基于变电站设备巡检的红外智能在线监测系统

tianzhuo2010

摘要：随着国网及南网有关智能变电站建设步伐的加快，以往用于变电站巡检的手持式红外测温仪已远不能满足需求现状。本文对变电站内电气设备的发热故障类型及红外测温技术进行了简单概述，并提出了“红外智能在线监测系统”。分析表明，该“红外智能在线监测系统”在电力行业具有广泛的应用及推广价值。

关键字： 智能电网 无人值守变电站 红外测温 智能在线监测系统

0 引言

国民经济与社会发展“十二五”规划中明确指出：要加快推进智能电网建设。随着近几年智能电网技术研究的不断推进及深入，国家电网公司及南方电网公司均已在各地市部署了一系列智能电网相关试点工程。变电站作为是电力系统运行的重要环节，担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，其正常与否关系到整个电力系统运行的好坏，在智能电网建设的过程中正受到越来越多的重视。

1 变电站电气设备测温概述

变配电设备一旦出现故障，会造成巨大财产损失及不良社会影响。所以如何保障电力设备时刻处于稳定而良好的工作状态，是电力管理部门的重点问题。

下表为2008年变电站非计划全站停电情况的统计表[1]。

表格1 2008年变电站非计划全站停电情况统计

非计划全站停电座数（座）	电压等级（KV）	平均停运时间（小时）	平均影响变电站可用系数百分点
123	220	90.92	1.038
16	500	362.165	4.134

电力设备一般是由于过流、过载、老化、接触不良、漏电、设备内部缺陷或其他异常导致的，而这些故障一般都会伴有发热异常等现象。设备发热整个电力设备缺陷的比例非常高。据统计，发热缺陷约占I类缺陷的60%，已成为影响电力设备安全运行的重要因素。及时发现设备发热缺陷，将发热缺陷消除在初始状态，是保证设备的安全运行，降低检修成本，减少事故发生，避免被迫停电的关键[2]。

1.1   电气设备发热故障分类

导致变电站内电气设备发热异常的原因主要有两大类：其中一类是电流型致热，另一类则为电压型致热。

1)        电流型致热   

电流型致热是指由于电流作用而引起设备发热异常。其发热功率主要取决于电流，且热量与电流平方成正比，如下公式：

  (1)

电流型致热故障往往由于电气设备与金属部件之间的接触不良导致电流变化而产生，主要发生在电气设备与金属部件间的导线、线夹、接头等的接触不良而致。电流型致热的电气设备主要包括：SF6断路器、真空断路器、充油套管、高压开关柜、空气断路器、隔离开关等。

（2）电压型致热   

电压型致热是指由于电压作用而引起的设备发热异常，其发热功率主要取决于电压,且热量与电压平方成正比，如下公式：

  (2)

电压型致热故障往往由于设备内部缺陷（如介损增大、泄漏电流增大、局部放电等）或者外部缺陷（如瓷介质表面污秽、裂纹等）导致电压分布异常和泄漏电流增大而产生，主要发生在绝缘介质上。电压型致热的电气设备主要包括：电压互感器、避雷器、绝缘子、耦合电容器等。

相比电流致热型设备，电压致热型设备发生缺陷时其温升不明显,较不易发现。文献3中专门针对变电站电压致热型设备的红外测温诊断进行了分析。

1.2   电气设备故障分析方法

通过红外测温技术对电气设备进行温度测量，进而分析出对应电气设备是否存在潜在故障。目前主要有以下故障分析方法：

1)        绝对温度判断法

对测得的设备表面温度与GB763-90《交流高压电器在长期工作时的发热》有关规定相对照，从而判断设备的运行状况。

2)        相对温差判断法[4]

          相对温差 定义为两个对应测点间的温差与其中较高热点的温升之比。如下公式：

   (3)

其中，  

     

此判断法主要适用于发热点温升大于10K的电流致热型设备的故障分析。不同的 值对应不同的缺陷级别。如下表所示：

表格2 部分电流致热型设备的相对温差判据

设备类型	相对温差值%
	一般 缺陷	重大 缺陷	紧急 缺陷
SF6断路器	≥20	≥80	≥95
真空断路器	≥20	≥80	≥95
充油套管	≥20	≥80	≥95
高压开关柜	≥35	≥80	≥95
空气断路器	≥50	≥80	≥95
隔离开关	≥35	≥80	≥95

3)         三相温差判断法

根据三相设备对应部位的温差来判断

设备的运行状况。

       除此之外，还有热像图谱异常判断法、档案分析法等故障分析方法。不同故障分析方法各有特点，可综合考虑选用。

2 红外测温技术

2.1 红外简介

理论研究与实践证明，一切温度高于绝对零度（-273°C）的物体，其表面都在不停地向周围空间辐射红外能量。通过对红外能量的测量，我们便能准确获得物体表面温度；同时通过热成像技术，我们还能看见清晰的热像图。如下图所示，即为变电站变压器油过热的热像图及可见光图。

图1为变电站变压器油过热而显示的红外热像图及可见光图。

图 1 变压器油过热红外热像图及可见光图

2.2 关键技术

1)        目标距离估算

手持式红外热像仪的测温距离是需要人工设定的，在线式红外热像仪由于没有人为介入，就必须自动对目标进行距离测定。在红外热像仪里放置激光测距仪是一个办法，但成本太高，不具备实用性。所以，目前国内厂家大多很难解决这项难题。

键桥通讯结合大量的实验及数据，创新提出了采用镜头聚焦位置参数+预估距离的方法解决距离估算的技术瓶颈。具体做法是：首先对镜头聚焦位置进行等刻度编码，从最近焦到最远焦分别赋予编码值，不同的编码值代表目标的不同距离。此外为了更进一步的保证距离的准确性，设备在安装时对不同的视场人工预设距离，两者判断后即可获得准确的目标距离，有了目标距离后，系统软件就可调用相应的参数来计算出目标的温度。

实验表明：在近焦处，目标距离对测温结果的影响较大；在远焦处，距离对测温结果的影响较小，正好弥补了镜头景深的影响。

2)        兴趣点精确定位

变电站内根据监测点的重要程度往往需要设定若干多个兴趣点，要获得兴趣点的精确温度，首先要解决兴趣点的定位问题。传统的采用调用云台预置位的方式会存在严重的误差累积，所以一般不建议采用。

键桥通讯结合大量的实验及数据，创新的提出了采用归零预置位+方位角查询+图像移位匹配三种方式相结合，很好的解决了兴趣点准确定位问题。具体做法是：在每次扫描前，云台归位到零预置位，这样可以消除大部分的误差累积；对于云台机械造成的随机误差，软件可通过查询云台角度来获取精确的方位角：如果误差大于0.2°；则再次调用该预置位；如果角度误差小于0.2°，则采用图像模板的方式进行图像移位匹配，图像移位能在上下左右各5个像素内移动。为了防止移位可能造成的兴趣点丢失，在预设兴趣点时，兴趣点的位置不要设在图像边缘6个像素内。

我们在目标距离为100米时做了大量实验，实验效果表明：系统的定位精度在云台的误差范围内。

3)        智能性

为迎合智能电网发展需要，键桥通讯在汲取大量客户需求的基础上，结合最先进的红外成像及图像处理技术等，开发出了智能红外在线监测系统。其智能性主要体现在如下几方面：

Ø 测温过程不需要人工干预操作；

Ø 可远程进行系统及设备的配置、管理及查看；

Ø 可按照预定轨迹主动完成变电站内电气设备周期性巡检测温；

Ø 可实现远距离实时测温并及时报警；

Ø 可与电力其他其他系统相对接；

Ø 可对历史及实时数据进行录入、提取并分析，输出满足管理需求的报表。

2.3   红外测温技术应用现状

目前，变电站巡检人员采用红外测温技术进行巡检的设备主要有两类：一类是手持式红外热像仪；另一类则为远程在线式红外热像仪。这两种热像仪的比较如下表所示：

表格3 两种红外测温设备/系统比较

类别 内容	手持式	远程在线式
应用 范围	目前绝大多数 电力客户使用	目前正处于大范围试点及推广期
巡检测温方式	定期计划巡检，非接触逐点测温	支持全天候实时巡检，非接触多点测温
成像 方式	支持红外 热像图	支持红外热像图、 可见光图，并可支 持三维图像显示
测温 距离	一般5-15米 范围	一般3-200米范围
报警 方式	声光报警	支持声光、短信、邮件等多种报警方式
通信 规约	不支持IEC61850	可支持IEC61850
设备 成本	单台设备需要几万至几十万不等，一般220KV变电站需配备1-2台	单台设备需要20-25万元，一般典型220KV变电站需部署2-3台
工作效率及人力成本	需工作人员现场测温，工作效率低，人力成本消耗较高	工作人员远程即可实现相关操作，工作效率高，人力成本消耗很低

由上表比较分析可知，传统手持式红外测温仪已远远不能满足需求现状。现在迫切需要这种远距离、可大面积快速扫描成像、能够兼容电力相关系统并可安全、可靠、准确而高效地发现电气设备热缺陷的智能在线监测系统。

随着智能电网建设的不断推进，这种智能的红外在线监测系统将逐渐替代手持式测温设备，并最终应用到每一座无人值守变电站中。

3 智能红外测温监测系统可行性分析

红外智能在线监测系统是键桥通讯紧跟国网及南网加快建设智能电网步伐，针对电力客户现场需求而量身定做的新一代测温系统，极具推广价值。具体如下所述：

3.1 典型组网架构图

红外测温系统主要由站端监测、市级监测及省级监测三级组网架构组成。如下图所示：

图 2 红外测温系统组网架构

各级用户均可查看各站端红外测温设备的监测情况，不同用户根据各自的权限可对设备进行相应操作；红外服务器则主要部署在站端及省级管理中心。其中，省级红外服务器作为系统的核心服务器，主要实现以下功能：

1）    负责管理系统的基础资料数据，包括管理远程、本地客户端的接入；

2）    负责各子站点红外测温设备的接入和状态管理；

3）    负责系统业务的实现，包括数据的分析统计、报表的输出等功能；

4）    负责所有客户端的认证。

变电站站端服务器则主要用于存放图像数据。

3.2 系统亮点

本文提出的基于红外智能在线监测系统有如下亮点：

1)    智能性

              解决了传统手持式红外热像仪的弊端，实现了全自动巡检测温、报警、报表生成等一系列工作；

2)    测温精度高

              采用最新的氧化钒探测器（国内之前大多采用多晶硅），测温灵敏度高，噪声低，测温精度可达到0.1℃；

3)    测温准确度高

              系统根据测温对象（主变、隔离开关、刀闸、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、绝缘子等）可灵活调整辐射率，经过大量实验数据表明：在3至200米范围内对温度为-20℃至150℃物体进行测温，测温绝对误差值小于3℃，完全上满足电气设备测温准确度要求。

4)    兼容及扩展性强

              系统可与变电站内视频监控、动力环境、烟感、门禁、采暖通风、空调等多系统相融合管理，还可实现与电力办公自动化等系统对接，具有强大的兼容及扩展性。

3.3   效益分析

               “红外智能在线监测系统”的上线可个电力企业带来如下效益：

1)        节省人力资源

              工作人员由现场巡检改为远程在线式巡检，系统可同时对多个变电站内设备进行统一查看、管理，节省了电力企业人力资源；

2)      提高用户满意度

              由定期计划巡检改为实时状态巡检，减少了巡检盲点，提高设备故障发现率，为社会生产、人民生活提供提供强有力的保障，提高了用户满意度；

3)      提高工作效率

系统可自动生成相关报表，方便工作人员对历史数据进行查看及分析，根据设备情况实现经济型预知维修，极大的提高了工作效率；

4)        降低企业损失

         系统支持声光报警、手机短信、邮件等多种告警方式，设备紧急故障情况可第一时间通知相关工作人员，极大的降低电力企业损失；

4 总结

键桥通讯“红外智能在线监测系统”可形象、直观而准确的显示故障点情况，而且检测时不需要停电，不需要取样，不需要改变设备的运行参数，目前已在新疆、宁夏、浙江、黑龙江、陕西、山西、云南、贵州、广东等多省市电力相关部门运行，深得客户的好评。

由此可见，积极发展与推广红外测温技术在变电站设备巡检中的应用，具有十分重要的意义。