石 洋，韓文虎

（1.國網(wǎng)陜西超高壓公司，陜西 西安 710000；2.國網(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)定運行對電網(wǎng)內(nèi)變電站的安全維護而言非常重要[1]。長時間使用的變電所設(shè)備會產(chǎn)生各種故障，一旦產(chǎn)生故障，對應(yīng)的故障區(qū)域電氣設(shè)備就會在運行中出現(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電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，對電氣設(shè)備進行熱態(tài)監(jiān)測，是一項有意義、有必要的工作。為落實此項工作，利用電脈沖紅外成像技術(shù)對被測器件表面溫度場進行測量、處理和分析，得出測量器件表面溫度場的相關(guān)信息。電脈沖紅外成像技術(shù)在遠程、無接觸、高安全、高精度、快速以及便捷等方面有很大優(yōu)勢。文章引進電脈沖紅外成像技術(shù)，設(shè)計一種針對電氣設(shè)備的熱故障全新識別方法，實現(xiàn)對電氣設(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)備溫度場圖像獲取

電脈沖紅外成像技術(shù)可以非接觸式地測量和記錄設(shè)備表面的溫度分布，能夠準(zhǔn)確檢測和識別設(shè)備表面的熱點和異常發(fā)熱區(qū)域，從而獲取電氣設(shè)備溫度場圖像。電脈沖紅外成像技術(shù)對溫度變化非常敏感，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)確地檢測和識別。同時，使用電脈沖紅外成像技術(shù)不會對電氣設(shè)備造成任何影響，是一種非破壞性的檢測方法。在檢測過程中無須停機或拆卸設(shè)備，避免了不必要的生產(chǎn)中斷和維護成本。電氣設(shè)備在運行時可能產(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)來獲取電氣設(shè)備溫度場圖像。為滿足電氣設(shè)備熱故障診斷需求，設(shè)計基于電脈沖紅外成像技術(shù)獲取電氣設(shè)備溫度場圖像過程，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，在任何一個物體的表面上，都會有一個與之相對應(yīng)的熱輻射場。紅外熱成像儀是一種對熱輻射能量場進行測量，并將其轉(zhuǎn)化為可以被人類肉眼觀測到的可見光強場的設(shè)備[4]。檢測過程中，利用掃描儀逐點檢測目標(biāo)表面的熱輻射，將其轉(zhuǎn)化為電信號和視頻信號，使溫度場檢測結(jié)果以圖像的形式呈現(xiàn)在目標(biāo)表面，實現(xiàn)對目標(biāo)表面的熱輻射能量場、溫度場的直觀描繪。

2 電氣設(shè)備紅外圖像中高溫區(qū)域提取與熱故障診斷

對于預(yù)處理采集的電氣設(shè)備紅外圖像，先引進均值法，進行圖像的灰度化處理，處理過程為

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 個亮度分量[5]。引進均值濾波法，對完成灰度處理的圖像進行濾波，處理過程為

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；m為窗口長度；n為窗口寬度。完成電氣設(shè)備紅外圖像處理后，引進相對溫差法，提取圖像中高溫區(qū)域。提取過程中，采用橫向比較法，評估2個測點之間的電氣設(shè)備狀態(tài)，計算公式為

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，計算高溫區(qū)域的具體溫升值，根據(jù)計算結(jié)果判斷電氣設(shè)備在運行中的溫升趨勢，掌握故障發(fā)展?fàn)顟B(tài)，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的熱故障診斷。

3 對比實驗

為實現(xiàn)該方法在電氣設(shè)備中應(yīng)用效果的測試，選擇某變電站作為試點單位。與該變電站負(fù)責(zé)單位交涉與溝通后，明確此變電站在運行中經(jīng)常會出現(xiàn)供電不穩(wěn)定或中斷等現(xiàn)象。據(jù)技術(shù)人員統(tǒng)計，超過70%的變電站供電服務(wù)異常由電氣設(shè)備熱故障導(dǎo)致，針對此方面問題，技術(shù)部門投入大量的資金用于故障識別與診斷，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，引進電脈沖紅外成像技術(shù)，進行站內(nèi)電氣設(shè)備在運行中熱故障的診斷與識別。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)備作為研究對象。以變壓器為例，分析運行中的技術(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驗電氣設(shè)備技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，使用文章設(shè)計的方法進行電氣設(shè)備熱故障的識別。識別過程中，先引進電脈沖紅外成像技術(shù)，獲取電氣設(shè)備溫度場圖像，為避免獲取的圖像中攜帶噪聲或其他因素對故障識別結(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，通過對電氣設(shè)備紅外圖像中高溫區(qū)域的提取，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備熱故障的診斷。

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

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 種方法對其進行熱故障識別，識別結(jié)果如表2 所示。

表2 變電站電氣設(shè)備熱故障識別結(jié)果

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

4 結(jié) 論

目前，我國大部分的變電站電氣設(shè)備故障識別與檢修仍然依靠人工的方法實行，即便部分變電站提出了使用紅外成像技術(shù)進行電氣設(shè)備熱故障的判斷，但對操作者的技術(shù)水平、工作經(jīng)驗要求也相對較高。在檢測過程中，操作人員的主觀因素會使檢測結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。為解決此方面問題，實現(xiàn)對設(shè)備運行中熱故障的精準(zhǔn)識別與及時處理，文章設(shè)計于電脈沖紅外成像技術(shù)的熱故障識別方法。經(jīng)對比實驗測試證明，文章的設(shè)計方法可以確保識別結(jié)果與電氣設(shè)備實際故障結(jié)果高度一致，顯著降低操作人員的主觀判斷和主觀判斷，對于保障電網(wǎng)安全運行、提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量具有重要意義。