基于红外热成像技术实现电厂设备故障诊断系统研究

姚荣财，常福杰

（1.神华国华寿光发电有限责任公司，山东 潍坊 262714；2.北京电科智擎科技有限公司，北京 100000）

电厂设备往往处于高压、强磁场环境中。传统的接触式测量会给工作人员带来很大的安全隐患。当前，红外热成像技术被广泛用于电厂设备故障诊断与检修，通过检测电厂设备和布线中的热缺陷可以快速发现故障隐患，有效预防重大事故。红外热成像技术是电厂设备预防性维护领域最有效的检测工具。为了保证电厂设备的可靠运行，运维人员可以用便携式红外热成像仪定期对设备进行红外扫描，确保设备处于常温下运行。但是，这种检测方法不是实时的，无法在设备运行状态发生变化后及时检测到设备的温度变化，而通过在线远程红外摄像头可以实时监测关键设备温度，解决无法及时发现设备过热的问题。

1 电厂设备过热故障常见原因

电厂设备故障的风险等级从设备跳闸一直延伸到设备起火或损坏。电厂设备的早期异常往往伴随着明显的温度变化迹象，尤其是在导电且绝缘不良的情况下。此外，设备设计不合理、制造工艺标准低、安装、操作和维护不当也会造成电气或动机设备过热。过热是设备故障的主要症状，也是事故的先兆，而设备过热的常见原因主要包括：

（1）接触电阻超标：主要是因为螺丝或滑动按钮松动、氧化、接触不良或接触面积不足。

（2）漏电或放电：设备绝缘性能低，如表面污染、高湿度、绝缘劣化、间隙不足或过电压导致设备绝缘性能降低，进而发生漏电或放电。

（3）设备过载：由于设备设计或选型不合理、保护装置工作不正常、超负荷等原因导致电厂电器设备发生过载，导致其温度上升。

（4）涡流：由于设备设计、安装不合理引发的涡流感应导致的设备过热在实践中很常见。

（5）设备散热性能差：主要原因是设备工作环境温度过高导致过热、机柜通风不畅、降温设备运行异常等。

（6）雷暴、大风、冰雪灾害、外力等因素也可能导致电厂设备过热。

2 电厂设备故障诊断系统架构

在电厂设备所在区域安装具有红外测温功能的远程控制云台摄像机，将红外热成像仪安装在云台上，不仅可以进行远程视频监控，还可以通过云台实现快速平移/倾斜移动，方便检测设备各个角度的温度变化。系统可以自动检查设备各个位置的温度，并通过网络将红外热像和温度数据实时发送到监控中心，以便进行故障诊断分析。系统可以设置温度和温度限制以捕获特定位置的温度。系统可以自动保存每条测温记录并同时录制视频。当系统检测到温度异常（即超过设定的高低温范围）时，监控屏闪烁并发出蜂鸣警报声，提醒监控人员设备出现异常。电厂设备故障诊断系统框架如图1所示。

图1 电厂设备故障诊断系统框架

系统可以自动或手动设定巡视检查路线，实时捕捉设备指定部位的实时视频、红外图像和温度数据，并在3D场景中测量设备信息和PI测点信息。系统还可以在巡视检查期间接收设备当前运行状态的信息。通过对采集到的设备温度信息和运行状态信息进行对比分析，判断是否存在异常，并在第一时间显示报警信息时通知值班人员。在每次巡视检查结束时，系统会自动创建检查日志、检查报告和告警记录。

3 电厂设备故障诊断系统典型应用

（1）温度异常检测利用红外摄像头或者机器人从现场采集到设备温度信号，通过智能分析系统确定设备温度，超过限值则发出报警。具体算法类型和逻辑解释：利用红外热成像技术，基于热感应温度测量原理。在自然界中，除了人眼可见的光（俗称可见光）外，还有紫外线、红外线等不可见光。自然界中温度高于绝对零度的每个物体都会始终发出电磁波（红外辐射线）。因此，红外线是自然界最常见的电磁波，而且红外热辐射不会被大气烟雾吸收。随着科学技术的飞速发展，利用红外线的特性，将电子技术与计算机软件相结合，利用红外线检测技术对热辐射进行检测和测量。热传感器接收物体表面发出的热量差，通过电子技术和软件处理，呈现出不同亮度或色差的图像，我们通常称为红外热成像。通过热辐射算法转换热量后，在热图像和温度之间转换。

（2）磨煤机除粉器顶部堆积的粉体自燃监测。利用红外摄像头可以实时检测除粉器顶部的粉末堆积温度，如果堆积温度过高则发出报警（如图2）。温度测量时，应该为每个被检测设备选择不同的环境温度参考体以及正确的目标发射率。比较同类设备时，确保测温设备与各对应点的距离不变，方向不变；针对最热点的温度需要从多方面进行测量；记录异常设备的实际负载电流和加热相、正常相、环境温度参考体的温度值。

图2 磨煤机除粉器顶部的粉管温度监测

（3）电厂各种动机表面管温度监测。利用红外摄像头，基于红外热成像原理，精确确定设备在运行过程中的表面温度。同时，后台监控界面会准确显示设备当前的工作温度，如果温度超过设定的阈值就会报警。

4 结语

综上所述，电厂设备的故障会导致设备跳闸和损坏。在严重的情况下将导致电厂意外关闭，造成重大损失。大多与设备故障的发生和发展过程与设备散热和温度的升高密切相关。基于红外热成像技术的电厂设备故障诊断系统典型应用包括温度异常检测、温度异常报警，支持显示报警图像和视频，磨煤机除粉器顶部堆积的粉体自燃监测、磨煤机除粉器顶部的粉管温度监测，可以统计分析所有测温点的温度信息，支持查询测温点一年内的温度统计信息。通过红外热成像、非接触式温度传感以及红外测温技术可以远程监测设备运行状态，及时发现设备异常，直观准确地发现和评估设备的过热故障，方便运维人员迅速采取措施有效预防事故发生。