电气设备运行监测新技术在煤化工企业的应用

万海林，刘国平，武建平，水 涛，杨一平

（甘肃华煤清能煤化工有限公司 甘肃 平凉 744100）

0 引言

在智慧社会发展下，物联网、5G、大数据分析及智能算法等技术在煤化工企业得到了广泛应用，加速了煤化工企业的技术升级，促进了煤化工企业信息化管理的转型。本文立足于煤化工企业电气设备运行监测新技术，对红外成像技术、局部放电检测技术、基于内阻的蓄电池监测技术等具体应用进行了详细阐述，确保煤化工企业获得持续、经济、绿色、安全、优质的电能供应[1]。为了促进煤化工企业信息化、数据化、智能化及高效化的发展，避免资金和设备浪费，提升电气设备运行监测水平，对电气设备运行监测新技术在煤化工企业的应用进行研究就变得越来越重要[2]。

1 红外成像技术在煤化工企业巡视中应用

1.1 巡视工作现状分析

煤化工企业中巡视工具现应用较多的为可见光巡视仪器，其工作原理为物体通过对反射的极少部分可见光来成像，成像核心在于可见光传感器。可见光传感器优点为，该传感器可以较为敏感地捕捉到成像图像场景亮度信息和颜色信息，图像细节表现丰富、视觉冲击力大、视觉体验感较好、图像信息表达力好、空间分辨率高、图像内容容易被人理解等。缺点为，该传感器受外界环境光照和能见度等因素影响较大，在晴天、白天等环境表现成像效果良好，成像较为清晰；在云雾、黑天、阴天、雨雪等恶劣环境表现成像效果较差，更甚至会由于图像成像目标被遮挡导致难于捕捉拍摄场景中有效信息，不能进行全天无间断实时可见光巡视工作[3]。

煤化工企业作为能源加工生产企业，地理位置多分布于偏远的山区或是环境相对恶劣的野外，电气设备作为保障煤化工企业持续稳定生产的关键设备，需要对其运行状态进行监视。利用可见光巡视仪器对电气设备运行状态进行巡视，只能对位于光线强度优良的电气设备外观进行监测，对电气设备细节进行了很好的展示，一旦遇上黑夜、阴雨天或是大雾等恶劣天气，可见光巡视仪器不能很好地对电气设备运行状态进行监测，进一步影响巡视工作效率。

红外成像技术成像原理与环境光照条件无关，可以很好地对电气设备运行状态目标信息进行捕捉，但是存在不能很好地描述电气设备运行细节的缺点，而将红外成像技术嵌入到可见光监测技术中，两者具有很好的图像信息互补特性，通过选取适宜图像融合技术，可以有效实现可见光图像细节展示和红外图像目标信息捕捉的结合，从而获取更为全面、清晰、准确、高效的电气设备运行监测信息。基于以上优点，将红外成像技术应用在煤化工企业，进行生产区域电气设备运行监测，可为企业快速监测设备异常运行提供助力[4]。

1.2 红外成像技术应用分析

由于不同物体或同一物体的不同部位辐射能力差异，导致它们在对红外线反射呈现出强弱区别，利用物体与背景环境的辐射差异及景物本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而能显示出景物的特征。设备红外成像原理示意图如图1所示，可以看出，红外辐射介于可见光光谱（0.4～0.75 μm）和微波光谱（＞15 μm）之间，火和太阳等作为红外线来源，通过具备红外热成像的摄像机输出图像称之为“热图像”。

图1 设备红外成像原理示意图

在煤化工企业中，配置用于电气设备监测功能操作的红外热成像仪，开展设备巡视工作时，通过嵌入红外成像技术的设备巡检终端，对煤化工企业电气设备表面的红外温度进行测量，经多次重复检测，建立煤化工企业每一个区域设备所属红外温度场。为了确保该功能的精确度，可人为调整被测设备表面温度范围（图2），对其进行红外测试，通过对获取数据的分析、诊断及报警灵敏度效果检验，来判断该功能模块的实用性和准确性。

图2 设备红外测温示意图

可见光和公文图像对比如图3所示，利用可见光成像巡视仪器和利用红外成像技术巡视仪器，得到的煤化工企业某变压器设备运行图像，对比发现，可见光巡视图像更为清晰，红外图像则捕捉了更敏感运行信息。

图3 可见光和公文图像对比

1.3 应用效果分析

嵌入红外成像技术巡视终端在煤化工企业中的应用，可以有效满足企业自动化、智能化、在线化的监测需求，实现煤化工企业电气设备巡视图像智能识别处理，能够自动判断柜体指示灯状态、分合闸状态、仪表读数等运行信息。在遇到雨天、下雾等恶劣天气时，红外成像设备相比传统巡检设备，可以更为清晰地对电气设备运行状态进行展示。红外成像技术在煤化工企业巡视中的应用，提高了企业电气化设备监测管理水平，降低了企业巡视人员的工作强度。

2 局部放电检测技术

2.1 电缆故障检测现状分析

在传统的电气设备故障检修中，电气设备主要通过定期破坏性试验来进行绝缘性优劣判断。在煤化工企业中，电缆故障检测现有手段对电缆设备进行预防性试验，即为按运维检修部事先编制的年度检修计划开展定期试验，一般间隔时间较长，2次试验之间无法有效遏制突发事故的发生。预防性试验是典型的破坏性试验，试验所加电压电流均高于正常运行水平，对电缆本身的绝缘也是一种考验，即电缆本身没有明显的故障，但多次破坏性耐压试验之后，电缆绝缘性能将大幅下降。同时试验期间需要中断对用户的供电，影响用户的正常生产与生活。因此，传统的预防性试验已经无法满足当下电缆运行维护需求[5]。

在煤化工企业中高压电缆均是穿管敷设的，没有空间给运维人员进行巡视，导致电缆工作人员不能及时发现电缆运行异常情况。对电缆绝缘开展在线监测，通过监测系统异常情况的告警提示，可以通知运维人员发现运行隐患，并及时安排停电检修，避免由于电缆故障所引起的电力事故产生。因此，设法引入电缆的绝缘在线监测，对煤化工企业电缆进行实时监测有助于电缆故障及时发现。

2.2 电缆绝缘在线监测系统应用

借助于采样精度很高的传感器，对能够表征电缆运行特征的电气量与非电气量进行采集，并选择合适的通信方式，送入微机控制器中进行处理，采用合适的算法对采集的电气量进行运算，最后给出电缆的健康指标。电缆发生故障前，所选的特征量必会变化，该变化能够提醒运行检修人员更换准故障电缆，防止突然故障的产生，给用户带来损失。基于此思路，电缆绝缘监测系统结构如图4所示。

图4 电缆绝缘监测系统结构

在每个电缆馈线的出线处布置终端监测模块，终端监测模块的主要功能包括信号采样、数据的前端处理和数据的上传。终端监测模块采集到的数据通过通信网络上传到上位机进行上层处理。上位机由于要处理复杂的算法，并有很高的通信要求，因此采用工控机来实现。以煤化工企业电缆现场运行数据为系统测试数据，电缆绝缘在线监测系统运行示意图如图5所示。

图5 系统运行示意图

在煤化工企业现场，对老化（非线性电阻）位于200 m处的电缆进行分析，当非线性电阻位于600 m和1 000 m处，进行同样的仿真实验分析。非线性电阻位于不同位置的电流分析，如图6所示。

图6 非线性电阻位于不同位置的电流分析

2.3 应用效果分析

将电缆绝缘在线监测系统应用在煤化工企业中，分别将非线性电阻置于电缆200、600、1 000 m处，对应线路为L1、L3、L2，表示故障发生在对应位置。同故障位置下的仿真情况，见表1。

表1 不同故障位置下的仿真情况

通过查找运行数据，在煤化工企业生产运行中找出部署电缆年限分别为重新部署、满5、10、15、20 a的设备，录取一段电压电流波形并经过傅里叶变换得到几组A50、A100K数据集，由此得到5种不同的样本集，每组样本包含2 000个数据。将这5种不同的数据集合并在一起，分别选出80%的样本用于支持向量机（support vector machine，SVM）分类模型训练，剩下20%的样本用于测试。不同电缆的分类测试见表2，可以看出，电缆绝缘在线监测系统对不同电缆的分类准确率超过95%，可以对电气设备实施有效监测。

表2 不同电缆的分类测试

3 基于内阻检测的蓄电池监测技术

3.1 蓄电池监测现状分析

在煤化工企业中，蓄电池主要有多组电池连接而成，主要监测手段为定期安排蓄电池运维厂家对蓄电池进行充放电试验，通过试验数据对蓄电池运行情况进行分析，判断蓄电池有无异常。巡视人员对蓄电池存放环境温湿度、蓄电池运行指示灯及蓄电池有无异响等情况进行查看、判断与记录。随着煤化工企业机房内配置蓄电池数量越来越多，对人工巡视人员业务素质要求也越来越高，一旦监测不力将导致蓄电池运行异常而不能及时发现，影响系统蓄电池供电可靠性[6]。

3.2 蓄电池在线监测系统应用

蓄电池在线检测每节蓄电池的内阻，系统可设定电池内阻的自动定时检测、自动采集，实现蓄电池的内阻、电压、温度等参数的自动检测，并对数据进行处理、分析和存储。使蓄电池监测人员及时了解每个蓄电池的工作状态，对电池的性能进行在线检测，当发现电池存在问题时，及时进行预警和报警。蓄电池在线监测系统总体设计框架如图7所示，该系统主要由UPS主机、蓄电池组、监测模块、专用协议模块、电源模块、GPRS模块，以及监测主机等构成。

图7 系统总体设计框架

3.3 应用效果分析

煤化工企业某组蓄电池内阻实时值示意图如图8所示，为系统进行蓄电池在线监测提供了辅助测试数据。

图8 蓄电池内阻实时值示意图

蓄电池在线监测系统实现了对系统内各类检测数据超限进行报警功能，并能在终端上自动发出报警信号。系统综合分析蓄电池的电压、内阻参数及变化趋势，实现了报警时间、类型、等级等不同类别，对历史报警进行查询、统计功能，并结合UPS主机信息提供预警信息，对蓄电池维护检修工作给出指导建议。历史数据信息采用曲线显示示意图如图9所示，对测试电池的内阻和电压数据进行了历史数据对比显示。

图9 历史数据曲线显示示意图

蓄电池在线监测系统实时监控数据机房电池运行及预估报警状态，分析蓄电池异常运行状态，有效地实施了蓄电池集中监控、数据采集、数据分析、实时报警、历史查询、曲线展示等功能，为煤化工企业蓄电池监测提供了有效助力。

4 结语

综上所述，随着在线监测技术不断发展与成熟，运行监测技术对电气设备实施在线式监测，对于企业安全、可靠且高效生产起到了至关重要的作用，达到对不同电气设备实施精准监测管理的智能化操作目标。本文以现有的典型电气设备运行监测新技术研究为基础，并对红外成像技术、局部放电技术及蓄电池在线监测技术等进行了研究，给出了每个新技术的工作原理及应用，为更好地了解电气设备运行监测新技术在煤化工企业应用起到了辅助作用。