紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的應用

李世平 呂海東 李煜鵬 肖 亞

（國網四川省電力公司特高壓直流中心，宜賓 644600）

在現代電力系統中，換流閥作為核心組件，承擔著調節電流流向和大小的重要任務。隨著系統負荷的增加，換流閥在長時間運行中易受溫度的影響，可能出現性能下降甚至故障。因此，準確監測換流閥的溫度變化，對于確保電力系統的穩定運行和減少非計劃性的維護成本具有重要意義。傳統的溫度監測方法雖然能夠提供一定的數據支持，但是在實時性、準確性和非接觸式監測方面存在限制。

紅外測溫技術作為一種非接觸式溫度測量方法，近年來在工業領域顯示出巨大的應用潛力。該技術通過檢測目標物體表面發出的紅外輻射來測量溫度，可實現遠距離、高精度的溫度監測。在換流閥的溫度監測中，紅外測溫技術不僅能提供連續的溫度數據，還能識別潛在的故障點，從而在問題發生前進行預防性維護。

本文旨在探討紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的應用，分析其在不同工業環境中的性能表現，并評估其對提升電力系統穩定性和降低維護成本的間接作用。通過對比分析和案例研究，闡釋紅外測溫技術在電力系統中的實際應用價值，為未來的技術優化和應用擴展提供參考。

1 紅外測溫技術概述

1.1 紅外測溫技術的原理

紅外測溫技術基于物體輻射能量的原理，即任何物體在高于絕對零度時都會發出紅外輻射能量。這種技術利用紅外傳感器捕捉物體表面發出的紅外輻射能量，并將其轉換為溫度值。傳感器通常包含1 個光學系統和1 個檢測器。其中，光學系統用于聚焦紅外輻射能量，檢測器用于將紅外能量轉換為電信號。電信號經過放大和處理后，可以轉換為溫度值。紅外測溫技術的關鍵在于準確測量輻射能量，并根據物體的發射率將其轉換為溫度讀數。

1.2 紅外測溫技術的優勢及局限

紅外測溫技術的主要優勢包括非接觸性測量、快速響應和避免干擾被測物體。非接觸性測量使得該技術特別適用于檢測高溫、危險或難以接近的對象[1]。由于不需要與物體接觸，紅外測溫技術可以在不影響或不改變被測物體狀態的情況下進行測量。此外，紅外測溫技術能夠快速響應和提供實時數據，這對于監控動態變化的工業過程至關重要。紅外測溫技術還允許掃描和監測較大區域的溫度，可以快速識別異常熱點，這對于預防設備故障和優化維護計劃具有重要意義。

盡管紅外測溫技術具有顯著優勢，但也存在一些局限性，其中之一就是對物體表面特性具有敏感性。物體的發射率不同，會影響測量的準確性。例如，光滑的金屬表面發射率低，難以準確測量其溫度。環境因素如灰塵、煙霧或水蒸氣，也可能干擾紅外傳感器的準確性。因此，需要根據具體應用環境調整設備和測量參數，以獲得準確的讀數。此外，高質量的紅外測溫設備通常成本較高，不適用于一些小型企業或低預算項目。

2 換流閥溫度監測的重要性

2.1 換流閥的功能

換流閥在電力系統中具有調節和控制電流流向的作用，通常用于高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）系統。在HVDC 系統中，換流閥負責將交流電轉換為直流電。

2.2 溫度對換流閥的影響

溫度對換流閥的性能和壽命有著直接影響。過高的溫度會導致閥門內部的半導體材料性能退化，降低換流閥效率，增加故障風險。換流閥在不同溫度下的性能如表1 所示。由表1 中的數據可知，當溫度升高時，換流閥效率降低，故障率顯著增加。因此，準確監測換流閥的溫度至關重要，應確保其在最佳性能范圍內運行。

表1 換流閥在不同溫度下的性能

2.3 現有溫度監測方法的問題

目前，換流閥的溫度監測主要依賴于傳統的熱電偶或熱阻式溫度傳感器。這些方法雖然能夠監測溫度，但是存在一些限制。首先，這些傳統方法通常需要與被測物體直接接觸，可能影響測量的準確性，并增加設備磨損[2]。其次，對于大型換流閥而言，這些方法難以實現全面覆蓋，可能導致部分區域的溫度變化未被及時發現。最后，這些方法在數據更新頻率和實時監測能力上存在局限性，無法及時響應溫度變化。

與傳統方法相比，紅外測溫技術提供了非接觸式的溫度監測，能夠實現更大的覆蓋范圍和更高的數據更新頻率。紅外測溫可以快速識別并記錄換流閥表面的溫度分布，有效捕捉局部過熱區域，這對于預防故障和優化維護策略至關重要。此外，紅外測溫技術的非接觸性，減少了其對設備的物理干擾和磨損，有助于延長換流閥的使用壽命。因此，紅外測溫技術在換流閥溫度監測中顯示出巨大的應用潛力，能夠提高電力系統的可靠性和效率。

3 紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的應用

3.1 應用方案設計

紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的有效應用得益于合理的方案設計。在方案設計過程中，選擇適宜的紅外攝像頭和傳感器至關重要。考慮換流閥在電力系統中的重要性，需要保證監測方案能夠全面覆蓋換流閥的每個關鍵部位。這不僅涉及對攝像頭參數的選擇，如分辨率和感應范圍，還涉及攝像頭在空間中的具體布局。攝像頭的布局要充分考慮換流閥的物理尺寸、形狀和所處的環境條件，確保能夠從多個角度捕捉到準確的熱圖像。

在工業環境下，換流閥周圍的環境因素包括溫度、震動、灰塵和濕氣等，影響紅外攝像頭的性能。因此，在設備選擇上，需要著重考慮耐用性和在各種環境下的穩定性。此外，為了提高系統的靈活性和適應性，可以采用模塊化設計，使得系統在未來可以根據需要進行調整或升級。

3.2 技術應用過程

紅外測溫技術的應用是一個包含多個階段的復雜過程。首先，仔細評估換流閥及其周邊環境，確定安裝紅外攝像頭的最佳位置。評估內容不僅包括對空間布局的分析，還包括對潛在干擾因素的識別，如電磁干擾、環境光線變化等。確定安裝位置是確保攝像頭能夠有效捕捉目標區域溫度的關鍵環節[3]。

其次，精密地調試和優化系統。精確調整攝像頭的焦距和角度，確保其可以捕捉到清晰的熱圖像。

最后，進行一系列的功能測試和校準工作，以驗證系統的性能是否符合預期。測試包括設備的硬件性能測試和軟件的數據處理能力驗證。

3.3 數據收集與處理

在換流閥的實時監測中，紅外攝像頭的作用不僅僅是捕捉熱圖像，更重要的是將熱圖像轉換成溫度數據。這些數據能夠實時反映換流閥表面的溫度狀況，為維護人員提供實時反饋。例如，在一個典型的監測周期內，系統會記錄到換流閥表面溫度隨時間的變化趨勢。這種趨勢的監測對于及時識別過熱問題至關重要，有助于預防因溫度異常導致的設備故障。

使用專用的分析軟件處理收集到的數據。分析軟件能夠快速分析大量溫度數據，識別出溫度異常和潛在的故障。它通常具備強大的數據處理能力，能夠生成詳細的報告和圖表，幫助維護人員更好地了解換流閥的運行狀態。此外，軟件還包含預測性維護工具，可以基于歷史數據和實時數據預測未來可能出現的問題。

將紅外測溫技術應用于換流閥溫度監測，能夠為電力系統的運行和維護提供全面、實時且準確的溫度信息。這不僅提高了設備的運行效率和安全性，還有助于降低維護成本，預防因溫度異常導致的故障。

4 案例分析

4.1 具體案例

在針對換流站的紅外測溫監測項目中，選取位于山區的一座重要換流站作為研究對象。該站地理位置特殊，環境溫度變化大，給換流閥的溫度控制帶來了較大挑戰。通過部署紅外測溫系統，實時監測換流閥的運行溫度，并與傳統的接觸式溫度測量方法進行對比。結果顯示，紅外測溫技術能夠更快地反映溫度變化，且無須直接接觸換流閥，有效減少了維護風險和成本。在夏季高溫期間，紅外測溫技術成功預警了數次可能導致設備過熱的情況，為及時調整運行狀態和保護設備安全提供了可靠依據。

4.2 應用成果分析

案例中，紅外測溫技術在換流閥溫度監測方面顯示出了顯著優勢。通過詳細分析紅外測溫裝置收集到的數據，能夠更準確地了解換流閥在不同工作條件下的溫度表現。在高負荷條件下監測特定換流閥的溫度變化，結果如表2 所示。

表2 高負荷條件下換流閥溫度變化

從表2 可以看出，在高負荷運行期間，換流閥的最高溫度逐漸上升，平均溫度也呈現上升趨勢。在2023 年6 月5 日，換流閥的最高溫度達到52 ℃，遠超正常運行的溫度范圍。該溫度峰值出現在15：10，可能是因為日照強度和電網負荷增加。

通過紅外攝像頭采集的數據，可以觀察到換流閥表面某些區域的溫度顯著高于其他區域。這種不均勻的溫度分布提示換流閥可能存在潛在的硬件問題，如散熱不良或內部元件損壞等。這些發現為變電站的維護人員提供了寶貴的信息，通過及時進行有針對性的維護和修復，避免了更嚴重的故障發生。此外，長期的數據分析揭示了溫度變化的季節性模式，有利于維護人員優化季節性維護計劃和冷卻策略[4]。

通過上述分析，可以看到紅外測溫技術在實時監測和預防維護方面具有巨大的潛力。它不僅提高了換流閥的運行可靠性，還有助于減少由溫度異常帶來的停機時間和維護成本。

5 技術改進與展望

5.1 當前技術的局限性

雖然紅外測溫技術在換流閥溫度監測中顯示出顯著優勢，但是也存在一定局限性。首先，紅外測溫設備受環境因素影響較大，如灰塵、濕度和其他阻礙視線等因素可能會影響測量準確性。其次，對于表面具有高反射性的物體，如金屬，紅外測溫設備可能會受到表面反射的影響，導致讀數有偏差。最后，紅外測溫技術主要測量物體表面的溫度，并非內部溫度，一定程度上限制了其在某些場景中的應用。

5.2 改進建議

針對這些局限性，未來可以在如下方面進行技術改進。首先，研發更先進的傳感器，以提升紅外測溫設備對復雜環境和不同材料表面的適應性。例如，開發能夠自動校準和補償環境干擾的智能傳感器。其次，與其他類型的監測設備相結合，如熱電偶傳感器或光學纖維傳感器，以提供更全面的溫度監測功能。最后，利用數據融合技術和人工智能算法，更深入地分析收集到的數據，從而提高預測維護的準確性和效率。

5.3 未來發展趨勢

未來，紅外測溫技術在工業領域中的作用將進一步深入。隨著傳感器技術的進步和應用成本的降低，將有更多工業設施采用紅外測溫技術來提高設備的運行效率和安全性。在智能制造和工業4.0 的背景下，結合物聯網技術的紅外測溫系統將提供更加智能和自動化的監測解決方案。此外，隨著人工智能和機器學習技術的發展，溫度數據的分析和紅外測溫技術的應用將更加高效和精準，從而為預防性維護和資源優化提供強大的支持[5]。

6 結語

深入探討和分析紅外測溫技術在換流閥溫度監測中的應用，突出了該技術在提高電力系統運行穩定性和效率方面的重要作用。通過案例研究，證實了紅外測溫技術在實時監測溫度變化、提前識別潛在故障點以及優化維護計劃上的有效性。盡管存在一些技術和環境的限制，但通過不斷的技術改進和創新，紅外測溫技術有望在未來的工業領域中發揮更大的作用。總體來說，紅外測溫技術在現代工業領域中具有巨大的潛力和重要的價值。