基于紅外成像的變電設備溫度遠程在線監控

韋 良 ，張青青 ，何 峰 ，孟繁國 ，陳 浩

(1.山東濟南供電公司，山東 濟南 250001；2.山東電力科學研究院，山東 濟南 250001)

0 引言

溫度是表征變電設備運行狀況的重要參數，如果能夠遠程監控變電設備的溫度，就可以使運行人員隨時掌握設備的運行工況，及時發現設備的缺陷，確保變電設備的正常運行。 隨著電力工業的發展，變電站數量劇增而運行人員卻在不斷減少，變電設備的運行狀況越來越多的依賴遠程自動化監控設備。如何能夠隨時監控變電設備的溫度變化，及時了解設備的運行工況，成為一個重要的研究課題。據統計，變電設備現場巡檢所發現的缺陷中，除了變電站綜合自動化系統所能反應的缺陷，與溫度相關的設備隱患和缺陷占到了其中的80%以上，因此對變電設備在線測溫檢測技術的應用是無人值班技術發展和狀態檢修的必然要求［1］。

傳統溫度測量方式反應速度慢，并且要求測量設備必須與被測物體接觸，使用的局限性大，紅外測溫以紅外傳感器為核心進行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險場合的非接觸測溫，得到了廣泛應用。然而現有的紅外測溫設備多為手持式，該類設備的體積較小，僅能夠對變電設備的某些部件進行點式測溫，而且往往是要求在變電站的周期性巡視中由運行人員到現場測溫，起不到隨時監控變電設備運行溫度的作用。

基于紅外成像的變電設備溫度遠程監控系統利用外紅外成像技術，具有作用距離遠、抗干擾、穿透力強、全天候、全天時工作等優點，通過遠程自動化信息傳輸和控制，對重要設備日夜連續監控和紅外測溫，實現對區域內的運行變電設備進行不停頓的遠程溫度監控。

1 紅外測溫原理

物理學指出，所有高于絕對零度的物體都會不停的以電磁波的形式向外發射出紅外輻射能量。輻射能量的大小及波長與它的表面溫度有關，通過對物體輻射能量的測量，能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫的理論依據。

普朗克定律反映了不同溫度下的光譜輻射度Pb隨波長λ的分布規律：

式中：k為波爾茲曼常數；λ為紅外線波長；T為黑體的熱力學溫度；C1為普朗克第一常數，C2為普朗克第二常數。

由于黑體是一種理想化輻射體，現實中并不存在，由此在上述基礎上，根據斯特藩—波爾茲曼定律，輻射溫度與物體的實際溫度有如下關系：

式中：TS為物體的實際溫度；P(T)為物體的輻射度；ε(T)為物體的輻射率；σ為斯特藩—波爾茲曼常數，上述方程即為紅外測溫的物理學基礎。

運行電氣設備的溫度都是高于絕對零度的紅外輻射源。紅外測溫系統通過鏡頭接收被測設備發出的紅外線，并將其轉換成相應的電信號，通過相關軟件處理形成熱像供監控使用。由于紅外線不受電磁干擾，非常適用于電磁場復雜的輸變電設備，并能遠距離精準追蹤目標。 紅外熱像系統能夠真正做到24 h全天候監控，利用特定波段紅外線的“大氣窗口”，可以在夜晚、雨、煙等惡劣環境下，清晰觀察到所需監控的目標設備。 應用紅外技術可以監測電力設備的溫度變化，及時對設備故障做出診斷，特別是測量設備內部溫度的變化［2］。

2 基于紅外成像的遠程在線測溫方案

變電設備運行溫度的實時監控，從功能上劃分，該系統主要由紅外設備、傳輸控制系統、監控系統、專業軟件組成。從地理位置上其結構主要由前端變電站、傳輸網、監控中心三大部分組成。其中：前端變電站設備主要有在線式紅外熱成像儀、攝像頭、傳感探測器、錄像機設備等組成。傳輸通道采用已經建好的電力專用傳輸網。監控中心主要負責管理所轄前端各個變電站，相應權限由公司監控中心的管理服務器統一分配，根據實際情況選擇錄像或者將其轉換為可視的紅外熱像信號輸出至顯示器。操作人員通過監控平臺進行遠程監控、測溫分析、錄像、報警等一系列功能。監控中心設置有服務器存儲設備、顯示器及軟件平臺等。具有用戶管理、數據配置管理、設備運行狀態顯示、溫度監測告警、日志紀錄、實時熱像監控、溫度監控報警、云臺控制功能、錄像管理等。

該紅外測溫系統采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區域的熱輻射聚焦在探測器上，它將入射的輻射能轉換成可測量的電信號并通過已知物體的發射率，將輻射功率轉化為溫度。 運行中的變電設備發出的紅外輻射進入光學系統后，調制器把紅外輻射調制成交變輻射，再由探測器轉變成為相應的電信號，該信號經過放大器和信號處理電路后，按照系統內的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值，通過信息處理傳輸系統傳輸至監控中心，傳輸網絡采用已有的電力專網。 最后在監控中心的顯示器上將一個區域內的變電設備熱像實時顯示出來，其系統結構如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統結構

現場設備的硬件結構由單片機、存儲器、I/O模塊，時鐘電路、通信模塊等部分組成，其結構框圖如圖2所示。

圖2 現場設備硬件結構

軟件功能上以網絡集中管理和網絡傳輸為核心，完成信息采集、傳輸、控制、管理和存儲的全過程，能夠架構在電力專網、局域網、城域網、廣域網之上，并與現有網絡設備實現無縫連接。實現監控聯網、集中管理，大大擴展了傳統監控系統和數字監控系統的功能，其軟件功能結構如圖3所示。

圖3 軟件功能結構圖

3 實際應用

基于紅外成像的變電設備溫度遠程監控系統設備已經在濟南供電公司 220 kV變電站得到了應用，該系統的前端設備上采用了紅外和普通光成像兩種成像攝像頭，紅外熱像能夠隨時監控變電設備溫度，普通光成像用于分辨紅外熱像所對準的變電設備，便于監控人員變辨別判斷。

圖4 使用舉例

通過該系統的使用，實現了監控室對運行變電設備的24 h不間斷遠程熱像監控，便于監控人員及時了解設備的運行工況，對設備故障做出準確診斷，確保了變電設備的安全穩定運行，也極大地方便了變電監控人員的工作。

該系統具有以下幾個特點：

1)實現了對運行變電設備的24 h不間斷、全天候溫度遠程監控，使運行人員及時了解設備的運行狀況，發現缺陷后準確定位。

2)實現了對大面積變電設備的區域性測溫，改變了原有紅外測溫設備只能針對設備某個點進行溫度測量的現狀。

3)通過紅外遠程測溫實現對運行電氣設備的實時全面溫度檢測，發現常規手段所不能發現的設備故障。

4 結語

在線紅外遠程測溫可以實時在線監測和診斷電氣設備大多數故障，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經濟效益降低維修成本。有利于推動無人值班變電站的智能化管理，提高電網的安全運行水平，推動企業的科技創新，并為大規模推廣狀態檢修提供技術支持。