红外与紫外互补变电设备故障检测系统设计

2019-07-01郭鑫鑫高国庆姬嵩林刘芳舟

山西电子技术 2019年3期

郭鑫鑫，申冲，高国庆，姬嵩林，刘芳舟

(1.中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

传统的故障检测方法在诊断故障问题时，通常对具体运行时间长短以及使用环境等多方面因素造成忽略，影响了最终故障检测的精准度。而红外热图谱分析具有很好的前景，美国在上世纪70年代最先开始研究这一技术，国内真正开始在90年代末。为了解决变电设备故障检测的问题，本文提出一种红外与紫外互补的变电设备故障检测系统。

1 变电站设备故障检测系统设计

1.1 红外与紫外互补检测的重要性

红外热图谱分析技术有以下特点:1) 响应速度快。2) 测量范围宽。在理论层面根据斯蒂芬-波尔兹曼定律：W=εδAT4

式中：W为发热体发射的功率；ε为发射率；δ为波尔兹曼常数；A为发热体表面积(cm2)；T为发热体绝对温度(T=t+273.15)K

如果温度超过允许值，结合8 ℃法则可知每超过允许温度8 ℃则使用寿命减半。当带电设备有了热故障，其特点是过热点为最高温度，辐射出能量，通过红外成像仪采集的热像图，很容易发现这个最高温度点，也就是热故障点，由图像进而分析出产生原因[1]。且带电的电气设备发生局部放电或电晕时，会伴随着辐射出紫外线。空气中电晕光谱见图1。

图1 空气中的电晕光谱图(电压31 kV灵敏度50 μV)

波长范围在250 nm～450 nm之间，多集中在紫外区。紫外线检测仪的工作波段在240 nm～280 nm。紫外光摄像机成像设备含有两个通道:紫外线和可见光，紫外线通道用于电晕成像，可见光用于拍摄绝缘子，导线等图片。两种检测各有优缺点,具体对比见表1。

表1 IR检测与UV检测对比

总之，红外与紫外在检测变电设备时都有优缺点，所以设计一种红外与紫外一体化互补检测系统很重要。

1.2 系统总框架设计

通过对本系统设计的具体功能需求，分析得到该系统的主要运行功能包括客户端、服务端，具体框架结构设计见图2。其中服务端包括了硬件层、数据层、方案层，实现对系统底层硬件组件的处理，访问数据库系统，能够实现系统自主巡航处理功能[2]。

图2 系统整体结构示意图

数据层借助OLEDB技术在数据库内嵌入技术对象链接，保证访问系统数据实现扩展至其他数据库内部[3,4]。方案层主要以TCP/IP协议[5]，对客户端的数据访问，对有关数据信息完成采集，之后将采集的数据信息运载至硬件层或数据层完成具体操作，并向客户端反馈。

1.3 数据库设计

在检测变电设备故障问题应用该系统中，以诊断规则、设备类型作为系统完成设备故障检测诊断的基础，那么在实际分析过程中通过与故障诊断方案相结合，提出故障问题分析数据库，其数据库的核心组成作为故障表、故障诊断规则表，作为整个数据库核心结构组成[6]。

1.4 系统硬件设计

1.4.1 小型化紫外与红外检测光电采集模块硬件

该系统的紫外采集模块主要借助高精度日盲紫外镜头以及滤光片，保证紫外光的具体探测范围在240 nm～280 nm之间，保证该设备的紫外光探测范围符合日盲型紫外探测标准。并且借助光电阴极转换、转换屏技术此类光谱转换技术，实现转换屏技术性性能有效评估。借助非制冷型红外探测器设计红外成像采集模块，设置7.6 μm～14 μm的工作谱段，保证像素达到640×480。

1.4.2 紫外红外可见光图像的多通道融合显示

该系统主要研制的光学系统借助紫外光，联合可视化通道及红外通道，满足光学配准、同步变倍及调焦。针对电晕探测，将具备自动/手动调焦的对焦功能相机，应用于可视通道内，并且具体焦距数值依据UART完成最终读取，对此借助可视光相机作为检焦组件。紫外步进电机通过对光学镜头所在位置加以调整实现通道的对焦单元完成对焦。硬件手工调试红外成像及可见光成像叠加，之后完成软件功能叠加处理。

2 系统性能测试分析

针对变电设备系统故障，变电设备主要故障问题包括离线式、在线式两类。在本次研究中仅分析离线式系统故障问题，通过实现对变电设备的分类检测，结合人工复核保证检测过程中系统鲁棒性有效提升。实验借助FLIR E40型号红外热像仪设备，对电流互感器的红外图像进行采集，之后将所获RGB图像转变为灰度图像，之后分割灰度图像，所得系统的最终故障检测结果如图3。

图3 电流互感器一般故障检测结果

由图3中可以发现设备在运行中所达到的温度最高值为46.5 ℃，在数据库中所保存的电流互感器正常运行状态下的温度数值为30 ℃，两者之间的温度差值占55%，表明电流互感器存在一般故障情况，可能是触杆接触不良[7]。经过重复4次检测(见表2)。发现能够对故障问题获得清晰的红外图像，具备较高检测精准度及有效率。