紅外熱像測溫技術在電力系統中的應用

　　1.概述

　　隨著電力工業向著大機組、大容量與高電壓供電的方向迅速發展，保證供電系統的安全運行和保障電力設備時刻處于穩定良好的狀態，成了電力管理的突出問題。由于電力設備的熱效應是多種故障和異常現象的重要原因，因此對電力設備的溫度進行實時在線溫度監測，是保障電力設備運行可靠的必備手段。在供電網絡發展極為迅速和網架結構日趨合理化的今天，國家對電力系統供電可靠性的要求越來越高。因此輸電線路紅外熱像在線測溫技術在電力系統中的應用顯得尤為重要。

　　2.紅外熱像測溫技術

　　紅外熱像測溫技術是利用紅外探測輸電線路中各種電氣設備表面輻射的不為人眼所見的紅外線輻射狀態的熱信息，然后轉換成溫度進行顯示的技術。是一種被動的、非接觸式的檢測手段。它能測量設備表面上某點周圍確定面積的平均溫度，以溫度高低來判斷其工作狀態的正常與否。紅外熱像儀就是利用該技術制作而成的檢測設備，目前已在輸電線路在線測溫、電力設備故障診斷領域得到廣泛應用。其簡單工作示意圖如圖1所示。

　　設備的紅外輻射通過大氣傳輸到紅外熱像儀，熱像儀中的光學系統將設備輻射的能量匯聚到探測器上，探測器將入射的輻射轉換成為電信號，經過信號處理后顯示出來。

圖1：熱像儀簡單工作示意圖

　　紅外熱成像儀的功能及優勢：(1)通過對設備表面溫度分布的測量，可以分析設備內部熱損耗部位和性質，從而判斷該設備的健康狀態。熱點溫度直觀顯示，熱清晰，能儲存和打印。(2)具有定性成像與定量測量的雙重功能，并有較高空間分辨率和溫度分辨率，能夠辨別很小的溫差。實時熱能夠清晰顯示在屏幕上，為建立熱數據庫提供了條件，實現了采集、儲存、分析于一體的功能。(3)用紅外熱成像儀檢測設備，屬于遠距離非接觸式的掃描巡檢，可以保證人身設備的安全。(4)紅外熱成像儀檢測設備，如同用攝像機錄像，能夠快速的對大面積的設備進行檢測，能夠準確、直觀的發現與運行電壓、電流有關的設備缺陷，還可對缺陷的性質、位置、程度做出定性、定量的判斷。

　　3。紅外熱像測溫技術的應用

　　輸電線路的溫度信息可以通過紅外圖像進行有效反映。紅外熱像是唯一一種可以將熱信息瞬間可視化，并加以驗證的診斷技術。紅外熱像儀可揭示熱故障，并通過非接觸溫度測量加以定性分析，在專業的紅外分析軟件的幫助下，數秒內便可自動完成分析報告。

　　3.1紅外熱像測溫技術在設備檢測方面的應用

　　所有利用或者發射能量的設備在發生故障前都會產生發熱現象。電力系統的設備巡視人員以前在巡視時一般通過目測、耳聽和鼻嗅等來了解設備的運行情況，其中以目測為主，但目測的方法有著很大的局限性，對一些有發展性的缺陷，特別是設備內部缺陷，要到設備發熱到一定程度后才能被發現，這樣不但給設備缺陷的及時發現和處理造成延誤，而且可能會對運行設備造成不同程度的損壞。而紅外熱像技術它能夠在設備發生故障之前，快速、準確、安全地發現故障，并及時進行維修，避免輸電線路因高溫熱故障造成斷電掉電所帶來的損失。

　　紅外熱像儀能夠正確引導預防性維護專家對電氣設備的運行情況進行準確判斷。可以將測量溫度值與歷史溫度進行比較，或者與相同時間同類設備的溫度讀數進行比較，以準確判斷是否發生了顯著的溫升，是否會導致部件失效，帶來生產隱患。主要用于電力預防性維護等用途。特別是用于輸電線路預防性維護、檢測方面，具有很大的優越性

　　紅外熱像儀的特點：(1)操作簡單，設備溫度巡視直觀方便。運用菜單操作模式，人機界面友好，操作簡單；還可通過通信口，將圖像信息傳輸到計算機，利用計算機對溫度圖像進行后臺處理。(2)以掃描方式探測設備溫度，取代逐點測量模式，極大提高工作效率。紅外熱成像儀可同時測量掃描范圍內所有設備的溫度，并且可以通過設置，對掃描范圍內超過允許溫度值進行報警，利用此機對變電站進行巡視，一座變電站只需十幾分鐘到半個小時即可完成所有設備的溫度初步測量。(3)通過掃描方式測溫，使得對電力設備溫度的重點測量轉為全面測量成為可能。不僅設備接頭部分可以全部測量，設備本身如變壓器、斷路器、瓷瓶等均可進行測量。(4)由于測溫效率的提高，從而使設備測溫頻率提高，設備溫度情況掌握更為及時。實現了巡視設備的同時測量設備溫度，使得設備溫度測量頻率與設備巡視頻率實現了同步，設備溫度情況掌握及時性大為提高。(5)通過溫度圖像，使設備故障分析成為可能。測量的設備溫度圖像，由于其溫度信息豐富，可以觀測到設備各點的溫度分布。通過溫度分布信息，可以探測設備內部故障，實現設備故障分析。

　　3.2 紅外熱像測溫技術在溫度在線監測方面的應用

　　輸電線路紅外熱像在線測溫系統運用先進的紅外熱像技術，對輸電線路運行溫度進行狀態在線監測；利用已有的GPRS無線通信網絡實現熱像圖數據的傳輸，具有覆蓋面廣，無需增加傳輸設備和線路的特點，特別適用于無法架設線路的偏遠地域的輸電線路場合。系統圖像采集與傳輸終端由紅外熱像圖采集模塊、圖像數據壓縮模塊、GPRS網絡通信模塊、圖像數據傳輸模塊和太陽能供電裝置等組成，其中圖像數據壓縮模塊采用JPEG硬件壓縮編碼技術，對靜態圖像進行壓縮編碼，最大限度地減少了網絡傳輸的數據量，節省了網絡資源，提高了圖片的傳輸速度。為了解決設計中的高速率圖像采集、壓縮控制與數據傳輸速度相對較慢帶來的變速率采樣問題，系統硬件結構采用微控制器加可編程邏輯控制芯片(MCU+CPLD)的方案，各項子功能由標準通用模塊完成，降低了系統復雜度，提高了系統整體性能，用戶可以利用PC機通過Internet上實現熱像圖的遠端采集與現場監控。

　　3.2.1 在線溫度監控系統的結構

　　整個監控系統主要分為兩個部分：圖像采集與傳輸終端(前端)；監控中心計算機數據服務器(中心端)。在系統構成上可分為上位機(監控中心計算機數據服務器)和下位機(圖像采集與傳輸終端)兩大部分。計算機數據服務器負責對圖像采集與傳輸終端進行管理和控制，處于管理層次的上層，因此稱為上位機。圖像采集與傳輸終端處在數據中心的控制下，負責對數據進行采集和傳輸，處于管理層次的下層，因此稱為下位機。系統結構如圖2所示。

圖2系統結構圖

　　圖像采集與傳輸終端包括以圖像采集芯片處理器為核心的圖像采集與JPEG壓縮部分和GPRS網絡傳輸部分以及紅外報警部分。圖像采集部分由視頻A／D芯片實現模擬圖像的數字化轉換，使用專用芯片實現JPEG圖像壓縮編碼。GPRS無線網絡傳輸部分由專用GPRS模塊實現網絡傳輸功能，它與圖像采集部分的接口是通用異步串行接口(UART)。紅外報警部分實現輸電線路溫度出現異常狀況的報警功能。下位機主要實現輸電線路現場原始圖像的采集和壓縮以及壓縮圖像數據的GPRS無線信道傳輸，這些功能都由相應的軟件支持系統實現。

　　服務器包括硬件和軟件，硬件為具有公網IP地址的計算機，軟件即為服務器程序，由服務器程序實現GPRS網絡傳輸模塊和中心間的命令傳遞和數據傳輸。監控中心計算機數據服務器也包括硬件和軟件部分。硬件為一臺能接入Internet的計算機，軟件為監控程序，電腦的網絡狀態為公網、動態IP。在這里特別指出，因為監控中心端滿足服務器的網絡要求，所以該系統將服務器和監控中心端放到一臺計算機上，以節約硬件和網絡資源。上位機主要實現壓縮圖像數據的接收及解碼和接收圖像數據的數據庫保存和處理。

　　3.2.2 在線溫度監控系統的特點

　　(1)非接觸式測溫，溫度測量信號既可以連續的，也可以是間斷的，具有就地溫度顯示功能，同時詛度測量信號可轉換成標準電信號實現遠傳。

　　(2)溫度響應時間比接觸式溫度測量快，溫度測量數據準確、精度等級高、穩定可靠。

　　(3)溫度測量系統操作靈活、簡單、快捷、方便、安全可靠，系統免維護。

　　(4)測溫系統抗干擾能力強，在噪聲大、電磁干擾大、震動大、粉塵大的環境下仍能正常工作。

　　(5)無線傳輸性能穩定，能克服現場的惡劣環境，將溫度測量信號時實、準確的傳輸到控制室。

　　(6)溫度測量計算機系統實時顯示溫度測量信號，可以隨時讀取和以多種形式進行存儲，另外溫度測量信號可以上傳到ERP管理網。

　　（7）本系統實現了遠程自動檢測控制系統。系統將自動保存每次溫度巡檢的記錄，并可同時進行視頻錄像。一旦系統檢測到溫度異常(即超出高低溫度區間設置)就會通過監控屏幕的閃爍和報警聲音提示監控工作人員有異常產生。顯示、報警、預置、記錄查詢等都在監控中心實現。這樣，即保證了測量的及時性，又減輕了人力、物力的消耗。

　　4.結論

　　紅外熱成像技術是一項十分有效的新型設備故障檢測、溫度在線測量技術，能夠正確引導預防性維護專家對電氣設備的運行情況進行準確判斷，提高了設備運行管理水平，保證了電網安全優質供電，更好地實現變電站無人值守，對促進非接觸式紅外熱像儀在電力系統中的應用具有重要的意義

　　[作者簡介]牟愛霞，山東工業職業學院教師。主要從事自動化檢測，智能傳感器應用等方向的研究和教學工作。山東省淄博市高新技術開發區69號山東工業職業學院建筑與信息工程系，郵編256414。