利用红外测温技术实现电力变电站设备故障诊断研究

安徽理工大学 杨 晨

红外测温技术在当前科技的发展之下已经得到了广泛应用，效果显著，使得电力设备运行的可靠性能大大提高，本文首先介绍了红外检测技术的原理与特点，重点介绍了红外诊断技术的内容及其判断法。使用红外测温技术来实现变电站设备故障诊断，可以有效确保我国电力系统稳定发展与运行。

自2011年3月份起，我国颁布一系列法律条规来实现坚强智能电网的快速稳定发展。而加强智能电网的建设，保障电网的安全运行，现代化的电力设备状态检测手段是必不可少的环节。

现今，现代红外诊断技术已日益得到发展且趋于成熟，借以红外热成像诊断技术的快速无接触、准确性高等特点发展起来的电力变电站设备红外测温检测技术已备受国内外专业领域的关注。

1 红外测温技术的原理与特点

1.1 红外测温技术的原理

无论是何种物体，当其表面温度超过-273℃绝对零度，就会向外辐射出热量，由于物体表面温度存在差异，导致其能量的辐射水平与辐射波长也存在差异。但若是考虑红外辐射，当物体表面温度未能超出限定值时，由红外波在电磁热辐射的刺激下产生的电磁波强度是最大的，由此可见，通过测定物体表面红外波热辐射出的能量，就可以实现物体表面温度的精确测量。

1.2 电力设备故障及主要机理

电力系统中电气设备工作的过程中，在产生的电流、电压的影响之下，将产生较大的电阻损耗、引起发热的介质损耗、铁损增大故障以及电流异常和泄露电流增大4种主要来源的发热。这些都会导致设备表面温度场分布异常。

1.3 电力设备红外辐射的特点

根据黑体辐射定律一般可以得出黑体的温度与波长的关系，即可以求出目标物体的红外热辐射功率关系表达式，可以求出的辐射或者是全辐射后的功率表达式为：

在该式当中PλT是指光谱辐射功率，λ则为发生红外辐射的波长，T是指热力学温度，C1、C2指的是第一辐射常数与第二辐射常数，PT是指全辐射功率，σ是指的是斯蒂芬-波尔兹曼常数。

由图1所示可以看出，当温度测定都为150℃时，由于辐射率的差异，两者的光谱辐射度差竟然已经达到了34W/m2，这会使得测量结果产生变化。总而言之，随着辐射率的减小红外辐射光谱的强度也会随之降低。

图1 不同辐射率下红外辐射光谱分布曲线

由图1中还可以发现，红外辐射光谱的波长峰度值也与物体表面温度存在着反比关系，即随着电力设备温度的降低红外辐射光谱峰值的波长将会变大，随着电力变电站设备温度的升高，红外辐射光谱波长峰值的移动规律遵循如下所示的维恩公式：

在该式中λ是指红外辐射光谱峰值的波长，T则指的是热力学温度。

2 电力变电站红外诊断技术

通常情况，变电站中电力设备处于运行状态的过程中，不管是由于电力设备内部介质产生的电压损耗引起的发热，还是载流设备当中由电流导致的发热，故障产生的区域部位温度都会明显发生改变，并向着外部环境中辐射出红外射线。相对于红外诊断技术来说，选用的相关判据理论将直接关系到运用红外技术对电力变电站相关设备进行诊断的准确性能。近几年来，将红外诊断技术运用到图像以及数字处理上的频次快速增长，这使得红外诊断技术得到了进一步发展，为将红外诊断技术运用到电力变电站设备故障诊断提供了一种新的研究方向。

3 常规红外诊断方法

3.1 表面温度判断法

当电力设备中电磁部分发生铁损耗以及由电流导致的温度升高的情况之下，运用表面温度判断法将会更适用。对比于标准中设定的温度上限值，根据热成像仪检测到的设备表面温度结合负载率以及天气状况，可判断出部分设备的故障状况，然而使用此种方法却缺乏预见性，仅仅可用于当前时刻情况测定，抑或是存在的缺陷。但是该方法也存在不可忽视的优点，使用此种方法很是直观，且适用性强，大多数是应用于已经明确了有大负荷或是故障引起发热的情况下。在实际情况下，当使用表面温度判断法已经感知到设备的发热，并且产生的发热已达到规定的最大值时，应尽快安排人员进行故障排除，以保证设备能够正常运行。

3.2 同向比较判断法

同向比较判断法又称之为纵向比较判别法，是在相同环境下对于型号相同的电力变电站设备，从横向与纵向两个方向来比较温度变化情况，借以此来判断出电力设备的运行以及定位情况。根据经验可得，该种方法非常适用于由电流和电压引起的设备发热测定，在不超过温升上限且电压类别相同时判断的效果最佳。

3.3 特征图谱判别法

在运行的过程当中，无论是何种电力设备，其表面都存在固定的发热温度。特征图谱判别法即热像图特征判断法，非常适用于电压致热型设备。特征图谱判别方法主要是对比正常与发生故障两种情况下的热像图，若是差别较大则说明此部分可能存在故障，没有较大差别则表明设备运行正常，在排除如背景颜色或是太阳光等干扰因素后，准确判断出该种电力设备的运行状态。

3.4 相对温差判断法

在电力设备运行过程中，工况的差异在所难免，为排除此种情况的发生，故选择了相对温差判断法来实现设备检验。当由于场外环境温度较低时，设备的温度就很难达到事先设定的标准预设值，设备的潜在缺陷将很难发觉。随着负荷或天气温度的升高会大概率导致设备部分损坏。根据以往的经验可得，当周边环境温度尚且未发生改变之前，设备就已经存在问题的话，在环境温度变化时会对设备安全运行产生严重的干扰因素。使用此种方式可以在检测同种型号以及相同运行环境下设备的温度变化情况来实现，方法表达式为下式所示：

在该式子中τ1、τ2是指温度的变化；T1为所检测设备高于设定值时的温度；T2为同一位置设备无故障时的温度；T0是指场外温度。当通过该种方式判断出δt的值超出35%时，应安排相关人员尽早排除故障带来的风险。

3.5 档案分析判别法

使用此种方式来判断重要性强或者是有着复杂结构的变电站设备的效果是极佳的。该方式一般用于对其他检测方式起辅助作用，能够较为及时的找出检测设备已存在的问题，预测出设备的运行状况。通过与其他检测方式的结合可以更为及时准确的帮助发现设备存在的问题，尽早排除故障带来的风险。通过分析大量历史状态下的数据来建立数据库，可以使得数据的记录与分析更具规范性能，使用该方式可以为设备的检修提供工作前提。

3.6 实时分析判别法

采用此种方式来进行电力变电站设备的红外诊断可以有效提高时效性能。实时分析判别法是特指在不同时刻，借助与红外有关的设备来采集在负载变化的条件下温度的动态变化，当运行设备处于监测状态时，发现有运行设备温度超出限定值，即存在一定的运行故障，可以采用该方式来不间断监测运行状况，避免了故障缺陷的进一步发展，帮助采取一系列相关措施手段来解决故障问题。

结论：运用红外测温技术来实现变电站电力设备的故障诊断，不但能够帮助减少故障带来的实际损失，还能够帮助节约经济成本。现今电力设备红外检测技术已经得到了较大的发展与运用，红外测温相关设备也得到了改进，红外测温技术会在电力变电站设备的应用中更为广泛。