基于熱成像技術的110 kV電力設備安裝質量監測研究

摘 要：【目的】通過熱成像技術提高110 kV電力設備的安裝質量，以保障電網穩定性和安全性。熱成像技術通過紅外攝像設備捕捉設備表面的熱輻射，無接觸地監測和分析設備溫度分布，實時識別因安裝不當或設備缺陷引起的異常熱點，預防潛在的設備故障。【方法】首先，確定監測的具體范圍和關鍵監測點，制定詳細的監測方案。其次，通過紅外攝像設備收集電力設備在不同運行狀態下的熱圖像，并用專業軟件進行數據分析，識別出異常熱點。【結果】在實驗過程中，通過熱成像技術成功識別出多個因安裝不當引起的異常熱點，證明該熱成像監測方案在電力設備的識別、診斷和預警中具有一定的應用價值。【結論】熱成像技術在110 kV電力設備的安裝質量監測中表現出高效、準確的性能，可為電力系統的維護提供科學依據和技術支持。

關鍵詞：熱成像技術；110 kV電力設備；安裝質量監測

中圖分類號：TM63" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）04-0005-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.001

Research on Installation Quality Monitoring of 110 kV Power

Equipment Based on Thermal Imaging Technology

WANG Bao

（Jiangsu Fangyang Energy Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222000，China）

Abstract： [Purposes] This study aims to improve the installation quality monitoring of 110kV power equipment through thermal imaging technology， so as to ensure the stable operation and safety of the power grid. Thermal imaging technology captures the thermal radiation on the surface of the equipment through infrared camera equipment， and monitors and analyzes the temperature distribution of the equipment without contact， aiming to identify abnormal hot spots caused by improper installation or equipment defects in real time， so as to prevent potential equipment failure. [Methods] First， the specific monitoring scope and key monitoring points were determined， and a detailed monitoring scheme was developed. Subsequently， the thermal image of the power equipment under different operating states is collected through the infrared camera equipment， and the data analysis is conducted with professional software to identify the abnormal hot spots. [Findings] In the experiment， several hot spot anomalies caused by improper installation were successfully identified by thermal imaging technology， and then the application value of this technology in the early warning and diagnosis of electric power equipment was verified. [Conclusions] Thermal imaging technology shows high efficiency and accurate performance in the installation quality monitoring of 110kV power equipment， which can provide scientific basis and technical support for the maintenance of power system.

Keywords：thermal imaging technology; 110 kV electric power equipment; installation quality monitoring

0 引言

在現代電力系統構建與運維中，110 kV級別的電力設備起著樞紐作用，其性能的可靠將直接關系到整個電網的穩定性和安全性。傳統的電力設備安裝質量監測手段多為物理接觸式測量和目視檢查，在實際應用中，因其操作復雜度高、時效性低，難以滿足快速發展的電力行業需求。而熱成像技術作為一種先進的紅外監測手段，可以非接觸地動態捕捉設備運行狀態下的熱分布圖像，為110 kV電力設備安裝質量監測提供新的解決方案。

1 熱成像技術工作原理

熱成像技術作為一種基于紅外輻射原理的非接觸式監測方法，對110 kV電力設備安裝質量監測具有重要的應用價值。該技術利用紅外熱像儀捕捉并記錄設備在運行狀態下發出的紅外輻射，進而轉換為溫度值和熱圖像。熱圖像能顯示設備表面溫度分布，使監測人員可以直觀地觀察到可能存在的熱異常區域，而異常通常是安裝缺陷、接觸不良或其他故障的前兆［1］。紅外熱像儀的核心組件是探測器，通常由硅基或砷化鎵材料制成，能感應特定波長范圍內的紅外輻射，而輻射則隨物體溫度變化而變化。設備表面溫度升高會引起紅外輻射強度增加，紅外熱像儀通過探測這種輻射變化，利用內置的算法轉換成對應的溫度值。熱成像技術在處理熱圖像時應用復雜的圖像處理技術（如邊緣檢測和溫度梯度分析），可準確識別和定位設備表面的熱異常區域，從而為設備的維護提供決策依據。熱成像技術的工作原理如圖1所示。

2 基于熱成像技術的110 kV電力設備安裝質量監測設計

2.1 監測對象及范圍

在110 kV電力設備安裝質量監測體系中，監測對象及范圍的明確劃定對確保系統全面性和高效性至關重要。主要監測對象為變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器及電纜接頭等關鍵電力設備。上述設備在110 kV電網中具有重要的電氣性能和機械連接要求，任何安裝缺陷或性能異常都可能出現局部過熱、絕緣破壞或電弧放電等現象。熱成像技術通過對設備外表的溫度分布進行實時監測，識別溫度異常區域，尤其是在局部溫升超出預期工作范圍時及時預警。其中，變壓器正常運行溫度為50～70 ℃，若檢測到油箱或繞組溫度超過80 ℃，表明散熱系統可能存在缺陷或內部出現故障。

2.2 監測方案設計

在110 kV電力設備安裝質量監測體系中，監測方案設計的合理性和精確性將直接影響監測系統的有效性和可靠性。首先，確定關鍵監測節點位置，包括變壓器、高壓斷路器、隔離開關、電流互感器和電纜接頭等重要設備的熱成像監測點。其次，為保證數據的完整性與準確性，要在每個設備的關鍵熱源位置部署高靈敏紅外熱成像設備。建議選擇分辨率為640 px×480 px、熱敏感度不低于0.05 ℃的紅外熱像儀，確保對細微溫度變化的精準捕捉。最后，在監測過程中，應重點關注變壓器油箱和繞組的熱點，其正常運行溫度應控制在60～80 ℃，若溫度升高到90 ℃以上，則要發出預警信號。

2.3 數據分析算法優化

在110 kV電力設備安裝質量監測中，熱成像數據的分析處理至關重要，對數據分析算法優化能顯著提高監測精度和對故障預測的可靠性。針對熱成像圖像中設備表面的溫度分布，優化后的算法需要對溫度異常現象進行精準識別和趨勢分析，特別是在不同環境溫度和負載條件下，如何消除干擾并準確定位熱點區域是算法優化的關鍵之一［2］。為此，引入基于多維溫度梯度分析算法，結合空間插值技術與時間序列分析，動態調整設備溫度閾值，并對溫度變化率進行建模和分析。優化算法的核心見式（1）。

[Tanomaly=Tmean+k?σ]" "（1）

式中：[Tanomaly]為異常溫度閾值；[Tmean]為設備表面溫度的平均值；[σ]為溫度分布的標準差；[k]為系數，用以控制溫度異常的敏感度。

通過式（1），系統能根據設備表面溫度的動態變化情況自動調整預警閾值，避免因環境溫度變化或設備正常負荷波動而導致誤報。優化后的算法還結合了基于神經網絡的故障分類模型，利用大量歷史數據訓練模型，提高對不同類型設備故障（如接觸不良、絕緣損壞）識別的準確度。神經網絡通過多層權重優化，使算法能自適應不同設備的運行狀態，最大程度減少溫度異常的誤檢率［3］。

2.4 熱成像設備硬件改進

在110 kV電力設備安裝質量監測中，熱成像設備硬件性能直接決定監測的精度和可靠性。因此，對熱成像設備硬件進行改進尤為重要。為提升設備的空間分辨率和溫度敏感度，可采用高性能探測器材料，并優化光學設計。引入基于量子阱紅外探測（QWIP）技術的探測器，提高對長波紅外輻射的響應速度，使熱成像設備的分辨率從320 px×240 px提高至640 px×480 px，進一步增強對110 kV設備復雜表面熱分布的細節捕捉能力。與此同時，改進后的設備能在較寬的溫度范圍內（-20～650 ℃）進行精準測量，確保高溫設備表面異常的溫度變化不會被忽略［4］。為進一步提高設備溫度測量精度，改進后的熱成像設備采用主動式溫度補償技術，結合環境溫度參數對紅外信號進行實時校正。溫度補償計算見式（2）。

[Tcorrected=Tmeasured+α（Tambient-T0）]" （2）

式中：[Tcorrected]為校正后的真實溫度；[Tmeasured]為直接測得的溫度值；[Tambient]為環境溫度；[T0]為參考溫度；[α]為補償系數。

式（2）通過對環境溫度與設備表面溫度的差異進行動態調整，確保在不同氣候條件下設備的監測精度保持在±1 ℃以內。此外，光學系統改進也至關重要，升級后的熱成像設備采用高透過率的鍺平凸透鏡，極大減少紅外信號的損耗，在確保高靈敏度的同時，提升成像清晰度。通過以上的硬件改進，熱成像設備的檢測精度顯著提高，能精確捕捉110 kV電力設備安裝過程中的細微溫度變化，為設備故障早期預警提供更有力的數據支持，顯著提升系統整體的安全性和可靠性［5］。

3 實驗測試

3.1 實驗準備

實驗場地一般選取具備真實110 kV電壓等級的實驗室或變電站現場，確保能模擬設備實際運行環境中的溫度、負載、和氣候條件。實驗中選用的熱成像設備為分辨率為640 px×480 px、溫度靈敏度為0.05 ℃的紅外熱像儀，測量溫度范圍為-20～650 ℃，確保對高壓設備各個關鍵部位的精確監測。在實驗準備過程中，需要對所監測的設備進行全面的前期檢查，確保變壓器、斷路器、隔離開關等設備處于正常運行狀態。為獲得穩定的實驗數據，監測點的選取尤為關鍵，通常將熱成像設備安裝在距離設備1.5～2.0 m的位置，確保監測涵蓋設備的所有關鍵發熱部位，如變壓器油箱、繞組和斷路器接觸點等。為保證數據的穩定性，實驗設置的采樣頻率為1 Hz，持續監測時間為72 h，觀察設備在不同負載和環境溫度條件下的溫度變化規律。此外，還要對外界環境因素進行嚴格控制，實驗場地的環境溫度設定在23～27 ℃、濕度控制在45%～55%，確保外界條件不會對熱成像結果產生顯著干擾。同時，實驗準備還包括數據采集和處理系統的調試工作，確保熱成像設備與數據處理系統之間的數據傳輸速率為100 Mbps，以支持大規模圖像和溫度數據的實時傳輸和存儲。

3.2 實驗結果

實驗集中監測變壓器、斷路器、隔離開關等關鍵設備連續運行72 h內的溫度波動情況。通過高精度的紅外熱像儀收集數據，監測設備關鍵部位的溫度，包括接觸點、繞組、油箱等。結果顯示，絕大多數設備的溫度維持在正常運行范圍內（實驗設置的溫度閾值為-10～85 ℃），其中，變壓器油箱平均溫度為60 ℃，斷路器接觸點的平均溫度為55 ℃，隔離開關的平均溫度為50 ℃。在對異常溫度數據細致分析后發現，部分變壓器在高負載情況下出現溫度接近閾值上限的情況，最高記錄溫度為82 ℃，超出正常運行的期望溫度范圍，這可能是因為絕緣材料老化或散熱不足導致的。此外，一個隔離開關在監測期間的溫度異常上升至78 ℃，進一步檢查后，確認為安裝誤差導致的接觸不良。部分關鍵設備的溫度監測數據見表1，包括設備類型、監測部位、平均溫度、最高溫度及可能的異常原因。

實驗結果證明了基于熱成像技術的監測系統在識別和預測110 kV電力設備潛在故障方面的有效性，并指明了監測設備自身精度和反應閾值設定的優化方向，這將進一步增強未來監測方案的預警能力和實際應用價值。

4 結語

綜上所述，通過將熱成像技術應用于110 kV電力設備的安裝質量監測上，不僅能提高監測工作的效率和準確性，而且能為電力設備的運維管理提供科學的數據支持，降低設備故障率，延長設備的服務壽命，進而增強電網系統的穩定性和經濟運行效率。系統化的熱成像監測還可以幫助電力設備管理者優化維護策略和預算分配，為電力系統的可持續發展提供保障。因此，熱成像技術在電力設備安裝質量監測領域的研究與應用，不僅具有重要的理論價值，而且更具備顯著的工程應用前景和社會經濟效益，是當前電力設備發展的一個重要趨勢。

參考文獻：

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