基于紅外熱成像技術實現電廠設備故障診斷系統研究

姚榮財，常福杰

（1.神華國華壽光發電有限責任公司，山東 濰坊 262714；2.北京電科智擎科技有限公司，北京 100000）

電廠設備往往處于高壓、強磁場環境中。傳統的接觸式測量會給工作人員帶來很大的安全隱患。當前，紅外熱成像技術被廣泛用于電廠設備故障診斷與檢修，通過檢測電廠設備和布線中的熱缺陷可以快速發現故障隱患，有效預防重大事故。紅外熱成像技術是電廠設備預防性維護領域最有效的檢測工具。為了保證電廠設備的可靠運行，運維人員可以用便攜式紅外熱成像儀定期對設備進行紅外掃描，確保設備處于常溫下運行。但是，這種檢測方法不是實時的，無法在設備運行狀態發生變化后及時檢測到設備的溫度變化，而通過在線遠程紅外攝像頭可以實時監測關鍵設備溫度，解決無法及時發現設備過熱的問題。

1 電廠設備過熱故障常見原因

電廠設備故障的風險等級從設備跳閘一直延伸到設備起火或損壞。電廠設備的早期異常往往伴隨著明顯的溫度變化跡象，尤其是在導電且絕緣不良的情況下。此外，設備設計不合理、制造工藝標準低、安裝、操作和維護不當也會造成電氣或動機設備過熱。過熱是設備故障的主要癥狀，也是事故的先兆，而設備過熱的常見原因主要包括：

（1）接觸電阻超標：主要是因為螺絲或滑動按鈕松動、氧化、接觸不良或接觸面積不足。

（2）漏電或放電：設備絕緣性能低，如表面污染、高濕度、絕緣劣化、間隙不足或過電壓導致設備絕緣性能降低，進而發生漏電或放電。

（3）設備過載：由于設備設計或選型不合理、保護裝置工作不正常、超負荷等原因導致電廠電器設備發生過載，導致其溫度上升。

（4）渦流：由于設備設計、安裝不合理引發的渦流感應導致的設備過熱在實踐中很常見。

（5）設備散熱性能差：主要原因是設備工作環境溫度過高導致過熱、機柜通風不暢、降溫設備運行異常等。

（6）雷暴、大風、冰雪災害、外力等因素也可能導致電廠設備過熱。

2 電廠設備故障診斷系統架構

在電廠設備所在區域安裝具有紅外測溫功能的遠程控制云臺攝像機，將紅外熱成像儀安裝在云臺上，不僅可以進行遠程視頻監控，還可以通過云臺實現快速平移/傾斜移動，方便檢測設備各個角度的溫度變化。系統可以自動檢查設備各個位置的溫度，并通過網絡將紅外熱像和溫度數據實時發送到監控中心，以便進行故障診斷分析。系統可以設置溫度和溫度限制以捕獲特定位置的溫度。系統可以自動保存每條測溫記錄并同時錄制視頻。當系統檢測到溫度異常（即超過設定的高低溫范圍）時，監控屏閃爍并發出蜂鳴警報聲，提醒監控人員設備出現異常。電廠設備故障診斷系統框架如圖1所示。

圖1 電廠設備故障診斷系統框架

系統可以自動或手動設定巡視檢查路線，實時捕捉設備指定部位的實時視頻、紅外圖像和溫度數據，并在3D場景中測量設備信息和PI測點信息。系統還可以在巡視檢查期間接收設備當前運行狀態的信息。通過對采集到的設備溫度信息和運行狀態信息進行對比分析，判斷是否存在異常，并在第一時間顯示報警信息時通知值班人員。在每次巡視檢查結束時，系統會自動創建檢查日志、檢查報告和告警記錄。

3 電廠設備故障診斷系統典型應用

（1）溫度異常檢測利用紅外攝像頭或者機器人從現場采集到設備溫度信號，通過智能分析系統確定設備溫度，超過限值則發出報警。具體算法類型和邏輯解釋：利用紅外熱成像技術，基于熱感應溫度測量原理。在自然界中，除了人眼可見的光（俗稱可見光）外，還有紫外線、紅外線等不可見光。自然界中溫度高于絕對零度的每個物體都會始終發出電磁波（紅外輻射線）。因此，紅外線是自然界最常見的電磁波，而且紅外熱輻射不會被大氣煙霧吸收。隨著科學技術的飛速發展，利用紅外線的特性，將電子技術與計算機軟件相結合，利用紅外線檢測技術對熱輻射進行檢測和測量。熱傳感器接收物體表面發出的熱量差，通過電子技術和軟件處理，呈現出不同亮度或色差的圖像，我們通常稱為紅外熱成像。通過熱輻射算法轉換熱量后，在熱圖像和溫度之間轉換。

（2）磨煤機除粉器頂部堆積的粉體自燃監測。利用紅外攝像頭可以實時檢測除粉器頂部的粉末堆積溫度，如果堆積溫度過高則發出報警（如圖2）。溫度測量時，應該為每個被檢測設備選擇不同的環境溫度參考體以及正確的目標發射率。比較同類設備時，確保測溫設備與各對應點的距離不變，方向不變；針對最熱點的溫度需要從多方面進行測量；記錄異常設備的實際負載電流和加熱相、正常相、環境溫度參考體的溫度值。

圖2 磨煤機除粉器頂部的粉管溫度監測

（3）電廠各種動機表面管溫度監測。利用紅外攝像頭，基于紅外熱成像原理，精確確定設備在運行過程中的表面溫度。同時，后臺監控界面會準確顯示設備當前的工作溫度，如果溫度超過設定的閾值就會報警。

4 結語

綜上所述，電廠設備的故障會導致設備跳閘和損壞。在嚴重的情況下將導致電廠意外關閉，造成重大損失。大多與設備故障的發生和發展過程與設備散熱和溫度的升高密切相關。基于紅外熱成像技術的電廠設備故障診斷系統典型應用包括溫度異常檢測、溫度異常報警，支持顯示報警圖像和視頻，磨煤機除粉器頂部堆積的粉體自燃監測、磨煤機除粉器頂部的粉管溫度監測，可以統計分析所有測溫點的溫度信息，支持查詢測溫點一年內的溫度統計信息。通過紅外熱成像、非接觸式溫度傳感以及紅外測溫技術可以遠程監測設備運行狀態，及時發現設備異常，直觀準確地發現和評估設備的過熱故障，方便運維人員迅速采取措施有效預防事故發生。