基于VR的電力設備紅外檢測培訓系統設計的研究

段先鋒 白亞為 楊會賢

（西安電力高等?？茖W校，陜西 西安 710032）

0 引言

電力設備運行時，會因為各種原因發熱。正常時，發熱所導致的溫升在設計允許的范圍內。設備有缺陷時，會表現出故障前的熱征兆，即異常的溫升。紅外檢測可以及時發現電力設備的故障發熱。但是檢測者要經過培訓才能掌握檢測的技巧，并積累判斷發熱故障的經驗。有些電力公司的培訓部門會在真實的設備上預裝發熱元件來模擬故障發熱，并組織學員進行紅外檢測，對熱成像儀的使用技巧進行培訓，并讓學員積累判斷發熱故障的經驗。

這種在真實的設備上預裝發熱元件來模擬故障發熱的方法，由于設備種類和數量有限，模擬的故障點數量和種類有限，以及升溫和降溫速度慢、成本較高等特點，都使得它越來越不能滿足電力設備紅外檢測培訓的需要。

該文提出把虛擬現實（VR）技術引入電力設備紅外測溫的培訓中，建立電力設備仿真模型，并用有限元分析軟件在模型上對溫度場進行仿真，并在虛擬的紅外熱成像測試儀中顯示相應的紅外圖像，訓練學員在虛擬環境中使用紅外檢測技術，達到培訓目標。

1 電力設備發熱仿真

1.1 電力設備三維仿真建模

該方案采用三維建模技術，在虛擬場景中還原了一個變電站。在這個仿真變電站中，有1 臺主變。10 kV 側為單母線接線，包含主變間隔和1 條出線間隔，采用GIS 設備。35 kV 側采用高壓開關柜組成單母線接線，包含主變間隔、干式站用變間隔和無功補償間隔。這樣既體現了變電設備的多樣性，同時也避免了設備的重復。

1.2 電力設備溫度場仿真

電力設備溫度場仿真主要包括電力設備發熱、電力設備散熱以及電力設備溫度場有限元仿真3 個方面的內容。

1.2.1 電力設備發熱

1.2.1.1 電阻損耗

電流通過導體會產生熱能，其發熱功率為：

式中：P—發熱功率（W），I—電流強度（A），R—電器或載流導體的直流電阻（Ω），Kf—附加損耗數，考慮了集膚效應和鄰近效應[1]。這種發熱與電流的大小和導體電阻有關，也稱為電流型發熱。

1.2.1.2 介質損耗

電氣絕緣介質在交變電場中，因極化方向不斷改變而消耗電能并引起發熱，產生的發熱功率為：

式中：U—施加的電壓（V），ω—交變電壓角頻率，C—介質的等值電容（F），tanδ—介質損耗角正切值[1]。這是絕緣介質在電壓效應下引起的損耗，與電流無關，也稱為電壓型發熱。

1.2.1.3 磁滯和渦流損耗

磁滯損耗是鐵磁材料在被交變磁場反復磁化時，內部的磁疇不停地轉換方向，互相摩擦而引起的損耗。磁滯損耗與鐵磁材料的特性有關[1]。

渦流是導體在交變磁場中感生電動勢而在其內部產生的電流。渦流損耗是渦流在流經通路的電阻時產生的損耗。渦流損耗與導體的形狀及電阻率、磁感應強度及交變的頻率有關。

1.2.2 電力設備散熱

熱交換包括熱傳導、熱對流、熱輻射3 種方式。

1.2.2.1 熱傳導

熱從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫作熱傳導。熱傳導傳遞的熱量可以用公式（3）來計算：

1.2.2.2 熱對流

熱對流僅存在于液體和氣體中，并常伴隨著熱傳導。按照對流的方式可以分為自然對流和強迫對流。自然對流的熱量傳遞的速率可用公式（4）計算：

式中：P—傳熱功率（W），Kd1—對流換熱系數[W/（m2×K）]，θ—發熱體表面溫度（K），θ0—流體介質溫度（K），A—冷卻表面積（m2）[2]。

1.2.2.3 熱輻射

溫度高于絕對零度的物體，以輻射電磁波的形式向外傳遞熱量，稱為熱輻射。根據斯特藩-玻爾茲曼定律，熱輻射可以用公式（5）計算：

式中：Pfs—單位面積的輻射功率（W/m2），σ—斯特藩-玻爾茲曼系數（5.67×10-8W/m2/K4），εf—發射率，T2—發熱體表面溫度（K），T1—接收輻射物體溫度（K）[2]。

1.2.3 電力設備溫度場有限元仿真

目前對仿真電力設備溫度場的研究已經很多了。采用有限元分析軟件ANSYS 對隔離開關導電部分的溫度場進行了研究[3]。采用Fluent 軟件對干式變壓器溫度場進行了仿真，為定點檢測提供了依據[4]。通過ANSYS 軟件對繞線式異步電動機進行了溫度場仿真分析[5]。對濕污絕緣子表面發熱與溫度場進行了研究[6]。這些對電力設備溫度場的研究都采用了有限元分析的方法。

該培訓系統采用ANSYS 有限元分析軟件對VR 場景中的電力設備三維模型進行設備發熱和散熱仿真，在模型中建立溫度場。首先，根據不同發熱機理把模型分成不同的部件。比如隔離開關可以分成導電部分和絕緣部分。其次，對每個部件進行建模并劃分網格。對每個部件在ANSYS 中進行建模并劃分網格，把發熱和散熱條件作為邊界條件輸入。對于導體發熱，考慮導體的電阻和通過的電流。電阻因導體的材料、尺寸和形狀的不同而不同，電流在導體中的分布具有集膚效應和臨近效應。對于絕緣體的發熱過程，考慮其材料、溫度、濕度和表面狀態等因素。散熱過程考慮材料、環境溫度、風速、光照等因素。最后，建立運行仿真模型。在運行時能夠使每一個網格都具有一個穩定的溫度值。把仿真結果與設備三維模型關聯起來，在三維模型上形成溫度場。

在這一過程中，通過改變導體的電阻和負荷電流、絕緣介質的電壓、阻值以及環境溫度、風速、光照等因素，就可以改變設備溫度場的分布，從而模擬設備正常發熱和各種故障發熱。

1.3 紅外熱成像儀模擬

按照某一型號的紅外熱成像儀建立儀器模型，其外觀、按鍵、功能均與實際儀器一致。當電力設備三維模型的某一部分進入虛擬紅外熱成像儀屏幕后，根據模型當前的溫度場和紅外熱成像儀設定的發射率顯示相應的紅外圖像。屏幕外的三維模型仍然顯示可見光圖像。設置儀器的發射率和色溫條，可以改變圖譜的顏色。

2 培訓模式設計

在電力設備發熱及紅外檢測仿真平臺上，分別建立了電力設備紅外檢測仿真教學系統和紅外檢測虛擬仿真實訓系統。

2.1 紅外檢測仿真教學系統

紅外檢測仿真教學系統用于對學員進行紅外檢測的集中培訓，學員也可以在上面對相關知識進行自主學習，包括教學模式和考核模式。

2.1.1 教學模式

2.1.1.1 建立紅外熱圖譜庫

庫中的熱譜圖均為實際的圖像，包括設備正常狀態的熱譜圖和異常狀態下的熱譜圖，以對比的形式進行展示，便于學員辨識。對于圖庫中的每一張異常的熱譜圖，系統都將自動鏈接發熱的原因分析和處理方法。

2.1.1.2 紅外測溫儀講解

紅外測溫儀講解主要包括紅外測溫儀原理、功能按鍵、操作流程等內容，配以3D 模型動態顯示，幫助訓練學員使用紅外熱成像儀。

2.1.2 考核模式

2.1.2.1 發熱異常辨識及處理考核

隨機彈出一張紅外圖像，學員判斷是否有異常，如果有異常則繼續判斷發熱原因提出建議處理的方法。

2.1.2.2 紅外測溫儀使用考核

紅外測溫儀使用考核包括功能按鍵考核與操作流程考核。按鍵功能考核是通過隨機出現一個按鍵名稱或其功能描述，要求學員匹配另一個，考核學員對按鍵功能的熟悉程度。操作流程考核學員對整個操作流程的熟悉程度。

2.2 紅外檢測虛擬仿真實訓系統

這一部分是在電力設備發熱模擬的基礎上，對紅外測溫儀進行操作練習和考核。系統設置有練習模式和考核模式。

2.2.1 練習模式

在虛擬環境中模擬操作紅外測溫儀，訓練熱成像儀對焦、拍攝、圖像生成等操作。過程中提供步驟提示。

2.2.2 考核模式

在考核模式中，系統不提供任何提示。學員通過佩戴VR眼鏡進入虛擬環境，模擬操作紅外測溫儀。操作完成后提交操作過程，系統自動進行評分，考核結束后展示錯誤操作。

3 結語

該系統從電力設備紅外檢測培訓的需要出發，提出通過使用VR 技術創建虛擬的培訓環境，通過溫度場的有限元分析，模擬電力設備正常發熱和故障發熱狀況，建立集培訓、練習、考核于一體的培訓系統，解決了實物模擬發熱故障種類少、準備時間長的缺點，可以提高培訓的效率和質量。相較于實物模擬發熱故障培訓系統，基于VR 的電力設備紅外檢測培訓系統具有成本低、效率高、安全可靠的特點，應用前景非常廣闊。