張德文，周建輝，馮延明，王子恒

（1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030；2.國網黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000）

紅外測溫技術在現(xiàn)代工業(yè)中起著至關重要的作用，能夠非接觸地準確測量物體的溫度[1]。模塊化下的多電平換流器[2]作為一種高壓大功率機械設備，成為近幾年多數(shù)在建大型項目中主要拓撲結構器件[3]。然而，由于其復雜的結構和嚴苛的工作環(huán)境，換流器的故障問題常常會給生產運行帶來不可預知的風險和損失?；诖耍娏︻I域內的專家和學者們加大了對模塊化下的多電平換流器故障診斷方面的研究力度。

當前公開的研究成果可概括為以下幾種：文獻[4]針對換流器的子模塊開關器件故障，利用局部離群因子算法，根據(jù)指定橋臂里正常子模塊電容電壓的變化情況，完成故障診斷；文獻[5]為同時診斷出換流器不同相的子模塊故障，結合多分類相關向量機算法，提出多相故障診斷技術；文獻[6]依據(jù)半橋型換流器子模塊故障特征，建立故障診斷依據(jù)，實現(xiàn)故障診斷目標；文獻[7]針對換流器功率模塊故障，基于李雅普諾夫方法設計出標城模型自適應觀測器，根據(jù)各觀測器的殘差曲線，診斷出功率模塊的結構性故障。

現(xiàn)有的文獻方法需要通過添加傳感器以及大量復雜的計算來實現(xiàn)，難以滿足換流器的模塊化發(fā)展需求。尤其是針對熱故障檢測，傳感器配合人工檢測的方法存在明顯的弊端。因此。提出一種基于紅外測溫的模塊化多電平換流器故障自動化診斷技術。

1 模塊化多電平換流器熱故障與溫度的關聯(lián)性分析

1.1 接觸電阻因素的熱故障與溫度關系

在換流器中，接觸電阻是流過的電流與材料之間的接觸導電性能，當接觸電阻存在問題時，會使換流器連接點的接觸阻抗上升，進而導致該位置的溫度升高。通過對接觸電阻故障與溫度之間的關聯(lián)進行分析，可以快速識別出現(xiàn)接觸電阻異常的區(qū)域，并及時采取措施修復，保證設備的正常運行。

換流器結構發(fā)熱一般由電流效應引發(fā)[8-9]。假設導體的質量是m，附加損耗因子后的交流電阻是R，散熱表面積是S，運行溫度和附近介質溫度分別是θ、θ0，比熱容是c，則利用下列熱平衡方程式描述載流導體的持續(xù)升溫過程：

式中：h 為總傳熱因子；I 為導體中流過的負荷電流。

由此推導出下列溫度差Δθc=θ-θ0的計算公式?？梢?，接觸電阻Rj與溫度差Δθc呈正相關性。

式中：接觸電阻Rj≈R 阻值。

根據(jù)先驗知識，若溫度在200℃以內，接觸電阻Rj與運行溫度θ 之間也存在一定關系，即：

式中：α 為接觸電阻的溫度因子；Rj0為溫度為0 時接觸電阻的阻值。

可見，當連接處接觸不良時，接觸電阻Rj增加，發(fā)熱功率增加，導致熱量聚集，進而造成連接處溫度增加。

1.2 電介質因素熱故障與溫度關系

在換流器中，當瓷體擊穿時，彈片因流過強電流而升溫，且在瓷體的封閉空間里無法散熱。因此，溫升的因素均源于發(fā)熱功率[10]。假設短路瞬時電流是Id，導體材料密度是ρ，彈片長與接觸面積分別是L、S′，故利用下列熱平衡方程式描述導體的瞬時發(fā)熱情況：

式中：Kf為額外損耗因子。

從上述方程可見，換流器發(fā)生內部擊穿故障時，彈片溫度隨內部電流的增加而增大，由于導體電阻升高，使溫度進一步升高。

介質損耗包含電導損耗與極化損耗。若電介質的熱力學溫度是T，則電導損耗與溫度的關系由電介質的電導率σ 決定，如式（5）所示：

式中：φ 為σ 的活性化能量；β 為電介質屬性因子；k 為波爾茲曼常數(shù)。

極化損耗與溫度的關系由電介質的介電常數(shù)ε決定，描述式如下：

式中：δ 為介質損耗系數(shù)；ε′為相對介電常數(shù)；θ1、θ2為介質溫度的2 個極值。

2 熱故障的紅外圖像自動化診斷方法

通過上文分析可知，熱故障與溫度存在關聯(lián)性。為提高所采溫度圖像的精準度，根據(jù)普朗克黑體輻射定律[11]，設計出補償環(huán)境溫度的紅外測溫算法，實現(xiàn)換流器紅外測溫。該算法可以通過紅外熱像儀獲取的圖像，計算出換流器的熱力學溫度。假設換流器的表面發(fā)射率是e，紅外輻射通量是M，則通過式（7）計算出換流器的熱力學溫度T′：

式中：γ 為固定系數(shù)，利用式（8）解得：

式中：m′為探測器響應電流Ix與光量子效率η 間關系的常系數(shù)，即Ix＝m′η；j 為探測器光量子效率η 與輸入功率P 間關系的常系數(shù)，即η=jP；s 為探測像元面積。

結合Ix＝m′η、η=jP、探測像元照度與輸入功率的關系，即P=sM，得到下列探測像元輸出電流的計算公式：

在圖像處理中，為了將采集到的紅外熱像儀圖像中的像素灰度轉換為實際溫度，使用圖像像素灰度H∈（0，255）描述輸出響應電流Ix，并根據(jù)向下取整的方式，建立了灰度和換流器溫度之間的線性關系，具體計算公式為

式中：a 為轉換因子；b 為修正因子；λ 為基于標準黑體多次溫度標定工作的線性關系斜率[12]，具體計算公式如下：

式中：n 為標定次數(shù)。

將補償后的換流器灰度與環(huán)境溫度相對應，進一步提高測溫結果的準確性。假設換流器工作的環(huán)境溫度是TE，標準黑體溫度是Th，未補償時的黑體灰度是G′，則通過下列環(huán)境溫度補償公式，得到補償后的換流器灰度G：

結合公式（10），建立基于環(huán)境溫度補償?shù)膿Q流器灰度與溫度關系，換流器的溫度計算公式如下：

通過將換流器的溫度與預設的故障溫度閾值進行比較，如果溫度超過預設閾值，則可以判定為故障。

3 實驗分析

3.1 參數(shù)調試

選用由上海譜盟光電科技有限公司生產的FLIR T860 型高端紅外熱像儀，搭建云臺，佩戴護罩，以在隔水、隔塵、隔陽的環(huán)境下，測量擁有7 個電平的模塊化多電平換流器溫度[13]。故障自動化診斷技術參數(shù)如表1 所示。

表1 故障自動化診斷技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters for automated fault diagnosis

3.2 故障與溫度耦合性試驗

將功率變壓器連接到模塊化多電平換流器，分析設備的電熱耦合性。采用紅外熱像儀采集換流器溫度，同時采用示波器采集變壓器的輸入電壓，分析換流器故障與溫度的耦合性。

利用曲線圖描述最終測得的換流器溫度與電壓，故障與溫度耦合性示意圖與故障檢測結果如圖1 所示。

圖1 故障與溫度耦合檢測圖Fig.1 Schematic diagram of fault and temperature coupling

從圖1 可以看出，電壓波動出現(xiàn)異常后，換流器的溫度隨之持續(xù)升高；而當電壓恢復正常波形時，溫度開始下降。在電壓位于正常運行極值時，換流器溫度保持在正常的范圍內。換流器溫度的變化與電壓異常的出現(xiàn)和恢復密切相關，這表明換流器的故障與溫度存在顯著的耦合性。因此，可以利用電壓和換流器溫度之間的耦合關系作為可靠的故障診斷依據(jù)。

3.3 故障診斷效果檢驗

手動設置幾種常見的故障類型，采集模塊化多電平換流器在現(xiàn)場工作環(huán)境中的運行狀態(tài)相關數(shù)據(jù)。選取故障檢出指數(shù)與故障隔離指數(shù)2 個客觀評估指標，評價所提技術對布設故障的自動化診斷結果。前者為實際的檢出個數(shù)與發(fā)生個數(shù)比值；后者為正確隔離到可更換單元數(shù)的故障個數(shù)與檢出個數(shù)比值。故障診斷可靠度示意圖如圖2 所示。

圖2 故障診斷可靠度示意圖Fig.2 Schematic diagram of fault diagnosis reliability

從圖2 的實驗結果可以看出，該項技術根據(jù)故障與溫度相關性，得到環(huán)境溫度補償?shù)募t外測溫結果，在診斷各類型故障時均具有較高的故障檢出指數(shù)與故障隔離指數(shù)，令7 種常見故障類型的平均檢出指數(shù)與隔離指數(shù)分別高達0.971 和0.953，可靠性顯著。

綜合所有故障類型，根據(jù)展現(xiàn)4 個部分數(shù)值密度的混淆矩陣熱力圖，評估技術的診斷準確度。故障診斷準確度示意圖如圖3 所示。

圖3 故障診斷準確度示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault diagnosis accuracy

由圖3 的實驗結果可見，預測和實際均是正常運行的樣本數(shù)值比高達0.986，預測樣本屬于故障類但實際樣本屬于正常的數(shù)值比僅有0.014，預測樣本屬于正常但實際樣本屬于故障類的數(shù)值比為0.006，預測和實際均屬故障類的樣本數(shù)值比高達0.994。該實驗結果進一步說明，所提技術極大程度減小了誤診概率，具有優(yōu)異的診斷準確度性能。

3.4 故障診斷效率檢驗

不考慮換流器的故障類型，測試技術的故障診斷時間，驗證所提技術的診斷效率。故障診斷效率示意圖如圖4 所示。

圖4 故障診斷效率示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault diagnosis efficiency

由圖4 可知，在多組測試實驗中，最長故障診斷時間低于90 ms，平均診斷時間僅為77.94 ms。此外，有6 組測試結果顯示診斷時間不足80 ms，表明所提技術具有較高的故障診斷效率。

4 結語

為確保模塊化多電平換流器持續(xù)不間斷運行，提出一種基于紅外測溫的模塊化多電平換流器故障自動化診斷技術，通過溫度相關性分析來診斷換流器故障的可行性，使得故障診斷過程更加自動化和高效。通過設計的環(huán)境溫度補償紅外測溫算法，進一步保證了測溫精度和診斷準確性。實驗結果表明，所提技術能夠準確診斷出換流器常見故障類型，并具有優(yōu)異的診斷準確度和高水平的診斷效率。