3個(gè)部分。安全運(yùn)營(yíng)模塊通過(guò)三重溫度診斷法對(duì)臺(tái)賬樹(shù)葉子節(jié)點(diǎn)判定缺陷并報(bào)警，報(bào)警結(jié)果為最嚴(yán)重的缺陷報(bào)警。歷史記錄模塊對(duì)各個(gè)電氣設(shè)備溫度數(shù)據(jù)、告警信息和系統(tǒng)報(bào)警信息進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析

本文對(duì)某±500 kV換流站高壓直流換流變壓器的電氣屏柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象如圖6所示。

根據(jù)電氣屏柜內(nèi)的電氣設(shè)備分布情況[17-18]布置紅外設(shè)備，保證紅外圖像能夠覆蓋整個(gè)電氣屏柜內(nèi)部的重要電氣設(shè)備，整個(gè)電氣屏柜的紅外設(shè)備通過(guò)交換機(jī)連接到監(jiān)測(cè)中心，其中風(fēng)冷匯控柜布置如圖7所示。

圖6 高壓直流換流變壓器Fig.6 High voltage DC converter transformer

圖7 匯控柜中雙目卡片機(jī)分布Fig.7 Distribution of binocular card machines in control cabinet

以風(fēng)冷匯控柜的三相交流接觸器[19]為例，其故障特征主要表現(xiàn)為電流大或者觸頭接觸不良導(dǎo)致觸頭發(fā)熱，進(jìn)出線端螺絲松動(dòng)導(dǎo)致進(jìn)出線端發(fā)熱，鐵心閉合能力差或線圈電流大導(dǎo)致線圈發(fā)熱。這些發(fā)熱特征均是因?yàn)榻佑|電阻變大，從而引起局部溫升[20-21]。判斷交流接觸器缺陷狀態(tài)首先選擇交流接觸器的最優(yōu)觀測(cè)設(shè)備，經(jīng)測(cè)試3號(hào)機(jī)觀測(cè)最佳，因此將3號(hào)機(jī)與匯控柜1的交流接觸器關(guān)聯(lián)，然后對(duì)交流接觸器設(shè)置規(guī)則，包括A、B、C三相的矩形框、熱點(diǎn)溫度閾值、溫差閾值和相對(duì)溫差閾值。2021年5月8日8時(shí)—5月10日14時(shí)，對(duì)1號(hào)匯控柜的三相交流接觸器進(jìn)行了狀態(tài)檢測(cè)，5月8日8時(shí)交流接觸器熱成像圖如圖8所示，5月8日22時(shí)交流接觸器熱成像圖如圖9所示，5月8日—5月10日交流接觸器三相溫度采樣數(shù)據(jù)、三相溫度偏差如圖10、11所示。

圖8 5月8日8時(shí)交流接觸器紅外圖像Fig.8 Infrared image of AC contactor at 08∶00 on May 8

圖9 5月8日22時(shí)交流接觸器紅外圖像Fig.8 Infrared image of AC contactor at 22∶00 on May 8

圖10 交流接觸器A、B、C三相熱點(diǎn)溫度分布Fig.10 Temperature distribution of three phases hot spots of AC contactor

正常狀態(tài)交流接觸器熱點(diǎn)溫度與負(fù)荷變化成正相關(guān)，但是自5月8日22時(shí)開(kāi)始，B相交流接觸器與A、C相開(kāi)始發(fā)生絕對(duì)溫度偏差，出現(xiàn)持續(xù)溫升，特別是高負(fù)荷時(shí)間段，5月10日溫度達(dá)36.6 ℃。此時(shí)A、B、C三相相間溫差已明確指示存在隱患。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)黑體實(shí)驗(yàn)，A、B、C三相溫度測(cè)量偏差為±5%。圖11中AC相之間的溫度偏差在正常范圍內(nèi)，BC、AB相的溫度偏差大于±5%，甚至達(dá)到±10%，明確指示交流接觸器存在安全隱患。

圖11 交流接觸器A、B、C溫度偏差Fig.11 Temperature deviation of three phases of AC contactor

由上述分析可知，交流接觸器可能發(fā)生B相故障或者三相不平衡情況，但是僅憑絕對(duì)溫度無(wú)法判定出設(shè)備的缺陷狀態(tài)。為及時(shí)判定缺陷狀態(tài)，防止設(shè)備缺陷造成安全隱患，需要計(jì)算三相交流接觸器的溫差和相對(duì)溫差[22-23]。圖8顯示交流接觸器三相接頭溫度分別為31.4 ℃、32.1 ℃、31.2 ℃，由式(5)得出被測(cè)設(shè)備區(qū)域的環(huán)境溫度為26 ℃，計(jì)算A相相對(duì)溫差時(shí)，計(jì)算出A相與B相、A相與C相之間的相對(duì)溫差，最終取兩者絕對(duì)值的最大值為A相相對(duì)溫差，繼而得出三相相對(duì)溫差為12.96%、14.75%、17.31%。圖9顯示交流接觸器三相接頭溫度分別為32.1 ℃、34.8 ℃、32.8 ℃，相對(duì)溫差為44.26%、46.67%、31.82%。2個(gè)時(shí)刻的溫度變化不大，溫差、相對(duì)溫差卻變化顯著，5月8日22時(shí)交流接觸器的最大相對(duì)溫差達(dá)到了46.67%，即使熱點(diǎn)溫度沒(méi)有超過(guò)50 ℃，根據(jù)本研究的缺陷判定仍符合一般缺陷故障，由此可以及時(shí)預(yù)警工作人員進(jìn)行檢修或更換，避免溫度進(jìn)一步升高，防止缺陷惡化造成電氣設(shè)備故障，從而保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于紅外熱成像技術(shù)電氣屏柜紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出紅外熱成像的原理、結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)電氣設(shè)備反射率設(shè)定，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟、硬件選型，設(shè)計(jì)與系統(tǒng)工作流程，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)并成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。本文開(kāi)發(fā)的基于紅外熱成像技術(shù)的開(kāi)關(guān)柜紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立了設(shè)備臺(tái)賬樹(shù)與紅外設(shè)備、臺(tái)賬樹(shù)與測(cè)溫規(guī)則多重映射關(guān)系，結(jié)合三重溫度診斷法在不改變開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)的前提下，采用極少的設(shè)備仍能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定、靈活地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜中所有電氣設(shè)備的缺陷狀態(tài)，并根據(jù)缺陷等級(jí)作出相應(yīng)預(yù)警與診斷，可有效提升電氣屏柜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在以后更新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，會(huì)加入深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別功能，系統(tǒng)根據(jù)圖像識(shí)別結(jié)果全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫規(guī)則設(shè)定，包括測(cè)溫域與三重溫度閾值，能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)智能化。同時(shí)，隨著紅外測(cè)溫技術(shù)的成熟，相關(guān)硬件成本正在逐步下降，這將加速紅外測(cè)溫技術(shù)在電力行業(yè)的普及，最終實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)的智能化巡檢及運(yùn)維。