摘 要：研究基于紅外測溫技術(shù)的電能表電流采樣回路失流故障分析方法，保證電能表安全運(yùn)行。構(gòu)建電壓火線斷線故障與電流采樣回路故障模型，分析電能表電流采樣回路失流故障原因，以此為基礎(chǔ)，利用紅外熱成像原理采集電能表電流采樣回路、大氣以及周圍物體的輻射能量，生成展現(xiàn)電能表電流采樣回路溫度的二維紅外圖像，為后續(xù)電能表電流采樣回路失流故障定位提供圖像信息；采用灰度差異加成法處理多層級紅外二維圖像，結(jié)合插值算法組建三維圖像，依據(jù)三維圖像中電能表電流采樣回路與周圍狀態(tài)的輕微差異定位失流故障位置。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電能表電流采樣回路的溫度，直觀發(fā)現(xiàn)問題，可靠且準(zhǔn)確地定位電能表電流采樣回路失流故障位置。

關(guān)鍵詞：紅外測溫技術(shù)；電能表；電流采樣回路；失流故障分析；火線斷線故障；輻射能量

中圖分類號：ＴＭ９３０ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０６－１５３６－０７

０ 引言

電能表不斷朝著智能化與現(xiàn)代化方向發(fā)展，人們對于電能表運(yùn)行要求更高，并且現(xiàn)階段電能表故障率逐漸增加，檢查故障所需時(shí)間也越來越長，致使經(jīng)濟(jì)損失大幅度上升［１－２］。為確保電能表能夠安全且可靠地運(yùn)行，國內(nèi)外研究學(xué)者對于電能表故障分析方法提出更高的要求。

南東亮等［３］為解決人工無法及時(shí)排查故障的問題，通過多維Ｈａｕｓｄｏｒｆｆ 距離算法（豪斯多夫距離算法）對電能表電流采樣回路失流故障進(jìn)行檢測，基于采樣數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，并結(jié)合電能表電流采樣回路特征變化的有序性，檢測出電能表電流采樣回路失流故障，該方法能夠提高故障分析的準(zhǔn)確性，但無法直觀觀測到電能表電流采樣回路失流故障位置，不能定位其故障點(diǎn)。陳志文等［４］為提高定位電能表電流采樣回路失流故障的準(zhǔn)確性，運(yùn)用基于特征相關(guān)性方法完成故障診斷，通過計(jì)算故障之間的關(guān)聯(lián)性，以提高故障診斷速度，并提出殘差方向的故障隔離方法，準(zhǔn)確定位到電能表電流采樣回路失流故障位置，該方法故障診斷速度較快、定位準(zhǔn)確性高，但仍需人工現(xiàn)場配合進(jìn)行檢測，導(dǎo)致人工成本較大，且故障引發(fā)的危險(xiǎn)會威脅工作人員安全。葉日新等［５］提出基于紅外測溫技術(shù)的±５００ ｋＶ 換流站平波電抗器套管缺陷診斷分析與處理，通過非接觸式測溫、快速高效和實(shí)時(shí)監(jiān)測。然而，該技術(shù)可能存在精度受影響、無法深入診斷和設(shè)備成本較高等缺點(diǎn)。同樣，紅外精確測溫技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用也有類似的優(yōu)缺點(diǎn)，但具體情況應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和設(shè)備類型綜合評估。李騰飛［６］提出紅外精確測溫技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用，具有非接觸、快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測和大范圍測溫的優(yōu)點(diǎn)，可以提高操作的安全性，節(jié)省時(shí)間和人力成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并覆蓋多個(gè)設(shè)備或大面積設(shè)備表面溫度的變化。然而，該技術(shù)的測溫精度受限，無法深入診斷內(nèi)部故障，且在某些特殊設(shè)備或場景下可能存在適應(yīng)性問題。

紅外測溫技術(shù)是近些年對電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障檢測的新興技術(shù)，可在線監(jiān)測電氣設(shè)備。在不耽誤電氣設(shè)備正常工作情況下，能夠準(zhǔn)確且安全高效地實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備故障診斷。

本文研究基于紅外測溫技術(shù)的電能表電流采樣回路失流故障分析，使電能表電流采樣回路的溫度信息可視化，可以直觀、精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)失流故障點(diǎn)并準(zhǔn)確定位故障位置。

１ 紅外測溫技術(shù)分析電能表電流采樣回路失流故障

基于紅外測溫技術(shù)分析電能表電流采樣回路失流故障，需先構(gòu)建電壓火線斷線故障與電流采樣回路故障模型，分析電能表電流采樣回路失流故障的原因，然后基于紅外熱像原理的獲取回路溫度采樣，最終采用多層級二維紅外測溫圖像的插值算法獲得電能表電流采樣回路的三維熱力圖像，從三維熱力圖像中找到電能表電流采樣回路異常位置，實(shí)現(xiàn)電能表電流采樣回路失流故障分析。

１． １ 電能表電流采樣回路失流故障原因分析

在電能表的電流采樣回路中，錳銅分流器上焊接的電壓火線和電流采樣線容易出現(xiàn)線路老化和焊接不堅(jiān)固等問題。若發(fā)生斷線故障或者焊點(diǎn)脫落，會導(dǎo)致電能表電流采樣回路失流故障，從而使得電能表的計(jì)量電量出現(xiàn)異常。為了提供后續(xù)電能表電流采樣回路失流故障的檢測基礎(chǔ)，需要構(gòu)建電壓火線斷線故障和電流采樣回路故障模型［７－８］，并分析失流故障的原因。紅外測溫技術(shù)可以作為一種非接觸式的測溫手段，用于監(jiān)測電能表電流采樣回路中的溫度變化。通過在電流采樣回路中安置紅外測溫設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接點(diǎn)附近的溫度，以及早發(fā)現(xiàn)溫度異常、線路老化或者焊接不穩(wěn)定等問題。當(dāng)紅外測溫設(shè)備檢測到異常溫度變化時(shí)，可以及時(shí)預(yù)警和采取相應(yīng)的修復(fù)措施，從而避免或減少電能表電流采樣回路失流故障的發(fā)生。因此，結(jié)合紅外測溫技術(shù)與表電流采樣回路的失流故障及其檢測，可以提高電能表的可靠性和正常計(jì)量電量的準(zhǔn)確性，并為日后的維護(hù)和故障排除提供便利。

１． １． １ 電能表電壓火線斷線故障模型

若電能表電壓火線出現(xiàn)斷線故障，電能表計(jì)電源線會由電流表的電流采樣通道代替，在此情況下電能表計(jì)仍正常運(yùn)作，電能表計(jì)電流采樣電路原理如圖１ 所示。

圖１ 中，Ｌ 代表輸電線路的火線，Ｎ 代表輸電線路零線，Ｒ０ 代表電能表的錳銅電阻，Ｒ１ 、Ｒ２ 均代表隔離電阻，Ｃ１ 、Ｃ２ 均代表濾波電容，Ｚｐ、Ｚｎ 均代表電能表中采樣通道對地等效阻抗。電能表計(jì)電源電流由Ｉ０ 描述，經(jīng)過支路１、支路２ 的電流由Ｉ１ 、Ｉ２ 描述，Ｖｐ、Ｖｎ 作為計(jì)量芯片中電流與電壓采樣通道的輸入量，以此采樣計(jì)算差分信號：

Ｖｐ － Ｖｎ ＝ （Ｒ０ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ２ ）－ Ｚ２（Ｚ１ ＋ Ｒ１ ）／Ｒ０ ＋ Ｒ１ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ１ ＋ Ｚ２， （１）

式中：Ｚ１ 、Ｚ２ 分別表示支路１、支路２ 的對地等效阻抗。Ｖｐ、Ｖｎ 的具體計(jì)算如下：

Ｖｐ ＝ Ｚ１ Ｉ１ ＝ Ｉ０ Ｚ１（Ｒ０ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ２／Ｒ０ ＋ Ｒ１ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ１ ＋ Ｚ２）， （２）

Ｖｎ ＝ Ｚ２ Ｉ２ ＝ Ｉ０ Ｚ２（Ｒ１ ＋ Ｚ１／Ｒ０ ＋ Ｒ１ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ１ ＋ Ｚ２）。（３）

在電能表的實(shí)際運(yùn)作中，Ｒ０ 一般為１００ ～３００ μΩ，通常忽略不計(jì)。但是濾波電阻、電能表中采樣通道對地等效阻抗與電容均有離散性，導(dǎo)致：

Ｚ１（Ｒ０ ＋ Ｒ２ ＋ Ｚ２ ）－ Ｚ２（Ｚ１ ＋ Ｒ１ ）≠ ０， （４）

即：

Ｖｐ ≠ Ｖｎ 。（５）

此情況下，負(fù)載電流仍存在于電能表計(jì)電流采樣通道中，能夠正常累計(jì)電量［９－１１］。

綜上所述，電能表電壓火線出現(xiàn)斷線故障時(shí)，因?yàn)椴罘州斎腚娐纷杩共幌嗟?，引發(fā)電能表電流采樣回路異常故障故障。

１． １． ２ 電能表電流采樣回路故障模型

若電能表電流采樣線出現(xiàn)故障，會打破電流采樣的差分模式，電能表信號線其中一端不與其他線路連接，另一端正常與電壓線并聯(lián)［１２］。電能表電流采樣電路模型如圖２ 所示。

因?yàn)殡娔鼙黼妷壕€ａ、ｂ 中有ｍ 級阻抗，所以當(dāng)電源電流經(jīng)過電壓線ａ、ｂ 時(shí)，出現(xiàn)電壓稍微降低的情況，與其并聯(lián)的電流采樣通道也會出現(xiàn)同樣狀況［１３－１５］。將電壓降低的差值設(shè)為Δｕ，則采樣差分信號的計(jì)算公式為：

Ｖｐ － Ｖｎ ＝ － Δｕ （Ｚ２／Ｒ０ － Ｒ２ ＋ Ｚ２）。（６）

電能表的計(jì)量芯片會收集到干擾信號，等同于負(fù)載電流存在于電能表計(jì)電流回路中，引發(fā)電能表計(jì)量異常［１６］。

通過電壓火線斷線故障與電流采樣回路故障模型能夠分析電能表電流采樣回路失流故障的原因，將其作為基于紅外測溫技術(shù)的電能表電流采樣回路失流故障分析的理論基礎(chǔ)。

１． ２ 基于紅外熱像原理的采樣回路溫度采樣

根據(jù)上述電能表電流采樣回路失流故障模型得知故障原因，在此基礎(chǔ)上采用紅外熱成像原理對電能表電流采樣回路進(jìn)行溫度采樣，獲取其表面輻射量，生成二維溫度圖像，為后續(xù)故障診斷提供圖像信息。

紅外熱成像根據(jù)電能表電流采樣回路的表面輻射獲取其溫度圖像［１７－１９］。大氣的輻射能量Ｗａ、電能表電流采樣回路的輻射能量Ｗｔ 以及周圍物體的輻射能量Ｗｒ 之和即為熱像儀感受到的總能量Ｗ：

Ｗ（λ，Ｔ） ＝ Ｗａ（λ，Ｔ）＋ Ｗｒ（λ，Ｔ）＋ Ｗｔ（λ，Ｔ）， （７）

式中：Ｔ 表示溫度，λ 表示輻射量。電能表電流采樣回路表面的實(shí)際輻射亮度為：

Ｌλ ＝ ρλ Ｌｂλ（Ｔｕ ）＋ ελ Ｌｂλ（Ｔ０ ） ＝ （１ － αλ ）Ｌｂλ（Ｔｕ ）＋ ελ Ｌｂλ（Ｔ０ ）， （８）

式中：Ｔ０ 表示電能表電流采樣回路表面溫度，Ｔｕ 表示周圍環(huán)境溫度，Ｌｂλ（Ｔ０ ）、Ｌｂλ（Ｔｕ ）為二者對應(yīng)輻射亮度；ελ 、ρλ 、αλ 表示表面輻射發(fā)射率、反射率以及吸收率。

紅外熱像儀所接收到電能表電流采樣回路的輻射亮度為：

Ｅ λ ＝ ［εαλ Ｌｂλ（Ｔα ）＋ ταλ ελ Ｌｂλ（Ｔ０ ）＋ταλ（１ － αλ ）Ｌｂλ（Ｔｕ ）］Ａ０ ｄ－２ ， （９）

式中：εαλ 、ταλ 分別表示大氣的發(fā)射率與光譜透射率，Ｔα 表示溫度吸收量，Ａ０ 表示紅外熱像儀最小空間張角內(nèi)電能表電流采樣回路的采集面積，ｄ 表示電能表電流采樣回路和紅外熱像儀之間的距離。

紅外熱像儀所接收到電能表電流采樣回路的輻射功率為：

Ｐλ ＝ ＡＲ × Ｅλ ， （１０）

式中：ＡＲ 表示紅外熱像儀透鏡的面積。

綜上即可通過紅外熱像儀獲得電能表電流采樣回路的紅外圖像，為后續(xù)電能表電流采樣回路失流故障分析提供基礎(chǔ)圖像信息［２０］。

１． ３ 多層級二維紅外測溫圖像的插值算法

在紅外熱像原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多層級二維紅外測溫圖像的插值算法定位電能表電流采樣回路失流故障位置，具體步驟為：

① 采用紅外熱像儀獲取電能表電流采樣回路的所有端子接點(diǎn)的二維紅外圖像，每個(gè)位置９ 張二維紅外圖像。

② 采用高斯濾波對電能表電流采樣回路中所有端子接點(diǎn)的二維紅外圖像進(jìn)行降噪處理。

③ 對電能表電流采樣回路的多層級二維圖像通過灰度差異加成法進(jìn)行處理，結(jié)合插值算法組建三維圖像，依據(jù)三維圖像中電能表電流采樣回路與周圍狀態(tài)的輕微差異定位失流故障位置。

多層級二維紅外測溫圖像的插值算法中存在多個(gè)分層，將每個(gè)二維圖像均作為單獨(dú)的層級。盡管拍攝電能表電流采樣回路的二維紅外測溫圖像的位置一定，但是由于拍攝時(shí)間與采樣頻率的變化，致使２ 張連續(xù)拍攝的二維圖像中像素點(diǎn)以及采集的溫度值都不同。電能表電流采樣回路失流故障剛發(fā)生時(shí)，其故障位置發(fā)熱現(xiàn)象雖不明顯，但各層級中故障位置的像素點(diǎn)與周圍像素點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，可以通過在２ 個(gè)層級之間插入一個(gè)新的二維溫度數(shù)值，生成紅外三維圖像以發(fā)現(xiàn)電流采樣回路失流故障位置。多層級二維插值法示意如圖３ 所示。

圖３ 中，第ｋ 層與第ｋ＋１ 層代表電能表電流采樣回路的初始二維紅外圖像，各層級中網(wǎng)格點(diǎn)為像素點(diǎn)，當(dāng)?shù)冢?層與第ｋ＋１ 層圖像中坐標(biāo)灰度過高時(shí)，無法展現(xiàn)２ 個(gè)層級的差異，可在２ 個(gè)層級之間加入層間插值提高二維紅外圖像的分辨率。

插值點(diǎn)ｚ 為第ｋ 層與第ｋ＋１ 層中第ｘ 個(gè)插值，ｆｋ，ｘ（ｚ）為插值結(jié)果，那么第ｋ 層與第ｋ＋１ 層空間內(nèi)其他像素點(diǎn)與ｆｋ，ｘ（ｚ）的灰度關(guān)系為：

最終將各個(gè)像素點(diǎn)的插值作為第三維度坐標(biāo)，獲得電能表電流采樣回路的三維熱力圖像，能夠通過電能表電流采樣回路失流故障點(diǎn)與周圍狀態(tài)的輕微差異，從電能表電流采樣回路的三維熱力圖像中找到電能表電流采樣回路異常位置，完成電能表電流采樣回路失流故障分析。

１． ４ 紅外測溫準(zhǔn)確性影響因素分析

采用紅外測溫方法測試電能表電流采樣回路溫度會受多方面因素影響。周圍物體熱輻射會影響電能表電流采樣回路溫度結(jié)果，電能表電流采樣回路溫度越低，周圍物體熱輻射的影響越大；紅外熱像儀的拍攝角度對電能表電流采樣回路溫度測試結(jié)果影響較大，主要受反射角度與電能表電流采樣回路表面的反光度相關(guān)；電能表電流采樣回路溫度測試結(jié)果還會受太陽光輻射、氣象因素的影響，太陽光升高周圍物體的溫度，雨、雪等不良天氣會降低周圍物體的溫度，以上情況均會導(dǎo)致最終的電能表電流采樣回路的溫度測試結(jié)果誤差較大。

為增強(qiáng)電能表電流采樣回路紅外測溫的準(zhǔn)確性，需采用以下方法對基于紅外測溫技術(shù)的電能表電流采樣回路失流故障分析方法進(jìn)行改進(jìn)：

① 在陰天或晚上對電能表電流采樣回路進(jìn)行紅外測溫，或在電能表電流采樣回路上增加太陽濾片，降低太陽輻射對于紅外測溫的影響。

② 在環(huán)境濕度較低且風(fēng)力較小的天氣下完成電能表電流采樣回路的紅外測溫，防止不良天氣情況對紅外測溫產(chǎn)生影響。

③ 確保安全的前提下，縮短電能表電流采樣回路與紅外熱像儀之間的距離。

④ 當(dāng)測試電能表電流采樣回路時(shí)，如果周圍存在其他發(fā)光與發(fā)熱物體，需要暫時(shí)關(guān)閉發(fā)光與發(fā)熱物體或?qū)Πl(fā)光與發(fā)熱物體進(jìn)行遮蔽，防止發(fā)光與發(fā)熱物體影響紅外測溫對電能表電流采樣回路失流故障診斷。

２ 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)對某個(gè)電能表進(jìn)行電流采樣回路失流故障分析，該電能表的具體技術(shù)參數(shù)如表１ 所示。運(yùn)用ＦＬＩＲ Ｔ５３０ 紅外熱像儀采集電能表電流采樣回路的二維紅外測溫圖像，紅外熱像儀的像頻為９ Ｈｚ 刷新率，紅外分辨率為３２０ ｐｉｘｅｌ×２４０ ｐｉｘｅｌ（７６ ８００ ｐｉｘｅｌ），測試對象溫度為－２０ ～ １２０ ℃ ，熱靈敏度為＜３０ ｍＫ＠３０ ℃ （４２°鏡頭），圖像頻率為３０ Ｈｚ。電能表技術(shù)參數(shù)如表１ 所示。

為驗(yàn)證本文方法分析電流采樣回路失流故障的有效性，對電能表電流采樣回路進(jìn)行檢測，其電能表采樣回路實(shí)物如圖４ 所示。

在２０２２ 年５ 月８ 日與２０２２ 年５ 月１２ 日，本文方法運(yùn)用紅外熱像儀獲取的電能表線路的三維熱力圖像如圖５ 所示。

根據(jù)圖５（ａ），可以明顯觀察到電能表采樣回路的溫度比周圍其他線路和環(huán)境溫度要高，采樣回路的溫度達(dá)到了６４ ℃ ，而周圍其他線路的溫度約為４９ ℃ ，周圍環(huán)境溫度約為２６ ℃ 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法通過溫度差異可以直觀地發(fā)現(xiàn)電能表采樣線的故障，并快速定位異常位置。

根據(jù)圖５（ｂ），可見電能表電壓火線斷裂的位置溫度明顯高于周圍其他線路和環(huán)境溫度，該位置的溫度達(dá)到了５９． ２ ℃ ，而周圍其他火線的溫度約為３２ ℃ ，周圍環(huán)境溫度為２６ ℃ 。實(shí)驗(yàn)表明，本文方法能夠準(zhǔn)確檢測到電能表電壓火線斷裂故障，并精確定位斷裂位置，這是通過三維熱力圖像進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證紅外熱像儀測量距離與測量角度對于電能表電流采樣回路失流故障診斷的影響程度，將紅外熱像儀放置于電能表的不同距離以及角度上拍攝二維紅外測溫圖像，在距離電能表０． ８、１． ２、１． ６、２． ０ ｍ 處，分別以０°、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０° 進(jìn)行拍攝，具體結(jié)果如圖６所示。

根據(jù)圖６ 的分析結(jié)果可知，在０． ８ ～ ２ ｍ，測試距離對溫度測試結(jié)果的影響非常小，但測試角度對溫度測試結(jié)果的影響相對明顯。當(dāng)測試角度為４０°時(shí)，電能表電流采樣回路的測試溫度高達(dá)７８ ℃ ，而當(dāng)測試角度為８０°時(shí)，溫度僅約為２６ ℃ ，相較之下，測試誤差達(dá)到５２ ℃ 左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在拍攝電能表電流采樣回路的二維紅外測溫圖像時(shí)，應(yīng)更加注重測試角度，以降低測試誤差。

３ 結(jié)束語

由于電能表采樣電路焊點(diǎn)脫落與斷線故障會造成電能表異常計(jì)量，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，為此基于紅外測溫技術(shù)完成電能表電流采樣回路失流故障分析與診斷。通過電能表電流采樣回路失流故障模型分析故障原因，運(yùn)用多層級二維紅外測溫圖像的插值算法，增強(qiáng)電能表電流采樣回路失流故障診斷的實(shí)時(shí)性，直觀且快速定位到電能表電流采樣回路失流故障位置；考慮影響紅外測溫的各種因素，提高溫度測試以及故障診斷的準(zhǔn)確性。

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［１８］ 張立業(yè)． 基于紅外熱成像的電力配電網(wǎng)自動巡檢方法［Ｊ］． 電氣開關(guān)，２０２２，６０（６）：３３－３５．

［１９］ 張瑞強(qiáng)，徐貴，經(jīng)權(quán)，等． 基于紅外熱成像檢測技術(shù)的變電設(shè)備異常發(fā)熱故障檢測［Ｊ］． 制造業(yè)自動化，２０２２，４４（９）：１７１－１７４．

［２０］ 楊帆，徐軍，吳振生，等． 基于Ｗｅｂ 端多節(jié)點(diǎn)紅外熱成像傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)［Ｊ］． 激光雜志，２０２２，４３（２）：１５４－１５７．

作者簡介

黃天富 男，（１９８８—），碩士，高級工程師。主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)。

吳志武 男，（１９７２—），高級工程師。主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)。

王春光 男，（１９７８—），碩士，高級工程師。主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)。

林彤堯 男，（１９９６—），碩士，助理工程師。主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)。

黃漢斌 男，（１９９９—），助理工程師。主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)。

基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目：廣域級高壓電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差監(jiān)測及失準(zhǔn)預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用（５４００－２０２１１６４７４Ａ－０－５－ＺＮ）