基于紅外熱成像的高壓電氣設備故障分析系統

廖萌　閆盈瑩

摘 要：文章針對現目前紅外熱成像診斷技術存在的問題，首先歸結了紅外熱成像技術的國內外研究現狀，通過對紅外熱成像原理和實際物體對外熱輻射的分析，提出了以溫差法為主的測量方法，并設計了以OpenCV為平臺的故障分析系統用以對高壓電氣設備進行紅外熱成像，再對其故障進行自動識別與故障分析；實現了對輸變電設備的在線狀態檢測，為電力運維人員提供了參考。

關鍵詞：在線檢測；紅外熱成像；自動識別；故障分析

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0101-02

1 概 述

輸變電設備不但是電力系統中重要組成部分，而且其安全穩定運行也是確保供電可靠性的一個重要因素[1]。長期戶外運行著的輸變電設備，不僅處于強電磁場和高溫多濕等環境中，還偶有不可預估的惡劣天氣出現，這都會導致輸變電設備本身的絕緣能力降低[2]，從而故障出現的頻率亦隨之急劇增加。電氣設備通常發生各種故障的表現形式為整體或者局部異常發熱，比如設備絕緣性能的劣化或者絕緣故障所導致的介質損耗的增大而引起了發熱、接頭的接觸不良引起局部過熱以及設備的漏電漏磁引起發熱現象等[3-4]。為了能降低設備故障的發生概率，提高設備運行穩定性，一種有效、安全、可靠的帶電監測系統是目前電力系統運行著的輸變電設備所最為急迫地需要著的[5]。

基于紅外熱成像原理的電氣設備監控技術在電力行業中被越來越多的電力工作人員接受并應用了起來，其不僅可以對正運行中的電氣設備進行不停電的檢測，還可以對其缺陷和隱患及時發現。并且該紅外熱成像技術是對設備的內部輻射紅外光線所進行的非接觸、遠距離的熱成像檢測，不受電場干擾，目前大多數都是以人工的方式在對變電設備紅外圖像進行著分析以及熱故障的診斷，但此方法的效率較低，而且其自動化程度不高，需要花費較多的時間和精力，還容易出錯。

2 國內外紅外診斷技術

紅外熱成像技術在電力系統中的應用要追溯都上世紀50年代，當時瑞典電網使用紅外熱成像技術對輸電線路的設備接頭進行檢測，由于技術不成熟，設備落后，導致無法準確測到設備接頭的溫度；英國、比利時、巴西等國家也在電力系統中相繼應用了紅外診斷技術。

我國將紅外診斷技術運用于檢測輸變電設備始于1970年，當時利用國內生產的紅外測溫儀對室外電氣設備接頭進行測量；近十年，研究人員對設備的近端電流回路和設備的絕緣性能進行模擬實驗，再通過以往處理各種發熱故障事故的經驗，建立了一套針對不同發熱故障對應的紅外熱圖像系統。但這一系統僅僅是從定性上進行了診斷，而不能對電氣設備的運行狀況進行定量的分析。因此，本文提出了基于相對溫差法的紅外熱成像故障分析系統。

3 輸變電設備紅外檢測的基本原理

紅外熱成像技術是綜合了紅外診斷技術和導熱反問題，用以對輸變電高壓設備的內部絕緣能力采取的定量分析診斷。其主要內容是通過紅外熱像儀測量設備表面的溫度數據，然后求解出導熱反問題的一個必要性邊界條件，最后對逆問題進行計算就可檢測出設備內部是否有缺陷。

3.1 紅外輻射

所謂紅外輻射是自然界中所有物體都存在的一種紅外電磁波輻射現象，伴隨著電磁波的輻射，有一定量的紅外熱能損耗，這部分輻射的紅外熱的大小能可以利用物體表面的溫度來度量。

相對溫差是指兩個測量點的溫度之差和兩個點中重較熱一個點的溫升之比的百分數：

ε=■×100%=■×100%

=■×100%（1）

其中，T1和δ1分別為溫度（K）和發熱點的溫升（K）；

T2和δ2分別為溫度（K）和正常時候相對應點溫升（K）；

T0表示環境參照體溫度；

τ表示相對溫差。

引入相對溫差這個參量是可以在電流大小相同時，通過比較設備的相對溫差值變化，就可分析設備發熱狀況。

3.2 紅外輻射定律

在研究紅外熱輻射與紅外線波長的關系中常利用四個熱定律：普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和朗伯余弦定律。由于輸變電設備所處的變電站中，強電磁場和各種信號電磁波分布比較復雜，因此將選定與電磁場輻射無關的普朗克輻射定律：

黑體的絕對溫度T（K），其單位表面積向外輻射的功率Mλb（λ，T）與溫度T、波長λ滿足下列關系：

Mλb（λ，T）=C1λ-5[exp（C2/λT）-1]-1（2）

式中，C1是第一輻射常數；

C2是第二輻射常數。

從上式可知，把不同的溫度值代入式（2）中就可以得到各種溫度下物體對外輻射的紅外熱能。

3.3 實際物體的紅外熱輻射

根據普朗克輻射定律可知物體對外輻射紅外熱的強弱，只與物體的溫度和波長有關系，針對實際物體，由于能量的損失，所有物體在對外輻射或者吸收能量的值都低于同等情況下黑體的輻射量，輻射值不僅由溫度和波長決定，而且與此物體的材料及其形狀有關。為了更準確的描述實際物體的對外輻射強弱，定義了一個參量為輻射系數，也可稱為比輻射率，此系數僅與波長、溫度有關。

4 紅外熱成像故障診斷方法與系統

4.1 相對溫差法判斷方法

在對輸變電設備進行紅外成像識別及故障診斷過程中，由于設備常常處在各種不同的復雜環境中，并且負荷電流對不同設備發熱部位的影響不盡相同。

因此，為提高紅外熱成像識別和故障診斷的精度，針對不同情況，有六種判斷方法：表面溫度判斷法、相間互比判別法、同相比較判別法、相對溫差判斷法、檔案分析法和熱像特征（特征圖譜）判別法。

本文重點研究由電流過大而致熱的設備紅外熱成像技術，因此將采用溫差判斷法來對電流致熱型設備進行分析，采用此方法的優點是可減少由小負荷自身缺陷引起的漏判。

相對溫差法是通過檢測兩臺設備的兩個對應觀測點之間的溫度差與兩者中較熱點的溫升之比的百分數。測到異常點的發熱溫度T1、正常相對應點的溫度T2、以及環境溫度參照體的溫度T0，即可計算出該異常點的相對溫差，從而通過相對溫差值，并結合發熱點溫度，以此為依據診斷電流致熱型設備的缺陷，并進一步查找出該輸變電設備的所存在的缺陷問題。

4.2 OpenCV平臺

為了能準確、快速、可靠的判斷出輸變電設備有無因發熱引起的故障，設計了一個基于開源發行的跨平臺數據庫（OpenCV）。OpenCV數據庫中有非常全面的紅外熱圖像處理庫，可以為多種程序語言如C、C++、Matlab等，提供圖像處理和計算機通用算法的交互[15]。

除了在語言交互方面，OpenCV還為Intel的Integrated performance primitives（IPP）提供了相應的連接點，也就是如果當要為特定處理器進行優化的IPP庫時， OpenCV將在運行時自動加載這些庫。

4.3 軟件設計

利用OpenCV平臺對系統軟件進行設計開發。設計的系統具有直觀、操作簡便、靈活、方便等優勢。設計的系統分為六大功能模塊，圖像管理模塊，功能是進行圖像數據的讀取、保存、拷貝和退出等；人機界面模塊，主要是電力工作人員與計算機的交互界面，其界面具有友好，操作簡便等優點；圖像預處理模塊，該處理模塊將進行被測設備的圖像的濾波、灰度處理、圖像分辨率增強和邊緣修整；圖像識別模塊，將對設備的類型，型號進行分析，使方位拍攝圖像能自動識別，進而進行下一步工作；故障診斷模塊，根據圖像前期處理結果與專家系統庫中進行比對，獲得故障類型；幫助文件模塊，此模塊主要是軟件系統的介紹、軟件的使用幫助、圖像處理操作幫助等幫助理論。

該系統對輸變電設備熱故障的影響及其受損程度進行分類，可分為一般熱故障、嚴重熱故障和危險熱故障三個等級，根據電力故障應急措施對這三種等級的事故采取對應的處理辦法。對設備采取熱故障診斷的根據是基于OpenCV平臺的紅外熱成像故障系統判斷被測設備有無發生故障，當判斷發生故障時，確定其故障等級，如是一般熱故障，系統就發出告警信號，引起電力工作人員的注意，并尋機處理；當判斷為嚴重熱故障時，系統將加強監視力度，并安排電力人員及時處理；當判斷為危險熱故障時，系統給出相應的處理方案。

5 結 語

針對現目前利用紅外熱成像技術進行輸變電設備的故障分析診斷的缺陷和不足，本文首先對紅外熱成像技術的國內外研究現狀進行了總結；再對紅外熱輻射的基本原理和實際物體的紅外熱輻射進行了定量闡述，確定了以相對溫差法判斷法為主體的研究辦法，并設計了基于OpenCV平臺的故障分析系統，通過該系統不僅解決了現目前紅外熱成像技術的問題，還大大提高了測量的精度。

參考文獻：

[1] 陳衡，侯善敬.輸變電設備故障紅外診斷[M].北京：中國電力出版社，

1999.

[2] 林晉，基于紅外測溫技術的設備缺陷診斷方法研究[D].保定：華北電力 大學，2010.

[3] DL/T664-2008，帶電設備紅外診斷技術應用導則[S].

[4] 瞿子明.紅外熱成像技術在檢測輸變電設備內部缺陷中的應用[J].上 海電力，2005，（2）：182-184.

[5] 吳繼平，李躍年.紅外成像儀應用于輸變電設備故障診斷[J].輸變電設 備，2006，7（9）：38-41.

[6] 田志海.內部電絕緣缺陷的紅外熱像檢測診斷[J].激光與紅外，1996，26

（2）：92-94.