張德文，周建輝，馮延明，王子恒

（1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000）

紅外測溫技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，能夠非接觸地準(zhǔn)確測量物體的溫度[1]。模塊化下的多電平換流器[2]作為一種高壓大功率機械設(shè)備，成為近幾年多數(shù)在建大型項目中主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)器件[3]。然而，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)苛的工作環(huán)境，換流器的故障問題常常會給生產(chǎn)運行帶來不可預(yù)知的風(fēng)險和損失。基于此，電力領(lǐng)域內(nèi)的專家和學(xué)者們加大了對模塊化下的多電平換流器故障診斷方面的研究力度。

當(dāng)前公開的研究成果可概括為以下幾種：文獻(xiàn)[4]針對換流器的子模塊開關(guān)器件故障，利用局部離群因子算法，根據(jù)指定橋臂里正常子模塊電容電壓的變化情況，完成故障診斷；文獻(xiàn)[5]為同時診斷出換流器不同相的子模塊故障，結(jié)合多分類相關(guān)向量機算法，提出多相故障診斷技術(shù)；文獻(xiàn)[6]依據(jù)半橋型換流器子模塊故障特征，建立故障診斷依據(jù)，實現(xiàn)故障診斷目標(biāo)；文獻(xiàn)[7]針對換流器功率模塊故障，基于李雅普諾夫方法設(shè)計出標(biāo)城模型自適應(yīng)觀測器，根據(jù)各觀測器的殘差曲線，診斷出功率模塊的結(jié)構(gòu)性故障。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)方法需要通過添加傳感器以及大量復(fù)雜的計算來實現(xiàn)，難以滿足換流器的模塊化發(fā)展需求。尤其是針對熱故障檢測，傳感器配合人工檢測的方法存在明顯的弊端。因此。提出一種基于紅外測溫的模塊化多電平換流器故障自動化診斷技術(shù)。

1 模塊化多電平換流器熱故障與溫度的關(guān)聯(lián)性分析

1.1 接觸電阻因素的熱故障與溫度關(guān)系

在換流器中，接觸電阻是流過的電流與材料之間的接觸導(dǎo)電性能，當(dāng)接觸電阻存在問題時，會使換流器連接點的接觸阻抗上升，進(jìn)而導(dǎo)致該位置的溫度升高。通過對接觸電阻故障與溫度之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，可以快速識別出現(xiàn)接觸電阻異常的區(qū)域，并及時采取措施修復(fù)，保證設(shè)備的正常運行。

換流器結(jié)構(gòu)發(fā)熱一般由電流效應(yīng)引發(fā)[8-9]。假設(shè)導(dǎo)體的質(zhì)量是m，附加損耗因子后的交流電阻是R，散熱表面積是S，運行溫度和附近介質(zhì)溫度分別是θ、θ0，比熱容是c，則利用下列熱平衡方程式描述載流導(dǎo)體的持續(xù)升溫過程：

式中：h 為總傳熱因子；I 為導(dǎo)體中流過的負(fù)荷電流。

由此推導(dǎo)出下列溫度差Δθc=θ-θ0的計算公式。可見，接觸電阻Rj與溫度差Δθc呈正相關(guān)性。

式中：接觸電阻Rj≈R 阻值。

根據(jù)先驗知識，若溫度在200℃以內(nèi)，接觸電阻Rj與運行溫度θ 之間也存在一定關(guān)系，即：

式中：α 為接觸電阻的溫度因子；Rj0為溫度為0 時接觸電阻的阻值。

可見，當(dāng)連接處接觸不良時，接觸電阻Rj增加，發(fā)熱功率增加，導(dǎo)致熱量聚集，進(jìn)而造成連接處溫度增加。

1.2 電介質(zhì)因素?zé)峁收吓c溫度關(guān)系

在換流器中，當(dāng)瓷體擊穿時，彈片因流過強電流而升溫，且在瓷體的封閉空間里無法散熱。因此，溫升的因素均源于發(fā)熱功率[10]。假設(shè)短路瞬時電流是Id，導(dǎo)體材料密度是ρ，彈片長與接觸面積分別是L、S′，故利用下列熱平衡方程式描述導(dǎo)體的瞬時發(fā)熱情況：

式中：Kf為額外損耗因子。

從上述方程可見，換流器發(fā)生內(nèi)部擊穿故障時，彈片溫度隨內(nèi)部電流的增加而增大，由于導(dǎo)體電阻升高，使溫度進(jìn)一步升高。

介質(zhì)損耗包含電導(dǎo)損耗與極化損耗。若電介質(zhì)的熱力學(xué)溫度是T，則電導(dǎo)損耗與溫度的關(guān)系由電介質(zhì)的電導(dǎo)率σ 決定，如式（5）所示：

式中：φ 為σ 的活性化能量；β 為電介質(zhì)屬性因子；k 為波爾茲曼常數(shù)。

極化損耗與溫度的關(guān)系由電介質(zhì)的介電常數(shù)ε決定，描述式如下：

式中：δ 為介質(zhì)損耗系數(shù)；ε′為相對介電常數(shù)；θ1、θ2為介質(zhì)溫度的2 個極值。

2 熱故障的紅外圖像自動化診斷方法

通過上文分析可知，熱故障與溫度存在關(guān)聯(lián)性。為提高所采溫度圖像的精準(zhǔn)度，根據(jù)普朗克黑體輻射定律[11]，設(shè)計出補償環(huán)境溫度的紅外測溫算法，實現(xiàn)換流器紅外測溫。該算法可以通過紅外熱像儀獲取的圖像，計算出換流器的熱力學(xué)溫度。假設(shè)換流器的表面發(fā)射率是e，紅外輻射通量是M，則通過式（7）計算出換流器的熱力學(xué)溫度T′：

式中：γ 為固定系數(shù)，利用式（8）解得：

式中：m′為探測器響應(yīng)電流Ix與光量子效率η 間關(guān)系的常系數(shù)，即Ix＝m′η；j 為探測器光量子效率η 與輸入功率P 間關(guān)系的常系數(shù)，即η=jP；s 為探測像元面積。

結(jié)合Ix＝m′η、η=jP、探測像元照度與輸入功率的關(guān)系，即P=sM，得到下列探測像元輸出電流的計算公式：

在圖像處理中，為了將采集到的紅外熱像儀圖像中的像素灰度轉(zhuǎn)換為實際溫度，使用圖像像素灰度H∈（0，255）描述輸出響應(yīng)電流Ix，并根據(jù)向下取整的方式，建立了灰度和換流器溫度之間的線性關(guān)系，具體計算公式為

式中：a 為轉(zhuǎn)換因子；b 為修正因子；λ 為基于標(biāo)準(zhǔn)黑體多次溫度標(biāo)定工作的線性關(guān)系斜率[12]，具體計算公式如下：

式中：n 為標(biāo)定次數(shù)。

將補償后的換流器灰度與環(huán)境溫度相對應(yīng)，進(jìn)一步提高測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。假設(shè)換流器工作的環(huán)境溫度是TE，標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度是Th，未補償時的黑體灰度是G′，則通過下列環(huán)境溫度補償公式，得到補償后的換流器灰度G：

結(jié)合公式（10），建立基于環(huán)境溫度補償?shù)膿Q流器灰度與溫度關(guān)系，換流器的溫度計算公式如下：

通過將換流器的溫度與預(yù)設(shè)的故障溫度閾值進(jìn)行比較，如果溫度超過預(yù)設(shè)閾值，則可以判定為故障。

3 實驗分析

3.1 參數(shù)調(diào)試

選用由上海譜盟光電科技有限公司生產(chǎn)的FLIR T860 型高端紅外熱像儀，搭建云臺，佩戴護罩，以在隔水、隔塵、隔陽的環(huán)境下，測量擁有7 個電平的模塊化多電平換流器溫度[13]。故障自動化診斷技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 故障自動化診斷技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters for automated fault diagnosis

3.2 故障與溫度耦合性試驗

將功率變壓器連接到模塊化多電平換流器，分析設(shè)備的電熱耦合性。采用紅外熱像儀采集換流器溫度，同時采用示波器采集變壓器的輸入電壓，分析換流器故障與溫度的耦合性。

利用曲線圖描述最終測得的換流器溫度與電壓，故障與溫度耦合性示意圖與故障檢測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 故障與溫度耦合檢測圖Fig.1 Schematic diagram of fault and temperature coupling

從圖1 可以看出，電壓波動出現(xiàn)異常后，換流器的溫度隨之持續(xù)升高；而當(dāng)電壓恢復(fù)正常波形時，溫度開始下降。在電壓位于正常運行極值時，換流器溫度保持在正常的范圍內(nèi)。換流器溫度的變化與電壓異常的出現(xiàn)和恢復(fù)密切相關(guān)，這表明換流器的故障與溫度存在顯著的耦合性。因此，可以利用電壓和換流器溫度之間的耦合關(guān)系作為可靠的故障診斷依據(jù)。

3.3 故障診斷效果檢驗

手動設(shè)置幾種常見的故障類型，采集模塊化多電平換流器在現(xiàn)場工作環(huán)境中的運行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)。選取故障檢出指數(shù)與故障隔離指數(shù)2 個客觀評估指標(biāo)，評價所提技術(shù)對布設(shè)故障的自動化診斷結(jié)果。前者為實際的檢出個數(shù)與發(fā)生個數(shù)比值；后者為正確隔離到可更換單元數(shù)的故障個數(shù)與檢出個數(shù)比值。故障診斷可靠度示意圖如圖2 所示。

圖2 故障診斷可靠度示意圖Fig.2 Schematic diagram of fault diagnosis reliability

從圖2 的實驗結(jié)果可以看出，該項技術(shù)根據(jù)故障與溫度相關(guān)性，得到環(huán)境溫度補償?shù)募t外測溫結(jié)果，在診斷各類型故障時均具有較高的故障檢出指數(shù)與故障隔離指數(shù)，令7 種常見故障類型的平均檢出指數(shù)與隔離指數(shù)分別高達(dá)0.971 和0.953，可靠性顯著。

綜合所有故障類型，根據(jù)展現(xiàn)4 個部分?jǐn)?shù)值密度的混淆矩陣熱力圖，評估技術(shù)的診斷準(zhǔn)確度。故障診斷準(zhǔn)確度示意圖如圖3 所示。

圖3 故障診斷準(zhǔn)確度示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault diagnosis accuracy

由圖3 的實驗結(jié)果可見，預(yù)測和實際均是正常運行的樣本數(shù)值比高達(dá)0.986，預(yù)測樣本屬于故障類但實際樣本屬于正常的數(shù)值比僅有0.014，預(yù)測樣本屬于正常但實際樣本屬于故障類的數(shù)值比為0.006，預(yù)測和實際均屬故障類的樣本數(shù)值比高達(dá)0.994。該實驗結(jié)果進(jìn)一步說明，所提技術(shù)極大程度減小了誤診概率，具有優(yōu)異的診斷準(zhǔn)確度性能。

3.4 故障診斷效率檢驗

不考慮換流器的故障類型，測試技術(shù)的故障診斷時間，驗證所提技術(shù)的診斷效率。故障診斷效率示意圖如圖4 所示。

圖4 故障診斷效率示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault diagnosis efficiency

由圖4 可知，在多組測試實驗中，最長故障診斷時間低于90 ms，平均診斷時間僅為77.94 ms。此外，有6 組測試結(jié)果顯示診斷時間不足80 ms，表明所提技術(shù)具有較高的故障診斷效率。

4 結(jié)語

為確保模塊化多電平換流器持續(xù)不間斷運行，提出一種基于紅外測溫的模塊化多電平換流器故障自動化診斷技術(shù)，通過溫度相關(guān)性分析來診斷換流器故障的可行性，使得故障診斷過程更加自動化和高效。通過設(shè)計的環(huán)境溫度補償紅外測溫算法，進(jìn)一步保證了測溫精度和診斷準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明，所提技術(shù)能夠準(zhǔn)確診斷出換流器常見故障類型，并具有優(yōu)異的診斷準(zhǔn)確度和高水平的診斷效率。