基于電脈沖紅外成像技術(shù)的變電站電氣設(shè)備熱故障識(shí)別方法

石 洋，韓文虎

（1.國(guó)網(wǎng)陜西超高壓公司，陜西 西安 710000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司葫蘆島市供電公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引 言

在電網(wǎng)運(yùn)行中，大約70%的故障由電氣設(shè)備引起，變電站內(nèi)電氣設(shè)備的正常、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)內(nèi)變電站的安全維護(hù)而言非常重要[1]。長(zhǎng)時(shí)間使用的變電所設(shè)備會(huì)產(chǎn)生各種故障，一旦產(chǎn)生故障，對(duì)應(yīng)的故障區(qū)域電氣設(shè)備就會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)溫度方面的顯著變化，從而產(chǎn)生變電站異常溫區(qū)[2]。為保證變電站甚至整個(gè)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行熱態(tài)監(jiān)測(cè)，是一項(xiàng)有意義、有必要的工作。為落實(shí)此項(xiàng)工作，利用電脈沖紅外成像技術(shù)對(duì)被測(cè)器件表面溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、處理和分析，得出測(cè)量器件表面溫度場(chǎng)的相關(guān)信息。電脈沖紅外成像技術(shù)在遠(yuǎn)程、無(wú)接觸、高安全、高精度、快速以及便捷等方面有很大優(yōu)勢(shì)。文章引進(jìn)電脈沖紅外成像技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)電氣設(shè)備的熱故障全新識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備故障、缺陷的精確診斷，降低電氣設(shè)備故障導(dǎo)致的電網(wǎng)運(yùn)行異常等現(xiàn)象發(fā)生的概率。

1 基于電脈沖紅外成像技術(shù)的電氣設(shè)備溫度場(chǎng)圖像獲取

電脈沖紅外成像技術(shù)可以非接觸式地測(cè)量和記錄設(shè)備表面的溫度分布，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別設(shè)備表面的熱點(diǎn)和異常發(fā)熱區(qū)域，從而獲取電氣設(shè)備溫度場(chǎng)圖像。電脈沖紅外成像技術(shù)對(duì)溫度變化非常敏感，可以發(fā)現(xiàn)微小的溫度差異，即使是較小的異常情況也能被準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別。同時(shí)，使用電脈沖紅外成像技術(shù)不會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成任何影響，是一種非破壞性的檢測(cè)方法。在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)須停機(jī)或拆卸設(shè)備，避免了不必要的生產(chǎn)中斷和維護(hù)成本。電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生局部高溫，使用電脈沖紅外成像技術(shù)可以安全地監(jiān)測(cè)設(shè)備表面的溫度情況，避免操作人員接觸高溫表面而造成傷害[3]。因此，文章基于電脈沖紅外成像技術(shù)來(lái)獲取電氣設(shè)備溫度場(chǎng)圖像。為滿足電氣設(shè)備熱故障診斷需求，設(shè)計(jì)基于電脈沖紅外成像技術(shù)獲取電氣設(shè)備溫度場(chǎng)圖像過(guò)程，具體如圖1 所示。

圖1 基于電脈沖紅外成像技術(shù)的設(shè)備溫度場(chǎng)圖像獲取

為確保圖像獲取的連續(xù)性，需要設(shè)定電脈沖輻射線的發(fā)射率，具體公式為

式中：W為電脈沖輻射線的發(fā)射率；σ為玻爾茨曼常數(shù)；ε為電脈沖紅外輻射單元；T為被測(cè)電氣設(shè)備表面的絕熱溫度。電氣設(shè)備的表面由很多小單元構(gòu)成，在任何一個(gè)物體的表面上，都會(huì)有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的熱輻射場(chǎng)。紅外熱成像儀是一種對(duì)熱輻射能量場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)化為可以被人類肉眼觀測(cè)到的可見(jiàn)光強(qiáng)場(chǎng)的設(shè)備[4]。檢測(cè)過(guò)程中，利用掃描儀逐點(diǎn)檢測(cè)目標(biāo)表面的熱輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)和視頻信號(hào)，使溫度場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果以圖像的形式呈現(xiàn)在目標(biāo)表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)表面的熱輻射能量場(chǎng)、溫度場(chǎng)的直觀描繪。

2 電氣設(shè)備紅外圖像中高溫區(qū)域提取與熱故障診斷

對(duì)于預(yù)處理采集的電氣設(shè)備紅外圖像，先引進(jìn)均值法，進(jìn)行圖像的灰度化處理，處理過(guò)程為

式中：A為電氣設(shè)備紅外圖像的灰度化處理；R、G、B為電氣設(shè)備紅外圖像的3 個(gè)亮度分量[5]。引進(jìn)均值濾波法，對(duì)完成灰度處理的圖像進(jìn)行濾波，處理過(guò)程為

式中：f為圖像濾波處理；N為濾波處理尺寸；F為目標(biāo)像素點(diǎn)；m為窗口長(zhǎng)度；n為窗口寬度。完成電氣設(shè)備紅外圖像處理后，引進(jìn)相對(duì)溫差法，提取圖像中高溫區(qū)域。提取過(guò)程中，采用橫向比較法，評(píng)估2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的電氣設(shè)備狀態(tài)，計(jì)算公式為

式中，δ表示電氣設(shè)備紅外圖像中的高溫區(qū)域；τ1為紅外圖像中發(fā)熱點(diǎn)局部升溫區(qū)域；τ2為紅外圖像中常態(tài)化條件下的溫度區(qū)域；T0為電氣設(shè)備高溫安全系數(shù)。以此為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備紅外圖像中高溫區(qū)域提取。確定高溫區(qū)域后，重復(fù)式（2）到式（4）的步驟，計(jì)算高溫區(qū)域的具體溫升值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷電氣設(shè)備在運(yùn)行中的溫升趨勢(shì)，掌握故障發(fā)展?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的熱故障診斷。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)該方法在電氣設(shè)備中應(yīng)用效果的測(cè)試，選擇某變電站作為試點(diǎn)單位。與該變電站負(fù)責(zé)單位交涉與溝通后，明確此變電站在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)供電不穩(wěn)定或中斷等現(xiàn)象。據(jù)技術(shù)人員統(tǒng)計(jì)，超過(guò)70%的變電站供電服務(wù)異常由電氣設(shè)備熱故障導(dǎo)致，針對(duì)此方面問(wèn)題，技術(shù)部門投入大量的資金用于故障識(shí)別與診斷，但此方面的研究一直未能取得顯著的成果。

為解決此方面不足，引進(jìn)電脈沖紅外成像技術(shù)，進(jìn)行站內(nèi)電氣設(shè)備在運(yùn)行中熱故障的診斷與識(shí)別。根據(jù)變電站中設(shè)備的分布與空間整體布局，繪制變電站基本結(jié)構(gòu)，并選擇變電站內(nèi)220 kV 變壓器、66 kV 電容器、懸掛式絕緣子等電氣設(shè)備作為研究對(duì)象。以變壓器為例，分析運(yùn)行中的技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

表1 變電站中電氣設(shè)備運(yùn)行技術(shù)參數(shù)分析

按照表1 所示的內(nèi)容，分析變電站中其他參與實(shí)驗(yàn)電氣設(shè)備技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，使用文章設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行電氣設(shè)備熱故障的識(shí)別。識(shí)別過(guò)程中，先引進(jìn)電脈沖紅外成像技術(shù)，獲取電氣設(shè)備溫度場(chǎng)圖像，為避免獲取的圖像中攜帶噪聲或其他因素對(duì)故障識(shí)別結(jié)果造成影響，需要預(yù)處理獲取的變電站電氣設(shè)備紅外圖像，通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備紅外圖像中高溫區(qū)域的提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備熱故障的診斷。

完成設(shè)計(jì)方法在測(cè)試環(huán)境中的應(yīng)用后，引入基于Dempster-Shafer 的熱故障識(shí)別方法、基于多尺度引導(dǎo)濾波的熱故障識(shí)別方法，分別作為傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2，與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)備熱故障的識(shí)別對(duì)比。

將電氣設(shè)備熱故障用1 ～5 表示。其中：1 表示電氣設(shè)備部分釋電故障；2 表示電氣設(shè)備強(qiáng)溫較熱故障；3 表示電氣設(shè)備弱溫較熱故障；4 表示電氣設(shè)備無(wú)熱故障；5 表示電氣設(shè)備均溫較熱故障。在已知變電站中電氣設(shè)備熱故障類型的基礎(chǔ)上，使用3 種方法對(duì)其進(jìn)行熱故障識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如表2 所示。

表2 變電站電氣設(shè)備熱故障識(shí)別結(jié)果

從表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，3 種方法中，只有使用設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)備熱故障識(shí)別可以確保識(shí)別結(jié)果與電氣設(shè)備實(shí)際熱故障一致，而使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)備熱故障識(shí)別，無(wú)法保證識(shí)別結(jié)果與電氣設(shè)備實(shí)際熱故障結(jié)果一致。由此表明：相比傳統(tǒng)方法，文章設(shè)計(jì)的基于電脈沖紅外成像技術(shù)的熱故障識(shí)別方法應(yīng)用效果良好，按照規(guī)范使用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變電站中電氣設(shè)備的熱故障識(shí)別，可以確保識(shí)別結(jié)果與電氣設(shè)備實(shí)際故障結(jié)果高度一致，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備在運(yùn)行中故障現(xiàn)象的精準(zhǔn)排查，避免熱故障造成的電網(wǎng)、電氣設(shè)備運(yùn)行異常。

4 結(jié) 論

目前，我國(guó)大部分的變電站電氣設(shè)備故障識(shí)別與檢修仍然依靠人工的方法實(shí)行，即便部分變電站提出了使用紅外成像技術(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備熱故障的判斷，但對(duì)操作者的技術(shù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)要求也相對(duì)較高。在檢測(cè)過(guò)程中，操作人員的主觀因素會(huì)使檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。為解決此方面問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行中熱故障的精準(zhǔn)識(shí)別與及時(shí)處理，文章設(shè)計(jì)于電脈沖紅外成像技術(shù)的熱故障識(shí)別方法。經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，文章的設(shè)計(jì)方法可以確保識(shí)別結(jié)果與電氣設(shè)備實(shí)際故障結(jié)果高度一致，顯著降低操作人員的主觀判斷和主觀判斷，對(duì)于保障電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量具有重要意義。