電氣設備智能巡檢研究及應用

國電青山熱電有限公司 左 磊 肖 磊 蘆 陽 宋 楊 史 峰 李 巍 北京必可測科技股份有限公司 高清超 徐建偉

隨著近年來電力技術的不斷深入發(fā)展，電力設備的維護水平也在不斷提高，大量傳感器技術、人工智能技術在電力設備檢測中被廣泛應用，通過新技術應用，實現(xiàn)對電氣設備的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期處理的目標，將設備故障消滅在萌芽狀態(tài)，降低電氣設備事故的發(fā)生，為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)保駕護航。

1 電氣設備智能巡檢的檢查主要內(nèi)容

開展電氣設備智能巡檢，利用現(xiàn)代傳感器技術主要需實現(xiàn)以下功能：

1.1 紅外檢測功能

能對電氣設備和線路的熱缺陷進行探測，及時發(fā)現(xiàn)、處理、預防重大事故的發(fā)生。利用紅外檢測技術可開展以下電力設備狀態(tài)檢測與故障診斷工作：高壓電氣設備運行狀態(tài)檢測與內(nèi)、外中心故障診斷：各類導電接頭、線夾、接線樁頭氧化腐蝕以及連接不良缺陷；各類高壓開關內(nèi)中心觸頭接觸不良缺陷；隔離刀閘刀口與觸片以及轉動帽與球頭結合部的不良缺陷；各類CT、PT 一次內(nèi)中心及外中心連接不良缺陷、本體及油絕緣不良缺陷以及內(nèi)中心鐵芯、線圈異常不良過熱缺陷。

紅外檢測能實現(xiàn)以下預警要求：電氣設備與金屬部件的連接接頭和線夾，以線夾和接頭為中心的熱像，三相溫差不超過15K，未達到嚴重缺陷的要求時為一般缺陷，熱點溫度＞80℃時為嚴重缺陷，熱點溫度＞110℃時為危急缺陷；隔離開關以轉頭為中心的熱像，以刀口壓接彈簧為中心的熱像，溫差不超過15K，未達到嚴重缺陷的要求時為一般缺陷，熱點溫度＞90℃時為嚴重缺陷，熱點溫度＞130℃時為危急缺陷。

1.2 可見光視覺識別功能

利用圖像識別技術，完成現(xiàn)場斷路器操作油壓表、SF6壓力、避雷器泄漏電流與動作次數(shù)。CT 與PT 油位表等的讀取工作，能通過趨勢分析，及時發(fā)現(xiàn)設備隱患并及時發(fā)出報警，通知運行人員處理；利用圖像比對技術，發(fā)現(xiàn)充油電氣設備的漏油、滲油缺陷；利用圖像識別技術，完成斷路器、隔離開關的位置狀態(tài)識別；局放檢測功能能通過局放傳感器開展運行設備絕緣檢查、分析。

2 智能巡檢技術實現(xiàn)的主要方法

2.1 紅外傳感器的紅外診斷技術

利用紅外傳感器及時發(fā)現(xiàn)導線連接金具、閘刀觸頭部分的缺陷，同時也能對電流互感器、電壓互感器、斷路器、避雷器等設備的內(nèi)部異常過熱等安全隱患進行檢測預警。目前紅外傳感器技術日趨成熟，價格低廉，故已被廣泛使用。紅外傳感器原理：利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸。紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉換電路。檢測元件主要是熱敏檢測元件。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。

2.2 圖像識別技術

電氣設備有些分布較廣，常規(guī)表計眾多。常規(guī)表計一般只裝有報警接點，只能在設備一定安全危險程度時發(fā)出報警或閉鎖。那么利用視頻圖像識別技術，進行遠程表計識別讀取，建立數(shù)據(jù)的積累，通過數(shù)據(jù)跟蹤分析，及時發(fā)現(xiàn)設備初期的隱患。隨著AI 技術的發(fā)展與應用，利用視頻照片的比對技術，如將當前拍的油浸式變壓器某一部位靜態(tài)圖片與前一天的圖片，由電腦進行人工智能技術的比對，能及時發(fā)現(xiàn)變壓器漏油滲油的設備隱患。

2.3 局放技術的應用

電氣設備的絕緣水平?jīng)Q定著電氣設備的安全運行水平，是電氣設備安全運行的根本保證，所以對運行中電氣設備絕緣監(jiān)測技術也在不斷發(fā)展，目前普遍采用超聲、特高頻、地電波等技術，來實現(xiàn)對運行設備運行時的絕緣監(jiān)測[1]。

超聲波：超聲波傳感器是將電氣設備放電超聲波信號轉換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。發(fā)生局部放電時，在放電的區(qū)域中分子間產(chǎn)生劇烈撞擊，宏觀上產(chǎn)生了聲波，通常頻率大于20kHz 稱為超聲波。當開關柜內(nèi)部發(fā)生放電時，產(chǎn)生的聲波信號傳遞到開關柜表面，由超聲波傳感器將超聲信號轉換為電信號，并進一步放大后傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，以達到檢測局部放電的目的。

特高頻：高壓電氣設備局部放電總是在很小的范圍內(nèi)發(fā)生,具有較快的擊穿特性,其脈沖持續(xù)時間較短，可激發(fā)頻率從低頻到UHF 特高頻段的電磁波，特高頻(300～3000MHz)電磁波可在其內(nèi)部有效地傳播，通過UHF 特高頻接受傳感器，靈敏接受特高頻電磁波，通過計算機軟件處理，對高頻信號波型分析，確認是否存在放電故障。

地電波（暫態(tài)對地電壓）：局部放電產(chǎn)生的電磁波，會通過屏蔽層不連續(xù)的部分傳輸?shù)皆O備表面，在設備表面產(chǎn)生感應電流，設備表面存在波阻抗，進而在設備外層形成一個暫態(tài)對地電壓，簡稱TEV。目前TEV 法檢測大都采用電容耦合探測器來檢測局部放電的幅值和放電脈沖頻率。

2.4 智能巡檢專家智能系統(tǒng)

主要包括四大功能模塊：系統(tǒng)管理、交互查詢、數(shù)據(jù)管理、智能分析。系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)維護、權限管理及幫助三項功能；交互查詢模塊：包含綜合查詢、圖形表單展示及打印輸出三項功能；數(shù)據(jù)管理模塊：包含用戶信息管理、知識庫管理、樣本庫管理、動態(tài)信息管理及備份信息管理五項功能；智能分析模塊：包含綜合告警、故障診斷、狀態(tài)評估、風險預測[2]。

3 智能巡檢技術在生產(chǎn)實際中的應用

開展定期對電氣設備巡檢是保障電氣設備安全運行的組織措施，為此必須配備大量的生產(chǎn)現(xiàn)場巡檢人員，定期開展對電氣設備的巡檢工作。巡檢工作性質非常重要，必須認真細致，但工作任務是比較單一的，是一種重復性的勞動，勞動強度較大，從根本上很難保證每人每次巡檢都能高質量的完成，同時由于巡檢人員的電氣設備巡視只能開展常規(guī)的聽覺（無法聽見超聲）、視覺（無法看見紅外）、嗅覺（無法聞到如SF6等無色無味的氣體）的檢查，故人員日常巡檢對部分設備的安全隱患是無法通過傳統(tǒng)方法來發(fā)現(xiàn)的。隨著近年來技術發(fā)展，無線定位技術（如GPS）、激光定位技術、視覺定位技術、電力儲能技術等不斷發(fā)展，利用機器替代人工巡檢正逐步登上歷史舞臺。

3.1 智能巡檢機器人的組成

智能行走移動平臺。目前主要采用的方式主要有吊軌式、輪式和固定式。吊軌式是巡檢機器人按軌道運行，對于固定路線比較方便，巡檢時定位準確，機構簡單、運行可靠，但靈活性較差，設備發(fā)生變化，巡檢軌道必須重新安裝調整，一般用于配電室內(nèi)設備的巡檢工作；輪式巡檢機器人則行走路線比較靈活，可以根據(jù)設備運行情況，巡檢內(nèi)容變化情況靈活配置，能高質量完成巡檢任務；固定式巡檢機器人則是根據(jù)巡檢內(nèi)容，在整個巡檢路線上安裝多個可見光、紅外組合視頻探頭進行定點監(jiān)測，攝像頭通過變焦、云臺控制來實現(xiàn)電氣設備的巡檢功能，這個系統(tǒng)無移動設備，系統(tǒng)簡潔更高，唯一缺點為靈活性較差。

導航控制系統(tǒng)。輪式機器人的行走控制是巡檢機器人的核心部分，導航主要有GPS、激光、WIFI定位器等，目前主要普遍采用技術成熟的激光導航技術，其原理是由巡檢機器人通過對現(xiàn)場的行走，完成對地圖的采集工作，正常運行時，依靠激光測量數(shù)據(jù)的采集與地圖數(shù)據(jù)的比對，實現(xiàn)機器人行走的定位。激光定位的精度較高，能滿足巡檢機器人行走的需要；吊軌式機器人則通過磁鋼編碼技術進行定位，通過在在軌道上等距離多點的布置，實現(xiàn)數(shù)字化精確定位。

計算機控制系統(tǒng)。巡檢機器人普遍配置一臺計算機安裝于體內(nèi)，用于負責機器人的通訊、行走路線規(guī)劃、視覺數(shù)據(jù)的存儲。

帶載的檢測傳感器系統(tǒng)。巡檢機器人除基礎平臺部分外，必須在平臺上安裝多個傳感器來實現(xiàn)對電氣設備的檢查，對于配電室吊軌機器人，一般安裝紅外視覺與看見光視覺傳感器?？梢姽庥糜诒碛嬜x取，斷路器、隔離開關位置狀態(tài)的讀取，電氣綜保信息讀??；紅外傳感器用于對低壓室內(nèi)變壓器的紅外測量。另外機器人還配有地電波和超聲局放對開關柜進行檢測。輪式機器人平臺上一般也配有紅外視覺與看見光視覺傳感器。同樣可見光用于表計讀取，拍照對比，設備運行狀態(tài)等檢測；紅外傳感器用于連接、接觸、本體發(fā)熱異常的紅外測量。固定式巡檢機器人配有紅外視覺與看見光視覺傳感器，完成的內(nèi)容基本與吊軌式、輪式相同。

目前電氣設備智能巡檢在實際生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。2017年7月某電廠迎峰度夏期間，機器人在巡視中及時發(fā)現(xiàn)220kV 一母線隔離開關觸頭運行中發(fā)熱嚴重，機器人第一時間在后臺監(jiān)控發(fā)出報警，運行人員及時處理，避免了一起嚴重事故的發(fā)生。由于智能巡檢機器人是集計算機技術、機電一體化技術、無線通訊技術、現(xiàn)代傳感技術等眾多技術于一體的系統(tǒng)組合體，每個環(huán)節(jié)都會對巡檢機器人是否可靠運行造成影響。目前依然存在定位錯誤造成巡檢機器人停止工作，圖像識別雖然較高，但仍無法達到100%識別等問題。不過我們依然堅定認為，隨著各技術的不斷深入與完善，電氣設備智能巡檢的應用將更加可靠、完善。