廖萌　閆盈瑩

摘 要：文章針對現(xiàn)目前紅外熱成像診斷技術(shù)存在的問題，首先歸結(jié)了紅外熱成像技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，通過對紅外熱成像原理和實際物體對外熱輻射的分析，提出了以溫差法為主的測量方法，并設(shè)計了以O(shè)penCV為平臺的故障分析系統(tǒng)用以對高壓電氣設(shè)備進行紅外熱成像，再對其故障進行自動識別與故障分析；實現(xiàn)了對輸變電設(shè)備的在線狀態(tài)檢測，為電力運維人員提供了參考。

關(guān)鍵詞：在線檢測；紅外熱成像；自動識別；故障分析

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0101-02

1 概 述

輸變電設(shè)備不但是電力系統(tǒng)中重要組成部分，而且其安全穩(wěn)定運行也是確保供電可靠性的一個重要因素[1]。長期戶外運行著的輸變電設(shè)備，不僅處于強電磁場和高溫多濕等環(huán)境中，還偶有不可預(yù)估的惡劣天氣出現(xiàn)，這都會導(dǎo)致輸變電設(shè)備本身的絕緣能力降低[2]，從而故障出現(xiàn)的頻率亦隨之急劇增加。電氣設(shè)備通常發(fā)生各種故障的表現(xiàn)形式為整體或者局部異常發(fā)熱，比如設(shè)備絕緣性能的劣化或者絕緣故障所導(dǎo)致的介質(zhì)損耗的增大而引起了發(fā)熱、接頭的接觸不良引起局部過熱以及設(shè)備的漏電漏磁引起發(fā)熱現(xiàn)象等[3-4]。為了能降低設(shè)備故障的發(fā)生概率，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性，一種有效、安全、可靠的帶電監(jiān)測系統(tǒng)是目前電力系統(tǒng)運行著的輸變電設(shè)備所最為急迫地需要著的[5]。

基于紅外熱成像原理的電氣設(shè)備監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)中被越來越多的電力工作人員接受并應(yīng)用了起來，其不僅可以對正運行中的電氣設(shè)備進行不停電的檢測，還可以對其缺陷和隱患及時發(fā)現(xiàn)。并且該紅外熱成像技術(shù)是對設(shè)備的內(nèi)部輻射紅外光線所進行的非接觸、遠距離的熱成像檢測，不受電場干擾，目前大多數(shù)都是以人工的方式在對變電設(shè)備紅外圖像進行著分析以及熱故障的診斷，但此方法的效率較低，而且其自動化程度不高，需要花費較多的時間和精力，還容易出錯。

2 國內(nèi)外紅外診斷技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用要追溯都上世紀50年代，當(dāng)時瑞典電網(wǎng)使用紅外熱成像技術(shù)對輸電線路的設(shè)備接頭進行檢測，由于技術(shù)不成熟，設(shè)備落后，導(dǎo)致無法準確測到設(shè)備接頭的溫度；英國、比利時、巴西等國家也在電力系統(tǒng)中相繼應(yīng)用了紅外診斷技術(shù)。

我國將紅外診斷技術(shù)運用于檢測輸變電設(shè)備始于1970年，當(dāng)時利用國內(nèi)生產(chǎn)的紅外測溫儀對室外電氣設(shè)備接頭進行測量；近十年，研究人員對設(shè)備的近端電流回路和設(shè)備的絕緣性能進行模擬實驗，再通過以往處理各種發(fā)熱故障事故的經(jīng)驗，建立了一套針對不同發(fā)熱故障對應(yīng)的紅外熱圖像系統(tǒng)。但這一系統(tǒng)僅僅是從定性上進行了診斷，而不能對電氣設(shè)備的運行狀況進行定量的分析。因此，本文提出了基于相對溫差法的紅外熱成像故障分析系統(tǒng)。

3 輸變電設(shè)備紅外檢測的基本原理

紅外熱成像技術(shù)是綜合了紅外診斷技術(shù)和導(dǎo)熱反問題，用以對輸變電高壓設(shè)備的內(nèi)部絕緣能力采取的定量分析診斷。其主要內(nèi)容是通過紅外熱像儀測量設(shè)備表面的溫度數(shù)據(jù)，然后求解出導(dǎo)熱反問題的一個必要性邊界條件，最后對逆問題進行計算就可檢測出設(shè)備內(nèi)部是否有缺陷。

3.1 紅外輻射

所謂紅外輻射是自然界中所有物體都存在的一種紅外電磁波輻射現(xiàn)象，伴隨著電磁波的輻射，有一定量的紅外熱能損耗，這部分輻射的紅外熱的大小能可以利用物體表面的溫度來度量。

相對溫差是指兩個測量點的溫度之差和兩個點中重較熱一個點的溫升之比的百分數(shù)：

ε=■×100%=■×100%

=■×100%（1）

其中，T1和δ1分別為溫度（K）和發(fā)熱點的溫升（K）；

T2和δ2分別為溫度（K）和正常時候相對應(yīng)點溫升（K）；

T0表示環(huán)境參照體溫度；

τ表示相對溫差。

引入相對溫差這個參量是可以在電流大小相同時，通過比較設(shè)備的相對溫差值變化，就可分析設(shè)備發(fā)熱狀況。

3.2 紅外輻射定律

在研究紅外熱輻射與紅外線波長的關(guān)系中常利用四個熱定律：普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和朗伯余弦定律。由于輸變電設(shè)備所處的變電站中，強電磁場和各種信號電磁波分布比較復(fù)雜，因此將選定與電磁場輻射無關(guān)的普朗克輻射定律：

黑體的絕對溫度T（K），其單位表面積向外輻射的功率Mλb（λ，T）與溫度T、波長λ滿足下列關(guān)系：

Mλb（λ，T）=C1λ-5[exp（C2/λT）-1]-1（2）

式中，C1是第一輻射常數(shù)；

C2是第二輻射常數(shù)。

從上式可知，把不同的溫度值代入式（2）中就可以得到各種溫度下物體對外輻射的紅外熱能。

3.3 實際物體的紅外熱輻射

根據(jù)普朗克輻射定律可知物體對外輻射紅外熱的強弱，只與物體的溫度和波長有關(guān)系，針對實際物體，由于能量的損失，所有物體在對外輻射或者吸收能量的值都低于同等情況下黑體的輻射量，輻射值不僅由溫度和波長決定，而且與此物體的材料及其形狀有關(guān)。為了更準確的描述實際物體的對外輻射強弱，定義了一個參量為輻射系數(shù)，也可稱為比輻射率，此系數(shù)僅與波長、溫度有關(guān)。

4 紅外熱成像故障診斷方法與系統(tǒng)

4.1 相對溫差法判斷方法

在對輸變電設(shè)備進行紅外成像識別及故障診斷過程中，由于設(shè)備常常處在各種不同的復(fù)雜環(huán)境中，并且負荷電流對不同設(shè)備發(fā)熱部位的影響不盡相同。

因此，為提高紅外熱成像識別和故障診斷的精度，針對不同情況，有六種判斷方法：表面溫度判斷法、相間互比判別法、同相比較判別法、相對溫差判斷法、檔案分析法和熱像特征（特征圖譜）判別法。

本文重點研究由電流過大而致熱的設(shè)備紅外熱成像技術(shù)，因此將采用溫差判斷法來對電流致熱型設(shè)備進行分析，采用此方法的優(yōu)點是可減少由小負荷自身缺陷引起的漏判。

相對溫差法是通過檢測兩臺設(shè)備的兩個對應(yīng)觀測點之間的溫度差與兩者中較熱點的溫升之比的百分數(shù)。測到異常點的發(fā)熱溫度T1、正常相對應(yīng)點的溫度T2、以及環(huán)境溫度參照體的溫度T0，即可計算出該異常點的相對溫差，從而通過相對溫差值，并結(jié)合發(fā)熱點溫度，以此為依據(jù)診斷電流致熱型設(shè)備的缺陷，并進一步查找出該輸變電設(shè)備的所存在的缺陷問題。

4.2 OpenCV平臺

為了能準確、快速、可靠的判斷出輸變電設(shè)備有無因發(fā)熱引起的故障，設(shè)計了一個基于開源發(fā)行的跨平臺數(shù)據(jù)庫（OpenCV）。OpenCV數(shù)據(jù)庫中有非常全面的紅外熱圖像處理庫，可以為多種程序語言如C、C++、Matlab等，提供圖像處理和計算機通用算法的交互[15]。

除了在語言交互方面，OpenCV還為Intel的Integrated performance primitives（IPP）提供了相應(yīng)的連接點，也就是如果當(dāng)要為特定處理器進行優(yōu)化的IPP庫時， OpenCV將在運行時自動加載這些庫。

4.3 軟件設(shè)計

利用OpenCV平臺對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計開發(fā)。設(shè)計的系統(tǒng)具有直觀、操作簡便、靈活、方便等優(yōu)勢。設(shè)計的系統(tǒng)分為六大功能模塊，圖像管理模塊，功能是進行圖像數(shù)據(jù)的讀取、保存、拷貝和退出等；人機界面模塊，主要是電力工作人員與計算機的交互界面，其界面具有友好，操作簡便等優(yōu)點；圖像預(yù)處理模塊，該處理模塊將進行被測設(shè)備的圖像的濾波、灰度處理、圖像分辨率增強和邊緣修整；圖像識別模塊，將對設(shè)備的類型，型號進行分析，使方位拍攝圖像能自動識別，進而進行下一步工作；故障診斷模塊，根據(jù)圖像前期處理結(jié)果與專家系統(tǒng)庫中進行比對，獲得故障類型；幫助文件模塊，此模塊主要是軟件系統(tǒng)的介紹、軟件的使用幫助、圖像處理操作幫助等幫助理論。

該系統(tǒng)對輸變電設(shè)備熱故障的影響及其受損程度進行分類，可分為一般熱故障、嚴重?zé)峁收虾臀ｋU熱故障三個等級，根據(jù)電力故障應(yīng)急措施對這三種等級的事故采取對應(yīng)的處理辦法。對設(shè)備采取熱故障診斷的根據(jù)是基于OpenCV平臺的紅外熱成像故障系統(tǒng)判斷被測設(shè)備有無發(fā)生故障，當(dāng)判斷發(fā)生故障時，確定其故障等級，如是一般熱故障，系統(tǒng)就發(fā)出告警信號，引起電力工作人員的注意，并尋機處理；當(dāng)判斷為嚴重?zé)峁收蠒r，系統(tǒng)將加強監(jiān)視力度，并安排電力人員及時處理；當(dāng)判斷為危險熱故障時，系統(tǒng)給出相應(yīng)的處理方案。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)目前利用紅外熱成像技術(shù)進行輸變電設(shè)備的故障分析診斷的缺陷和不足，本文首先對紅外熱成像技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)；再對紅外熱輻射的基本原理和實際物體的紅外熱輻射進行了定量闡述，確定了以相對溫差法判斷法為主體的研究辦法，并設(shè)計了基于OpenCV平臺的故障分析系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)不僅解決了現(xiàn)目前紅外熱成像技術(shù)的問題，還大大提高了測量的精度。

參考文獻：

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