摘 要：【目的】通過(guò)熱成像技術(shù)提高110 kV電力設(shè)備的安裝質(zhì)量，以保障電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性。熱成像技術(shù)通過(guò)紅外攝像設(shè)備捕捉設(shè)備表面的熱輻射，無(wú)接觸地監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備溫度分布，實(shí)時(shí)識(shí)別因安裝不當(dāng)或設(shè)備缺陷引起的異常熱點(diǎn)，預(yù)防潛在的設(shè)備故障?！痉椒ā渴紫?，確定監(jiān)測(cè)的具體范圍和關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，制定詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案。其次，通過(guò)紅外攝像設(shè)備收集電力設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下的熱圖像，并用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，識(shí)別出異常熱點(diǎn)?！窘Y(jié)果】在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)熱成像技術(shù)成功識(shí)別出多個(gè)因安裝不當(dāng)引起的異常熱點(diǎn)，證明該熱成像監(jiān)測(cè)方案在電力設(shè)備的識(shí)別、診斷和預(yù)警中具有一定的應(yīng)用價(jià)值?！窘Y(jié)論】熱成像技術(shù)在110 kV電力設(shè)備的安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出高效、準(zhǔn)確的性能，可為電力系統(tǒng)的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：熱成像技術(shù)；110 kV電力設(shè)備；安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM63" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2025）04-0005-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.001

Research on Installation Quality Monitoring of 110 kV Power

Equipment Based on Thermal Imaging Technology

WANG Bao

（Jiangsu Fangyang Energy Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222000，China）

Abstract： [Purposes] This study aims to improve the installation quality monitoring of 110kV power equipment through thermal imaging technology， so as to ensure the stable operation and safety of the power grid. Thermal imaging technology captures the thermal radiation on the surface of the equipment through infrared camera equipment， and monitors and analyzes the temperature distribution of the equipment without contact， aiming to identify abnormal hot spots caused by improper installation or equipment defects in real time， so as to prevent potential equipment failure. [Methods] First， the specific monitoring scope and key monitoring points were determined， and a detailed monitoring scheme was developed. Subsequently， the thermal image of the power equipment under different operating states is collected through the infrared camera equipment， and the data analysis is conducted with professional software to identify the abnormal hot spots. [Findings] In the experiment， several hot spot anomalies caused by improper installation were successfully identified by thermal imaging technology， and then the application value of this technology in the early warning and diagnosis of electric power equipment was verified. [Conclusions] Thermal imaging technology shows high efficiency and accurate performance in the installation quality monitoring of 110kV power equipment， which can provide scientific basis and technical support for the maintenance of power system.

Keywords：thermal imaging technology; 110 kV electric power equipment; installation quality monitoring

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)維中，110 kV級(jí)別的電力設(shè)備起著樞紐作用，其性能的可靠將直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)的電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段多為物理接觸式測(cè)量和目視檢查，在實(shí)際應(yīng)用中，因其操作復(fù)雜度高、時(shí)效性低，難以滿足快速發(fā)展的電力行業(yè)需求。而熱成像技術(shù)作為一種先進(jìn)的紅外監(jiān)測(cè)手段，可以非接觸地動(dòng)態(tài)捕捉設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的熱分布圖像，為110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供新的解決方案。

1 熱成像技術(shù)工作原理

熱成像技術(shù)作為一種基于紅外輻射原理的非接觸式監(jiān)測(cè)方法，對(duì)110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)利用紅外熱像儀捕捉并記錄設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為溫度值和熱圖像。熱圖像能顯示設(shè)備表面溫度分布，使監(jiān)測(cè)人員可以直觀地觀察到可能存在的熱異常區(qū)域，而異常通常是安裝缺陷、接觸不良或其他故障的前兆［1］。紅外熱像儀的核心組件是探測(cè)器，通常由硅基或砷化鎵材料制成，能感應(yīng)特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外輻射，而輻射則隨物體溫度變化而變化。設(shè)備表面溫度升高會(huì)引起紅外輻射強(qiáng)度增加，紅外熱像儀通過(guò)探測(cè)這種輻射變化，利用內(nèi)置的算法轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。熱成像技術(shù)在處理熱圖像時(shí)應(yīng)用復(fù)雜的圖像處理技術(shù)（如邊緣檢測(cè)和溫度梯度分析），可準(zhǔn)確識(shí)別和定位設(shè)備表面的熱異常區(qū)域，從而為設(shè)備的維護(hù)提供決策依據(jù)。熱成像技術(shù)的工作原理如圖1所示。

2 基于熱成像技術(shù)的110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象及范圍

在110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系中，監(jiān)測(cè)對(duì)象及范圍的明確劃定對(duì)確保系統(tǒng)全面性和高效性至關(guān)重要。主要監(jiān)測(cè)對(duì)象為變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器及電纜接頭等關(guān)鍵電力設(shè)備。上述設(shè)備在110 kV電網(wǎng)中具有重要的電氣性能和機(jī)械連接要求，任何安裝缺陷或性能異常都可能出現(xiàn)局部過(guò)熱、絕緣破壞或電弧放電等現(xiàn)象。熱成像技術(shù)通過(guò)對(duì)設(shè)備外表的溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，識(shí)別溫度異常區(qū)域，尤其是在局部溫升超出預(yù)期工作范圍時(shí)及時(shí)預(yù)警。其中，變壓器正常運(yùn)行溫度為50～70 ℃，若檢測(cè)到油箱或繞組溫度超過(guò)80 ℃，表明散熱系統(tǒng)可能存在缺陷或內(nèi)部出現(xiàn)故障。

2.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

在110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系中，監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)的合理性和精確性將直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和可靠性。首先，確定關(guān)鍵監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置，包括變壓器、高壓斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器和電纜接頭等重要設(shè)備的熱成像監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其次，為保證數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，要在每個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵熱源位置部署高靈敏紅外熱成像設(shè)備。建議選擇分辨率為640 px×480 px、熱敏感度不低于0.05 ℃的紅外熱像儀，確保對(duì)細(xì)微溫度變化的精準(zhǔn)捕捉。最后，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注變壓器油箱和繞組的熱點(diǎn)，其正常運(yùn)行溫度應(yīng)控制在60～80 ℃，若溫度升高到90 ℃以上，則要發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)分析算法優(yōu)化

在110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，熱成像數(shù)據(jù)的分析處理至關(guān)重要，對(duì)數(shù)據(jù)分析算法優(yōu)化能顯著提高監(jiān)測(cè)精度和對(duì)故障預(yù)測(cè)的可靠性。針對(duì)熱成像圖像中設(shè)備表面的溫度分布，優(yōu)化后的算法需要對(duì)溫度異?，F(xiàn)象進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和趨勢(shì)分析，特別是在不同環(huán)境溫度和負(fù)載條件下，如何消除干擾并準(zhǔn)確定位熱點(diǎn)區(qū)域是算法優(yōu)化的關(guān)鍵之一［2］。為此，引入基于多維溫度梯度分析算法，結(jié)合空間插值技術(shù)與時(shí)間序列分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備溫度閾值，并對(duì)溫度變化率進(jìn)行建模和分析。優(yōu)化算法的核心見式（1）。

[Tanomaly=Tmean+k?σ]" "（1）

式中：[Tanomaly]為異常溫度閾值；[Tmean]為設(shè)備表面溫度的平均值；[σ]為溫度分布的標(biāo)準(zhǔn)差；[k]為系數(shù)，用以控制溫度異常的敏感度。

通過(guò)式（1），系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)備表面溫度的動(dòng)態(tài)變化情況自動(dòng)調(diào)整預(yù)警閾值，避免因環(huán)境溫度變化或設(shè)備正常負(fù)荷波動(dòng)而導(dǎo)致誤報(bào)。優(yōu)化后的算法還結(jié)合了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障分類模型，利用大量歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，提高對(duì)不同類型設(shè)備故障（如接觸不良、絕緣損壞）識(shí)別的準(zhǔn)確度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多層權(quán)重優(yōu)化，使算法能自適應(yīng)不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最大程度減少溫度異常的誤檢率［3］。

2.4 熱成像設(shè)備硬件改進(jìn)

在110 kV電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，熱成像設(shè)備硬件性能直接決定監(jiān)測(cè)的精度和可靠性。因此，對(duì)熱成像設(shè)備硬件進(jìn)行改進(jìn)尤為重要。為提升設(shè)備的空間分辨率和溫度敏感度，可采用高性能探測(cè)器材料，并優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)。引入基于量子阱紅外探測(cè)（QWIP）技術(shù)的探測(cè)器，提高對(duì)長(zhǎng)波紅外輻射的響應(yīng)速度，使熱成像設(shè)備的分辨率從320 px×240 px提高至640 px×480 px，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)110 kV設(shè)備復(fù)雜表面熱分布的細(xì)節(jié)捕捉能力。與此同時(shí)，改進(jìn)后的設(shè)備能在較寬的溫度范圍內(nèi)（-20～650 ℃）進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，確保高溫設(shè)備表面異常的溫度變化不會(huì)被忽略［4］。為進(jìn)一步提高設(shè)備溫度測(cè)量精度，改進(jìn)后的熱成像設(shè)備采用主動(dòng)式溫度補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)合環(huán)境溫度參數(shù)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。溫度補(bǔ)償計(jì)算見式（2）。

[Tcorrected=Tmeasured+α（Tambient-T0）]" （2）

式中：[Tcorrected]為校正后的真實(shí)溫度；[Tmeasured]為直接測(cè)得的溫度值；[Tambient]為環(huán)境溫度；[T0]為參考溫度；[α]為補(bǔ)償系數(shù)。

式（2）通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度與設(shè)備表面溫度的差異進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保在不同氣候條件下設(shè)備的監(jiān)測(cè)精度保持在±1 ℃以內(nèi)。此外，光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)也至關(guān)重要，升級(jí)后的熱成像設(shè)備采用高透過(guò)率的鍺平凸透鏡，極大減少紅外信號(hào)的損耗，在確保高靈敏度的同時(shí)，提升成像清晰度。通過(guò)以上的硬件改進(jìn)，熱成像設(shè)備的檢測(cè)精度顯著提高，能精確捕捉110 kV電力設(shè)備安裝過(guò)程中的細(xì)微溫度變化，為設(shè)備故障早期預(yù)警提供更有力的數(shù)據(jù)支持，顯著提升系統(tǒng)整體的安全性和可靠性［5］。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地一般選取具備真實(shí)110 kV電壓等級(jí)的實(shí)驗(yàn)室或變電站現(xiàn)場(chǎng)，確保能模擬設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的溫度、負(fù)載、和氣候條件。實(shí)驗(yàn)中選用的熱成像設(shè)備為分辨率為640 px×480 px、溫度靈敏度為0.05 ℃的紅外熱像儀，測(cè)量溫度范圍為-20～650 ℃，確保對(duì)高壓設(shè)備各個(gè)關(guān)鍵部位的精確監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，需要對(duì)所監(jiān)測(cè)的設(shè)備進(jìn)行全面的前期檢查，確保變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)。為獲得穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取尤為關(guān)鍵，通常將熱成像設(shè)備安裝在距離設(shè)備1.5～2.0 m的位置，確保監(jiān)測(cè)涵蓋設(shè)備的所有關(guān)鍵發(fā)熱部位，如變壓器油箱、繞組和斷路器接觸點(diǎn)等。為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的采樣頻率為1 Hz，持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間為72 h，觀察設(shè)備在不同負(fù)載和環(huán)境溫度條件下的溫度變化規(guī)律。此外，還要對(duì)外界環(huán)境因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的環(huán)境溫度設(shè)定在23～27 ℃、濕度控制在45%～55%，確保外界條件不會(huì)對(duì)熱成像結(jié)果產(chǎn)生顯著干擾。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備還包括數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的調(diào)試工作，確保熱成像設(shè)備與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，以支持大規(guī)模圖像和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和存儲(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)集中監(jiān)測(cè)變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等關(guān)鍵設(shè)備連續(xù)運(yùn)行72 h內(nèi)的溫度波動(dòng)情況。通過(guò)高精度的紅外熱像儀收集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度，包括接觸點(diǎn)、繞組、油箱等。結(jié)果顯示，絕大多數(shù)設(shè)備的溫度維持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)（實(shí)驗(yàn)設(shè)置的溫度閾值為-10～85 ℃），其中，變壓器油箱平均溫度為60 ℃，斷路器接觸點(diǎn)的平均溫度為55 ℃，隔離開關(guān)的平均溫度為50 ℃。在對(duì)異常溫度數(shù)據(jù)細(xì)致分析后發(fā)現(xiàn)，部分變壓器在高負(fù)載情況下出現(xiàn)溫度接近閾值上限的情況，最高記錄溫度為82 ℃，超出正常運(yùn)行的期望溫度范圍，這可能是因?yàn)榻^緣材料老化或散熱不足導(dǎo)致的。此外，一個(gè)隔離開關(guān)在監(jiān)測(cè)期間的溫度異常上升至78 ℃，進(jìn)一步檢查后，確認(rèn)為安裝誤差導(dǎo)致的接觸不良。部分關(guān)鍵設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1，包括設(shè)備類型、監(jiān)測(cè)部位、平均溫度、最高溫度及可能的異常原因。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于熱成像技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在識(shí)別和預(yù)測(cè)110 kV電力設(shè)備潛在故障方面的有效性，并指明了監(jiān)測(cè)設(shè)備自身精度和反應(yīng)閾值設(shè)定的優(yōu)化方向，這將進(jìn)一步增強(qiáng)未來(lái)監(jiān)測(cè)方案的預(yù)警能力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)將熱成像技術(shù)應(yīng)用于110 kV電力設(shè)備的安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)上，不僅能提高監(jiān)測(cè)工作的效率和準(zhǔn)確性，而且能為電力設(shè)備的運(yùn)維管理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，降低設(shè)備故障率，延長(zhǎng)設(shè)備的服務(wù)壽命，進(jìn)而增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率。系統(tǒng)化的熱成像監(jiān)測(cè)還可以幫助電力設(shè)備管理者優(yōu)化維護(hù)策略和預(yù)算分配，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。因此，熱成像技術(shù)在電力設(shè)備安裝質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論價(jià)值，而且更具備顯著的工程應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前電力設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

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