基于红外热成像的高压电气设备故障分析系统

廖萌　闫盈莹

摘 要：文章针对现目前红外热成像诊断技术存在的问题，首先归结了红外热成像技术的国内外研究现状，通过对红外热成像原理和实际物体对外热辐射的分析，提出了以温差法为主的测量方法，并设计了以OpenCV为平台的故障分析系统用以对高压电气设备进行红外热成像，再对其故障进行自动识别与故障分析；实现了对输变电设备的在线状态检测，为电力运维人员提供了参考。

关键词：在线检测；红外热成像；自动识别；故障分析

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0101-02

1 概 述

输变电设备不但是电力系统中重要组成部分，而且其安全稳定运行也是确保供电可靠性的一个重要因素[1]。长期户外运行着的输变电设备，不仅处于强电磁场和高温多湿等环境中，还偶有不可预估的恶劣天气出现，这都会导致输变电设备本身的绝缘能力降低[2]，从而故障出现的频率亦随之急剧增加。电气设备通常发生各种故障的表现形式为整体或者局部异常发热，比如设备绝缘性能的劣化或者绝缘故障所导致的介质损耗的增大而引起了发热、接头的接触不良引起局部过热以及设备的漏电漏磁引起发热现象等[3-4]。为了能降低设备故障的发生概率，提高设备运行稳定性，一种有效、安全、可靠的带电监测系统是目前电力系统运行着的输变电设备所最为急迫地需要着的[5]。

基于红外热成像原理的电气设备监控技术在电力行业中被越来越多的电力工作人员接受并应用了起来，其不仅可以对正运行中的电气设备进行不停电的检测，还可以对其缺陷和隐患及时发现。并且该红外热成像技术是对设备的内部辐射红外光线所进行的非接触、远距离的热成像检测，不受电场干扰，目前大多数都是以人工的方式在对变电设备红外图像进行着分析以及热故障的诊断，但此方法的效率较低，而且其自动化程度不高，需要花费较多的时间和精力，还容易出错。

2 国内外红外诊断技术

红外热成像技术在电力系统中的应用要追溯都上世纪50年代，当时瑞典电网使用红外热成像技术对输电线路的设备接头进行检测，由于技术不成熟，设备落后，导致无法准确测到设备接头的温度；英国、比利时、巴西等国家也在电力系统中相继应用了红外诊断技术。

我国将红外诊断技术运用于检测输变电设备始于1970年，当时利用国内生产的红外测温仪对室外电气设备接头进行测量；近十年，研究人员对设备的近端电流回路和设备的绝缘性能进行模拟实验，再通过以往处理各种发热故障事故的经验，建立了一套针对不同发热故障对应的红外热图像系统。但这一系统仅仅是从定性上进行了诊断，而不能对电气设备的运行状况进行定量的分析。因此，本文提出了基于相对温差法的红外热成像故障分析系统。

3 输变电设备红外检测的基本原理

红外热成像技术是综合了红外诊断技术和导热反问题，用以对输变电高压设备的内部绝缘能力采取的定量分析诊断。其主要内容是通过红外热像仪测量设备表面的温度数据，然后求解出导热反问题的一个必要性边界条件，最后对逆问题进行计算就可检测出设备内部是否有缺陷。

3.1 红外辐射

所谓红外辐射是自然界中所有物体都存在的一种红外电磁波辐射现象，伴随着电磁波的辐射，有一定量的红外热能损耗，这部分辐射的红外热的大小能可以利用物体表面的温度来度量。

相对温差是指两个测量点的温度之差和两个点中重较热一个点的温升之比的百分数：

ε=■×100%=■×100%

=■×100%（1）

其中，T1和δ1分别为温度（K）和发热点的温升（K）；

T2和δ2分别为温度（K）和正常时候相对应点温升（K）；

T0表示环境参照体温度；

τ表示相对温差。

引入相对温差这个参量是可以在电流大小相同时，通过比较设备的相对温差值变化，就可分析设备发热状况。

3.2 红外辐射定律

在研究红外热辐射与红外线波长的关系中常利用四个热定律：普朗克黑体辐射定律、维恩位移定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律和朗伯余弦定律。由于输变电设备所处的变电站中，强电磁场和各种信号电磁波分布比较复杂，因此将选定与电磁场辐射无关的普朗克辐射定律：

黑体的绝对温度T（K），其单位表面积向外辐射的功率Mλb（λ，T）与温度T、波长λ满足下列关系：

Mλb（λ，T）=C1λ-5[exp（C2/λT）-1]-1（2）

式中，C1是第一辐射常数；

C2是第二辐射常数。

从上式可知，把不同的温度值代入式（2）中就可以得到各种温度下物体对外辐射的红外热能。

3.3 实际物体的红外热辐射

根据普朗克辐射定律可知物体对外辐射红外热的强弱，只与物体的温度和波长有关系，针对实际物体，由于能量的损失，所有物体在对外辐射或者吸收能量的值都低于同等情况下黑体的辐射量，辐射值不仅由温度和波长决定，而且与此物体的材料及其形状有关。为了更准确的描述实际物体的对外辐射强弱，定义了一个参量为辐射系数，也可称为比辐射率，此系数仅与波长、温度有关。

4 红外热成像故障诊断方法与系统

4.1 相对温差法判断方法

在对输变电设备进行红外成像识别及故障诊断过程中，由于设备常常处在各种不同的复杂环境中，并且负荷电流对不同设备发热部位的影响不尽相同。

因此，为提高红外热成像识别和故障诊断的精度，针对不同情况，有六种判断方法：表面温度判断法、相间互比判别法、同相比较判别法、相对温差判断法、档案分析法和热像特征（特征图谱）判别法。

本文重点研究由电流过大而致热的设备红外热成像技术，因此将采用温差判断法来对电流致热型设备进行分析，采用此方法的优点是可减少由小负荷自身缺陷引起的漏判。

相对温差法是通过检测两台设备的两个对应观测点之间的温度差与两者中较热点的温升之比的百分数。测到异常点的发热温度T1、正常相对应点的温度T2、以及环境温度参照体的温度T0，即可计算出该异常点的相对温差，从而通过相对温差值，并结合发热点温度，以此为依据诊断电流致热型设备的缺陷，并进一步查找出该输变电设备的所存在的缺陷问题。

4.2 OpenCV平台

为了能准确、快速、可靠的判断出输变电设备有无因发热引起的故障，设计了一个基于开源发行的跨平台数据库（OpenCV）。OpenCV数据库中有非常全面的红外热图像处理库，可以为多种程序语言如C、C++、Matlab等，提供图像处理和计算机通用算法的交互[15]。

除了在语言交互方面，OpenCV还为Intel的Integrated performance primitives（IPP）提供了相应的连接点，也就是如果当要为特定处理器进行优化的IPP库时， OpenCV将在运行时自动加载这些库。

4.3 软件设计

利用OpenCV平台对系统软件进行设计开发。设计的系统具有直观、操作简便、灵活、方便等优势。设计的系统分为六大功能模块，图像管理模块，功能是进行图像数据的读取、保存、拷贝和退出等；人机界面模块，主要是电力工作人员与计算机的交互界面，其界面具有友好，操作简便等优点；图像预处理模块，该处理模块将进行被测设备的图像的滤波、灰度处理、图像分辨率增强和边缘修整；图像识别模块，将对设备的类型，型号进行分析，使方位拍摄图像能自动识别，进而进行下一步工作；故障诊断模块，根据图像前期处理结果与专家系统库中进行比对，获得故障类型；帮助文件模块，此模块主要是软件系统的介绍、软件的使用帮助、图像处理操作帮助等帮助理论。

该系统对输变电设备热故障的影响及其受损程度进行分类，可分为一般热故障、严重热故障和危险热故障三个等级，根据电力故障应急措施对这三种等级的事故采取对应的处理办法。对设备采取热故障诊断的根据是基于OpenCV平台的红外热成像故障系统判断被测设备有无发生故障，当判断发生故障时，确定其故障等级，如是一般热故障，系统就发出告警信号，引起电力工作人员的注意，并寻机处理；当判断为严重热故障时，系统将加强监视力度，并安排电力人员及时处理；当判断为危险热故障时，系统给出相应的处理方案。

5 结 语

针对现目前利用红外热成像技术进行输变电设备的故障分析诊断的缺陷和不足，本文首先对红外热成像技术的国内外研究现状进行了总结；再对红外热辐射的基本原理和实际物体的红外热辐射进行了定量阐述，确定了以相对温差法判断法为主体的研究办法，并设计了基于OpenCV平台的故障分析系统，通过该系统不仅解决了现目前红外热成像技术的问题，还大大提高了测量的精度。

参考文献：

[1] 陈衡，侯善敬.输变电设备故障红外诊断[M].北京：中国电力出版社，

1999.

[2] 林晋，基于红外测温技术的设备缺陷诊断方法研究[D].保定：华北电力 大学，2010.

[3] DL/T664-2008，带电设备红外诊断技术应用导则[S].

[4] 瞿子明.红外热成像技术在检测输变电设备内部缺陷中的应用[J].上 海电力，2005，（2）：182-184.

[5] 吴继平，李跃年.红外成像仪应用于输变电设备故障诊断[J].输变电设 备，2006，7（9）：38-41.

[6] 田志海.内部电绝缘缺陷的红外热像检测诊断[J].激光与红外，1996，26

（2）：92-94.