基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統

梅林

(國家電網河南電力公司 信息通信公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

開關柜由于具備體積小、成本低、操作方便和維護量小等特點，在配電電壓等級的電網中得到廣泛應用[1-3]。然而，由于設計緊湊和空閑散熱有限，常常出現過熱故障。這種過熱故障通常由主通流回路的接觸不良或異常工況引起，如果未得到及時遏制，將造成整個開關柜或配電系統的故障或事故[4-5]。

目前對開關柜的過熱故障通常采用溫度監測的方法。按技術原理分類，目前開關柜的溫度監測方法主要有基于聲表面波、紅外熱像技術、熱電原理及光纖的溫度監測方法[6-8]。紅外測溫由于非接觸式測溫的特點，逐步在開關柜中得到應用。然而，由于開關柜測溫存在安裝后不可調整和存在設備安全穩定運行風險等問題，因此需要進一步改進。此外，運維人員對開關柜的巡檢操作通常包括定期紅外測溫，該項工作較為繁瑣，而目前重要的變電站已經出現了巡檢機器人，如何充分利用巡檢機器人來減少運維人員工作量，提升工作效率，也是當前開關柜運維中面臨的一大問題[9-10]。

為此，研究了基于紅外觀察窗的開關柜紅外測溫方案，結合巡檢機器人設計了一套基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統，并在變電站開展了現場應用。

1 紅外測溫原理與紅外測溫單元

1.1 紅外測溫原理

紅外測溫利用了任何物體在絕對零度以上都會發出紅外輻射這一特性，通過對物體發出的光波的接收，從而獲取物體表面溫度信息。紅外線是一種波長介于0.76 ～1 000 μm的光波，式(1)給出了物體發射的紅外輻射能量隨溫度的變化規律。

M=εδT4

(1)

式中：M為物體單位面積在單位時間內的輻射出射度；ε為待測物體的發射率；δ為斯蒂芬—波爾茲曼常數；T為溫度。由式(1)可知，只要知道物體發射率，并利用紅外傳感器測量得到物體輻射出射度，就可計算得到物體的表面溫度。

1.2 紅外測溫單元

紅外測溫單元的主要功能是實現紅外信息的采集與處理，工作原理如圖1所示。被測物體的紅外輻射波通過光學元件收集整合輸送給紅外探測器，紅外探測器再將信號轉換成最終可見的紅外熱像圖。運維人員和機器人可根據紅外熱像圖信息判斷開關柜內各關鍵部位的溫度信息，做出科學合理的運維檢修策略。

圖1 紅外測溫單元原理

紅外探測器是紅外測溫單元的關鍵部件，它是將捕獲的紅外光信號轉換成電信號的關鍵部件，因此直接影響到整個紅外測溫單元的性能。本文紅外探測器的基本性能參數如表1所示。

表1 紅外探測器性能參數與指標

2 紅外測溫裝置與巡檢機器人配置方案

2.1 開關柜常規紅外測溫方式存在的問題分析

傳統的開關柜紅外測溫系統是將紅外傳感器安裝在開關柜內部的地電位處，這種安裝方式存在以下一些問題：①紅外傳感器需安裝于開關柜內，而開關柜的結構較為緊湊，傳感器的引入很難保證絕緣距離不受到任何影響，在一些極端情況，傳感器的存在可能會引起一些放電隱患；②紅外傳感器一旦安裝完成，運行中由于柜門不能打開，傳感器的角度與位置等均不能調整，因此對開關柜關鍵位置的溫度監測存在一定的盲區。為了避免上述不足，在開關柜柜面設置特殊材料制作的紅外測溫窗口，將紅外熱像儀或點溫儀置于紅外測溫窗口外進行開關柜關鍵部位的溫度測量。該種方式雖然避免了內置式開關柜測溫傳感器的不足，但是由運維人員對開關柜溫度進行巡視測量，不僅工作量大，還可能在出現開關柜意外情況時危及到運維人員的生命安全。鑒于上述不足，提出了基于紅外測溫窗口與巡檢機器人相結合的開關柜溫度測量方式。

2.2 紅外測溫裝置與巡檢機器人

首先在待測開關柜上安裝紅外測溫窗口，窗口的安裝要遵循以下原則：①窗口的設置不能影響開關柜的密封與遮擋等基本用途，且不能影響開關柜內部的絕緣性能；②窗口的設置要保證在窗口外能有效拍攝到內部待測部位的溫度分布，這樣方能保證機器人巡檢的效率；③窗口采用氟化物晶體，其自身具有耐受高溫、高強度壓力及高度氣密性的特點，能夠滿足開關柜相關的防護與防爆要求。

紅外測溫單元安裝于巡檢機器人上，利用巡檢機器人的可移動操作性能，可實現開關柜的靈活巡檢。巡檢機器人可單獨配置，也可利用站內已有的巡檢機器人進行稍加改造而集成紅外測溫巡檢的功能。本文中所用的巡檢機器人具有下述特點。

1)智能路徑規劃

通過內置智能化算法，可以自動根據需求設置開關柜紅外測溫的巡視路徑，避免了重復路途帶來的額外工作量，從而明顯提升運檢巡視的效率。

2)設備全覆蓋

采用獨特的導航方案，可對整個變電站的主要設備開展360°全方位巡檢。具體到開關柜，可對站內各類型的開關柜進行紅外巡檢，并且可以在配置機器人專用升降梯與智能控制門的基礎上，對其功能進行擴展，實現不同高度樓層間的通航巡檢目的。

3 開關柜狀態評估系統

3.1 狀態評估系統結構

基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統結構如圖2所示，系統由感知層、中間層與應用層組成。感知層主要包括紅外測溫單元與巡檢機器人，它們共同實現基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統的底層感知，負責采集相關溫度數據，獲取開關柜關鍵部件的狀態信息。中間層主要起到數據中轉和主指令傳遞的作用，主要包含視頻、圖像處理與控制單元等數據處理部件與機器人服務器等硬件設施。應用層主要包括開關柜狀態評估平臺與中心站應用系統。該層匯集了中心站的主流應用系統，其中開關柜狀態評估平臺能夠對中間層傳來的紅外圖像信息進行處理與判別，并能對開關柜關鍵部件的狀態進行評估，從而給出運維檢修策略。中間層與感知層之間主要通過無線通信方式進行數據通信，而中間層與應用層之間主要通過有線方式進行通信，且它們處于同一局域網中。

圖2 狀態評估系統結構圖

3.2 狀態評估系統工作流程

狀態評估系統在接收到前端的紅外熱像圖與溫度信息后，首先根據標準或規程做一些初步評估，評估的方法主要有熱點溫度法與相對溫差法。熱點溫度法主要根據設備或部件的表面溫度絕對值進行判斷，將超過一定溫度閾值的設備或部件評估為異常狀態。相對溫差法則是將當前的溫度值與歷史狀態進行比較，進而評估設備的狀態。

根據上述初步評估方法，設備的過熱缺陷一般劃分為一般缺陷、嚴重缺陷與危急缺陷等三種。一般缺陷溫差≤15 ℃，且未達到嚴重缺陷要求；嚴重缺陷的熱點溫度≥90 ℃或相對溫差≥80%；緊急缺陷的熱點溫度≥130 ℃或相對溫差≥95%。

熱點溫度法與相對溫差法這兩種狀態評估方法都存在時效性與一致性的難題，且對部分過熱故障可能存在評估錯誤的問題。因此，需要進一步的智能評估。

智能評估主要是結合歷史紅外熱像圖信息以及歷史溫度數據信息。通過智能算法，對當前的開關柜過熱狀態進行評估，其準確性比單純采用初步評估方法的更高，如圖3所示。常用的智能算法主要有模糊智能評估，基于馬氏距離與粒子群算法的智能評估，以及基于反向神經網絡的智能評估等多種方法。

圖3 開關柜狀態評估流程

4 應用案例

將基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統安裝在某500 kV變電站內，采用巡檢機器人對該站內的35 kV開關柜進行巡檢。系統運行以來，成功減少了站上運維人員的開關柜巡檢工作量，明顯減少了開關柜紅外測溫的人工次數與時間。運行半年后，該套系統成功發現了某開關柜內部的母排搭接處存在的過熱故障，其溫度曲線如圖4所示。由圖4可知，B相母排搭接處存在明顯的溫度上升現象，且已超過警戒值，狀態評估系統也根據相應評估方法給出了嚴重過熱的評估結果。

圖4 開關柜內母排搭接處溫度曲線

運維檢修人員根據評估結果，對開關柜內的異常情況進行了停電排查，發現B相母排螺絲存在松動，因而造成接觸電阻過大，引起局部溫度上升，現場檢查情況進一步驗證了開關柜狀態評估系統結果的準確性。

5 結束語

根據當前紅外測溫的不足，結合站內巡檢機器人配置情況，提出了給開關柜裝設紅外觀察窗的開關柜運檢思路，并開發了基于紅外測溫與巡檢機器人的開關柜狀態評估系統?，F場應用結果表明，該開關柜狀態評估系統不僅能夠減少運維人員的紅外測溫工作量，而且能夠對開關柜內關鍵部件的過熱情況進行準確評估。研究工作對提升開關柜運維檢修效率與智能化水平具有重要意義和明顯的工程應用價值。