紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的應用

楊青波,魏 卓,胡四全,樊宏偉,廖 巍,柴衛強,孟學磊

(1.許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000；2.許繼集團有限公司,河南 許昌 461000；3.國網上海市電力公司,上海 200122)

1 引 言

特高壓直流輸電工程,是國家電網公司“一特四大”重大戰略的主要組成部分,承擔著電力發展的關鍵任務。換流閥是特高壓直流換流站中的核心設備,價格昂貴,作用重要[1]。換流閥設備一旦出現故障,不僅會導致直流輸電工程的停運,嚴重情況下,可能會導致換流閥或閥廳的起火,從而引發重大的安全事故。如何及時有效地發現設備的各種安全問題及故障隱患,避免換流閥關鍵零部件溫度異常所導致的火災隱患,是需要認真研究的重要課題。

本文對紅外測溫技術進行研究,結合換流閥實際運行環境,提出換流閥關鍵部件近距離在線紅外測溫算法,及測溫裝置設計方案,并完成測溫實驗及紅外成像驗證。

2 紅外測溫理論研究

2.1 紅外測溫理論推導

由普朗克輻射定律可知,物體在波長λ下的輻射能量與物體溫度存在特定關系,關系表達式為:

(1)

其中,Mλ(T)為黑體光譜輻射出射度,單位為W/(m2·μm)；C1為第一輻射常數,C1=3.7418×1016W·m2；C2為第二輻射常數,C2=1.4338×102K·m；λ為輻射波長,單位為μm；T為目標物體的熱力學溫度,單位為K。

對于理想漫輻射體,它的輻射出射度和輻射亮度存在以下關系[2]:

Mλ(T)=πLλ(T)

(2)

其中,Lλ(T)為物體在溫度為T時,在波長λ下的輻射亮度。

紅外測溫的原理是通過紅外測溫器接收目標物體的紅外輻射,將其轉換為電信號,然后由采樣芯片將其轉換為數字信號,通過輸出的數字信號來獲取目標物體的表面溫度。物體所發出的紅外輻射有兩部分構成,即自身表面紅外輻射和反射環境的紅外輻射。實際情況中,紅外測溫器工作時所探測到的紅外輻射包括目標物體自身輻射、環境反射輻射和大氣輻射這三種主要的輻射[3]。

紅外探測器所接收到的波長λ下的輻射功率可表示為:

Pλ=ARA0d-2[τa(εLλ(To)+(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]

(3)

其中,AR為紅外測溫器的入射透鏡的面積；d為被測目標到探測器之間的距離；A0為紅外測溫器最小空間張角所對應的目標的可視面積；To為被測目標物體的表面溫度；Tu為環境溫度；τα為大氣的光譜透射率；εα為大氣的光譜發射率；Tα為大氣溫度;ε為物體表面的發射率；α為物體表面的吸收率;A0d-2一般是一個常數;τα、ε和α在比較窄的波段范圍內,可以近似為與波長無關的常量[2]。

通常情況下,紅外測溫器工作在一定的紅外波段范圍。紅外探測器在自己工作的波段上將入射的輻射能積分,并將其轉化為一個與入射能量成正比的電信號,有如下公式:

(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]Rλdλ

(4)

其中,V為電信號；Rλ表示紅外探測器像元的光譜響應度,它是紅外探測器把接收到的輻射能轉化為電信號能力的直接體現。

因為電信號與采樣值之間存在線性關系,存在如下公式:

V=av+b

(5)

其中,v為采樣值;a為比例系數;b為偏移量。

f(T)≈CTn

(6)

工作在不同波段的紅外探測器,參數n的值并不一樣,對于工作在8～14 μm波段的探測器,n=3.9889；對于工作在6～9 μm波段的探測器,n=5.33；工作在2～5 μm波段的探測器,n=8.68[2]。

根據公式(4)、(5)、(6)可得To的表達式為:

(7)

公式(7)就是通過紅外探測器采集的電信號采樣值來計算探測目標表面溫度的計算表達式。

2.2 基于換流閥運行環境的公式變換

換流閥安裝運行在閥廳內,由于空間相對封閉,閥廳內部空氣質量良好,同時通過空調使閥廳溫度維持在25～30 ℃之間。換流閥依靠水冷散熱,其主要部件的溫度一般維持在25～85 ℃之間。根據這些特點,可以對公式(7)進行合理變換。

在公式(7)中,參數AR、A0d-2、a、b、C、n為常數,參數τα、εα、α、ε的值與環境溫度、探測目標的材質及溫度、探測距離、探測儀的工作波段等有關。本文所設計的探測裝置安裝在換流閥內部,與探測目標距離在1 m左右,由于距離較近,因此可以設定大氣的光譜透射率τα=1,大氣的光譜發射率εα=0[4]。閥組件的溫度范圍變化較小,探測儀也一般工作在比較窄的波段,因此設定閥組件的表面的發射率ε和表面的吸收率α為不變的常量[4]。令:

(8)

(9)

(10)

(11)

則K1、K2、K3、B為與探測目標輻射度ε相關的變量,且K3=0。

公式(7)可簡化為:

(12)

又因為換流閥閥廳環境溫度基本維持恒定,則可以認為環境溫度Tu為定值。令:

(13)

則B′為與探測目標輻射度ε相關的變量。把公式(13)代入公式(12)中,可得:

(14)

在公式(14)中,K1、B′與探測目標輻射度ε相關的變量。對于相同材質的探測目標,在溫度變化不大的范圍內,可以認為ε為定值,則K1、B′同樣為定值。

3 參數測定及驗證

根據換流閥的運行溫度范圍,可以認為相同材質的閥組件,公式(14)中的參數K1、B′為定值。不同的材質,其紅外輻射度ε不同[4-5],需要分別計算K1、B′的值。通過對已知溫度的閥組件進行實際測量,獲取一組To與v的對照值,計算出常量K1、B′的值,從而獲取To完整的計算公式。

換流閥組件的主要熱源為晶閘管、TCE板絕緣屏蔽外殼和電容,其中晶閘管為陶瓷外殼,TCE板絕緣屏蔽外殼和電容外殼為鋁合金材質。因此,對陶瓷和鋁合金,需要分別計算公式(14)中的參數K1、B′。

本文選用的紅外探測器件為Flir公司的lepton,該器件工作在8～14 μm波段,探測最近距離為1 m左右,探測溫度范圍為0～400 K,正常功耗為150 mW,完全能夠滿足換流閥近距離測溫要求。

對鋁合金材質,在環境溫度28 ℃下,用廢舊電容的鋁合金外殼盛滿沸水,隨著溫度的降低,測得一組To與v的數據,通過擬合計算得到:K1=3.964×106,B′=2.335×1010。擬合曲線與實測數據對比如圖1所示。確定參數K1、B′后,對公式的準確性進行驗證,結果如表1所示,誤差如圖2所示。

表1 鋁合金紅外測量溫度與實際溫度對比

圖1 鋁合金紅外測溫曲線擬合

圖2 鋁合金紅外測溫誤差

對陶瓷材質,同樣在環境溫度28 ℃下,通過對晶閘管加載電流使其溫度逐漸升高,在升溫過程中,測得一組To與v的數據,通過擬合計算得到:K1=5.282777×106,B′=-3.427983×1010。擬合曲線與實測數據對比如圖3所示。確定參數K1、B′后,對

公式的準確性進行驗證,結果如表2所示,誤差如圖4所示。

從實驗可以看出,不同材質的探測目標,溫度計算公式(14)中的常量參數K1、B′的值是不同的。采用本文測定的K1、B′取值進行測溫實驗,結果表明,測試溫度與實際溫度誤差不超過2 ℃。

圖3 陶瓷紅外測溫曲線擬合

圖4 陶瓷紅外測溫誤差

采樣值實測溫度值/℃計算溫度值/℃誤差/℃采樣值實測溫度值/℃計算溫度值/℃誤差/℃采樣值實測溫度值/℃計算溫度值/℃誤差/℃797629.229.470.27823141.441.710.31839848.849.020.2280313132.231.23821842.241.121.08838849.648.591.01805732.633.520.92822742.841.531.27838750.248.551.65807134.234.200.00827143.443.510.11846850.851.941.14808135.234.690.5183004444.790.79845551.451.400.00810135.835.650.15827944.643.860.74845452.251.360.84814436.837.690.89828845.244.260.94847452.852.180.62814037.637.510.09829845.844.701.10847953.452.391.01814338.437.650.75835146.447.010.61855454.455.421.02819339.239.970.77836946.847.780.98853855.254.780.42818940.239.790.41835647.447.230.17856257.255.741.46819440.840.020.7884044849.271.27858358.256.571.63

4 探測裝置設計及紅外成像

4.1 探測裝置設計

正常運行時,換流閥電壓等級很高,對絕緣等級也有很高要求。一般的探測設備無法近距離對換流閥進行近距離監測,而遠距離又無法精確定位過溫點。

本文結合換流閥運行時的具體電磁環境,對設計的測溫裝置進行絕緣外殼封裝,采用激光供能[6-7]的方式對裝置供電,對外數據傳輸也采用光纖通道,使裝置與外部完全電磁隔絕。然后把裝置固定安裝在閥組件上方1 m距離的地方。

裝置數據處理芯片采用具備高速數據處理能力的FPGA,負責從紅外探測器lepton接收數據,并通過光纖通道轉發至遠程數據處理后臺。通過功耗測試可知裝置的運行功耗最高為1700 mW。裝置供能方面,采用JDSU公司生產的激光電源轉換器PPC-6E-FC,共使用4個提供最大功率2000 mW,完全滿足裝置供能要求。激光供能設計電路如圖5所示。

圖5 激光供能電路設計

4.2 紅外成像

紅外探測器探測的電信號值越大,探測目標的輻射強度越強,探測目標的表面溫度越高[8-9]。因此,探測裝置采集的電信號值的大小可以反映探測目標溫度值的高低。根據位圖的文件格式可知,位圖文件主要有兩部分構成:圖像像素點的值和調色板?？梢园鸭t外探測的電信號值映射到1到255之間的數,作為圖像每個像素點的值。電信號值與位圖像素點值的映射關系為:

(15)

其中,v為當前點的電信號采樣值;vmin為探測圖像最小電信號采樣值;vmax為探測圖像最大電信號采樣值；g為位圖圖像對應點的像素值。根據等式(15)可以求得圖像每個點的像素值計算公式為:

(16)

位圖的調色板由圖像每個像素值和與之對應的色彩值(RGB值)構成。用于紅外成像的位圖一般有常用的調色板,如灰度值、熱金屬編碼、彩虹編碼等。在成像時,可以選擇不同的調色板來顯示不同效果的紅外成像圖片。

根據公式(14)、(16),通過軟件實現,建立溫度、電信號采樣值、圖像像素值之間的對應關系,把接收到的紅外測溫數據轉換為位圖格式的紅外圖片,并把電信號采樣值追加在圖片文件中。在查看圖像時,選擇一個圖像點,根據其像素值獲取該點的溫度信息。

對常溫下的閥組件和正在進行溫升實驗的換流閥組件進行近距離紅外測溫實驗,并通過軟件對采樣數據進行成像處理,成像效果和溫度對比如圖6和圖7所示,成像的調色板采用熱金屬編碼。其中,晶閘管的陶瓷外殼與鋁合金的電容外殼、TCE板絕緣外殼的溫度計算公式分別采用本文測得的不同的參數取值。從圖像可以看出,采用公式(16)進行紅外成像,能夠對閥組件進行清晰的成像,在圖像中很容易確定晶閘管、TCE絕緣外殼以及電容的位置并獲取其溫度信息。

圖6 常溫下閥組件紅外成像

圖7 溫升實驗時閥組件紅外成像

5 結 論

本文對紅外測溫理論進行研究,并結合換流閥實際運行環境及結構特點,提出了適用于換流閥組件的紅外測溫算法。根據換流閥高壓運行,絕緣等級要求高的特點,設計了近距離紅外測溫裝置,并通過實驗驗證了紅外測溫和紅外成像效果。

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