摘要：電氣一次設(shè)備是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠運(yùn)行對(duì)于維持系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。鑒于電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中易因過熱而引發(fā)故障，導(dǎo)致系統(tǒng)中斷或設(shè)備損壞，文章設(shè)計(jì)了一種基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件配置、圖像處理及檢測(cè)算法等方面闡述了系統(tǒng)構(gòu)建過程，利用紅外成像技術(shù)的非接觸性、高效性特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備溫度異常的準(zhǔn)確檢測(cè)與識(shí)別。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能在電氣設(shè)備發(fā)生過熱故障前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，展現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：紅外成像；電氣一次設(shè)備；過熱故障；故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM621" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）07-0100-04

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電氣一次設(shè)備，如變壓器、斷路器、電纜及開關(guān)設(shè)備等，是保證電力供應(yīng)穩(wěn)定與可靠的關(guān)鍵組件。這些設(shè)備承擔(dān)著輸送和分配電能的重要任務(wù)，其性能與狀態(tài)直接影響整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和安全。隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，電力需求急劇攀升，電氣一次設(shè)備承受的負(fù)載日益加重，這不僅加速了設(shè)備的老化進(jìn)程，還提升了故障發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題，不少學(xué)者進(jìn)行了研究，旨在優(yōu)化電氣一次設(shè)備的使用效率及穩(wěn)定性。王浪［1］探討了在線監(jiān)測(cè)與智能維護(hù)系統(tǒng)在電力一次設(shè)備中的應(yīng)用，指出該系統(tǒng)可以提升設(shè)備的維護(hù)效果，降低維護(hù)成本，并顯著提高生產(chǎn)效率。曹景芳等［2］研究紅外診斷技術(shù)在電氣一次設(shè)備故障檢測(cè)中的工作效率和準(zhǔn)確率，提出構(gòu)建紅外診斷數(shù)據(jù)庫，并融入智能分析功能的方法，為電氣一次設(shè)備的有效監(jiān)測(cè)與維護(hù)提供了新思路。

隨著電氣設(shè)備負(fù)荷的增加及運(yùn)行時(shí)間的延長，過熱現(xiàn)象已逐漸成為影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要隱患之一，其根源常涉及設(shè)備過載、絕緣材料老化、接觸不良及散熱效能下降等。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理此類過熱問題，可能引發(fā)設(shè)備損壞、火災(zāi)甚至大規(guī)模停電等嚴(yán)重后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，有效監(jiān)測(cè)并預(yù)防電氣一次設(shè)備過熱，確保電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù)的重要課題。傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)手段（如接觸式傳感器）存在響應(yīng)速度慢、安裝復(fù)雜等問題，無法滿足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)的需求。紅外成像技術(shù)具備非接觸式、遠(yuǎn)距離操作的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的檢測(cè)。該技術(shù)能在不干擾設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，迅速且準(zhǔn)確地識(shí)別設(shè)備熱異常，為運(yùn)維人員提供了在不直接接觸高壓電氣設(shè)備的情況下獲取溫度信息的手段，有效避免了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升了電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性與可靠性。耿鵬彪［3］對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過分析變電站電氣設(shè)備的故障情況，結(jié)合帶電檢測(cè)技術(shù)的原理與大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了紅外帶電檢測(cè)在預(yù)防電氣過熱故障中的重要性。

本文將紅外成像技術(shù)與電氣設(shè)備的過熱故障檢測(cè)相結(jié)合，開發(fā)出一套完整的故障預(yù)警與分析系統(tǒng)，旨在提高電力設(shè)備故障處理的效率和安全性。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可有效降低因設(shè)備故障導(dǎo)致的電力系統(tǒng)中斷風(fēng)險(xiǎn)，從而延長設(shè)備使用壽命，縮減維護(hù)成本。

1 紅外成像技術(shù)概述

1.1 紅外成像的原理

紅外成像技術(shù)是一種利用物體紅外輻射的熱成像方法。根據(jù)黑體輻射定律，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，而且溫度越高，輻射強(qiáng)度越大。紅外攝像機(jī)通過精確探測(cè)這些紅外輻射，能夠生成反映物體表面溫度分布的圖像，據(jù)此分析并判斷物體的運(yùn)動(dòng)、工作等狀態(tài)。

1.2 紅外成像技術(shù)在電氣設(shè)備故障檢測(cè)中的應(yīng)用

紅外成像技術(shù)作為一種非接觸式的檢測(cè)手段，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電氣一次設(shè)備的溫度變化，有效識(shí)別潛在的故障部位［4］。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備故障檢測(cè)中，例如在電纜接頭和導(dǎo)線處，紅外成像能快速捕捉因接觸電阻增大或連接點(diǎn)老化可能導(dǎo)致的局部過熱現(xiàn)象，為現(xiàn)場(chǎng)維修提供依據(jù)，防止問題進(jìn)一步惡化。對(duì)于變壓器內(nèi)部故障，該技術(shù)通過測(cè)量變壓器表面的溫度分布情況，可推測(cè)繞組和鐵芯的發(fā)熱狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)［5］。在高壓開關(guān)和斷路器維護(hù)中，紅外成像技術(shù)同樣關(guān)鍵，它能檢測(cè)設(shè)備表面溫度是否有異常情況，識(shí)別絕緣失效或觸點(diǎn)接觸不良問題。此外，電容器組的過載和損壞以及母線系統(tǒng)連接部位的松動(dòng)或腐蝕也是電力系統(tǒng)中的潛在隱患，紅外成像能直接檢測(cè)電容器元件溫度分布狀況，全面掃描母線系統(tǒng)連接部位，檢測(cè)細(xì)微的溫度異常。對(duì)于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)而言，紅外成像技術(shù)通過檢測(cè)整體溫度分布情況，判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)熱狀況，從而有效預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)主要由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成，兩者協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障檢測(cè)功能。硬件部分主要由紅外攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器和顯示終端組成；軟件部分則包括圖像處理算法、溫度異常檢測(cè)算法、數(shù)據(jù)管理與展示界面。

2.1 硬件部分

2.1.1 紅外攝像機(jī)

作為系統(tǒng)核心組件，紅外攝像機(jī)負(fù)責(zé)探測(cè)目標(biāo)物體發(fā)射出的紅外輻射并生成溫度分布圖像。為確保高檢測(cè)精度，需選用靈敏度和分辨率高、溫度測(cè)量范圍廣的紅外攝像機(jī)。同時(shí)要求其具備快速響應(yīng)能力，以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。紅外攝像機(jī)可用固定支架或移動(dòng)裝置安裝，以便在不同的電氣設(shè)備上靈活部署。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

此模塊負(fù)責(zé)將紅外攝像機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為處理器可識(shí)別的格式，并通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)時(shí)傳輸至處理器。該模塊還集成了信號(hào)校準(zhǔn)和過濾功能，能有效減少噪聲干擾，提升信號(hào)質(zhì)量。

2.1.3 處理器

處理器作為系統(tǒng)的核心處理單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行圖像處理與溫度異常檢測(cè)算法，對(duì)紅外圖像進(jìn)行特征提取、分析和異常識(shí)別。由于處理器的性能直接影響檢測(cè)速度和精度，通常采用多核處理器或圖形處理單元（GPU）提高計(jì)算能力。

2.1.4 顯示終端

該終端用于可視化展示紅外圖像和檢測(cè)結(jié)果。顯示終端不僅能實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的溫度分布圖像，滿足用戶直接觀察溫度異常區(qū)域的需要，還能呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為技術(shù)人員提供準(zhǔn)確的診斷信息。

2.2 軟件部分

2.2.1 圖像處理算法

在基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)中，軟件部分的核心在于圖像處理算法和溫度異常檢測(cè)算法，這些算法是確保系統(tǒng)有效的關(guān)鍵。本文的圖像處理算法主要采用離散小波變換（DWT），該方法通過多尺度分解紅外圖像信號(hào)提取特征與抑制噪聲。DWT作為圖像處理的強(qiáng)大工具，能精準(zhǔn)地從復(fù)雜的背景中分離出與設(shè)備過熱緊密相關(guān)的溫度特征，同時(shí)有效抑制噪聲，這一特性在電氣設(shè)備紅外圖像分析中尤為重要。

在應(yīng)用小波變換之前，通常會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)整圖像尺寸以適應(yīng)小波變換要求，以及歸一化處理圖像的亮度和對(duì)比度，減少光照變化帶來的影響。隨后，選擇Daubechies小波基作為變換基礎(chǔ)，采用多級(jí)離散小波變換對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分解。每一級(jí)分解將圖像分為以下4個(gè)部分：近似（LL）、水平細(xì)節(jié)（LH）、垂直細(xì)節(jié)（HL）和對(duì)角細(xì)節(jié)（HH）。近似部分保留了圖像的主要信息，而細(xì)節(jié)部分包含了圖像的邊緣和噪聲信息。上述4個(gè)部分可以由以下公式得出：

[LLk=i，jhihjx2k-i，2k-j]，" nbsp; " " " " " " "（1）

[LHk=i，jhigjx2k-i，2k-j]，" " " " " " " " " （2）

[HLk=i，jgihjx2k-i，2k-j]，" " " " " " " " "（3）

[HHk=i，jgigjx2k-i，2k-j]，" " " " " " " " "（4）

其中：k是輸出子帶中的位置索引，h和g分別表示低通和高通濾波器，i和j是濾波器系數(shù)索引，x是輸入圖像。

在故障檢測(cè)過程中，選擇分解圖像后的高頻子帶（如LH、HL、 HH）用于提取圖像特征，這些子帶能突出溫度異常區(qū)域的邊界和紋理細(xì)節(jié)。隨后，通過分析處理后的子帶圖像中的溫度分布模式，結(jié)合設(shè)定的閾值參數(shù)，檢測(cè)和標(biāo)識(shí)異常區(qū)域。這一步驟是系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)潛在故障的關(guān)鍵。

2.2.2 溫度異常檢測(cè)算法

溫度異常檢測(cè)算法同樣是基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)從處理后的圖像數(shù)據(jù)中識(shí)別出潛在的故障區(qū)域。本文采用基于統(tǒng)計(jì)閾值的溫度異常檢測(cè)方法，該方法以設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下溫度分布的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建反映設(shè)備正常溫度行為的統(tǒng)計(jì)模型。首先，提取并計(jì)算歷史數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以此構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型。其次，基于該模型設(shè)置溫度閾值，通常設(shè)定為平均溫度加上一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)偏差倍數(shù)（如兩倍），以此作為區(qū)分設(shè)備正常運(yùn)行和潛在過熱狀態(tài)的界限。具體表示如下：

T閾值= μ+α×σ，" " " " " " " " " " " " " " （5）

其中：μ是計(jì)算得到的平均溫度；σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差；α是用于調(diào)整閾值嚴(yán)格程度的系數(shù)，具體值可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備的安全要求和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)在運(yùn)行期間，持續(xù)分析實(shí)時(shí)紅外圖像，逐幀計(jì)算各像素點(diǎn)的溫度值，并將這些值與T閾值進(jìn)行對(duì)比。一旦檢測(cè)到任何區(qū)域溫度超出閾值，即自動(dòng)將該區(qū)域標(biāo)記為異常，并即時(shí)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。這一過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)幫助維護(hù)人員迅速定位潛在故障點(diǎn)，以便進(jìn)一步檢查和維修。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理與展示界面

在基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理與展示界面的作用在于為用戶呈現(xiàn)直觀、易理解的數(shù)據(jù)視圖和操作平臺(tái)。該界面具備了實(shí)時(shí)和歷史紅外圖像展示、分析結(jié)果呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回顧等多重功能。技術(shù)人員通過此界面可直觀查看設(shè)備溫度分布圖及系統(tǒng)標(biāo)識(shí)的異常溫度區(qū)域，并獲取詳細(xì)的故障報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容涵蓋故障發(fā)生的時(shí)間、位置以及故障原因分析，幫助維護(hù)人員更快地響應(yīng)和處理問題。此外，界面提供警報(bào)設(shè)置選項(xiàng)，允許用戶根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整檢測(cè)靈敏度和警報(bào)觸發(fā)條件。為了提高使用效率，界面設(shè)計(jì)了用戶友好的操作流程，采用快速導(dǎo)航、多級(jí)菜單和可定制的儀表板等優(yōu)化措施，以提升數(shù)據(jù)處理效率與用戶體驗(yàn)。此界面的設(shè)計(jì)充分考慮了用戶交互的直觀性和操作的便捷性，確保用戶能迅速、準(zhǔn)確地獲取關(guān)鍵信息。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試旨在模擬電氣設(shè)備在不同故障狀態(tài)下的溫度分布變化情況，并評(píng)估系統(tǒng)的檢測(cè)能力和準(zhǔn)確度。選取變壓器、電纜接頭和開關(guān)柜等典型電氣設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象，在特定的過熱條件下，通過設(shè)定過載運(yùn)行、接觸不良等常見故障場(chǎng)景，在受控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬故障狀態(tài)，確保測(cè)試安全和可重復(fù)。

在實(shí)驗(yàn)中，首先采集設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的基線數(shù)據(jù)，以便后續(xù)用于與異常狀態(tài)進(jìn)行比較。隨后，通過逐步增加設(shè)備的負(fù)載和調(diào)整接觸阻抗，人為誘導(dǎo)故障發(fā)生。在每種模擬故障下，系統(tǒng)均利用紅外攝像機(jī)捕獲設(shè)備熱像圖，并且運(yùn)用軟件算法分析溫度分布情況，實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)記錄了設(shè)備在正常狀態(tài)和各種故障狀態(tài)下的紅外圖像，借助溫度異常檢測(cè)算法識(shí)別并標(biāo)記過熱區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。表1詳細(xì)列出了不同設(shè)備在正常和異常狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)是否成功識(shí)別過熱故障區(qū)域。結(jié)果表明，系統(tǒng)在多數(shù)情況下能準(zhǔn)確識(shí)別和定位故障區(qū)域，對(duì)于部分細(xì)微的溫度變化，系統(tǒng)亦展現(xiàn)出良好的靈敏度，雖然存在少數(shù)誤報(bào)或漏報(bào)的情況，但是整體準(zhǔn)確率仍保持在較高水平，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的潛力，尤其是在早期故障識(shí)別和預(yù)防方面。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)在多數(shù)故障模擬條件下成功檢測(cè)到設(shè)備的過熱現(xiàn)象，針對(duì)過載和接觸不良引起的溫度異常，系統(tǒng)均能及時(shí)識(shí)別并準(zhǔn)確標(biāo)定異常區(qū)域，驗(yàn)證了溫度異常檢測(cè)算法處理紅外圖像的有效性，這對(duì)預(yù)防設(shè)備故障惡化至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅外攝像機(jī)和圖像處理算法協(xié)同作用，可確保系統(tǒng)對(duì)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與快速響應(yīng)，滿足了電力系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)時(shí)效性的要求，有助于減少設(shè)備損害和降低維護(hù)成本。

然而，實(shí)驗(yàn)亦暴露出系統(tǒng)在極少數(shù)情況下的誤報(bào)與漏報(bào)問題。經(jīng)分析，誤報(bào)可能是因?yàn)榄h(huán)境干擾或設(shè)備表面紅外反射，而漏報(bào)則與故障初期溫升不明顯有關(guān)。為解決此問題，需進(jìn)一步優(yōu)化圖像處理算法的敏感度和溫度異常閾值設(shè)置。

4 結(jié)論

本文成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用紅外成像的非接觸式、高效特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)以及對(duì)潛在故障區(qū)域的有效預(yù)警。系統(tǒng)硬件架構(gòu)集成了紅外攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器和顯示終端，軟件支持則包括圖像處理算法和溫度異常檢測(cè)算法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)在多種電氣設(shè)備上均展現(xiàn)出優(yōu)異的檢測(cè)性能，能在過熱發(fā)生前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，驗(yàn)證了其高準(zhǔn)確性與高可靠性。未來的研究將進(jìn)一步優(yōu)化圖像處理和故障檢測(cè)算法，降低誤報(bào)和漏報(bào)率，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性。同時(shí)，探索將本系統(tǒng)與其他智能診斷技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析工具融合，如聲波監(jiān)測(cè)與振動(dòng)分析相結(jié)合，以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜故障的診斷能力，構(gòu)建更全面、高效的電氣設(shè)備健康管理與維護(hù)體系。

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【作者簡(jiǎn)介】匡政，男，山東青島人，工程師，研究方向：電氣設(shè)備管理與檢修。

【引用本文】匡政.基于紅外成像技術(shù)的電氣一次設(shè)備過熱故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（7）：100-103.