基于电脉冲红外成像技术的变电站电气设备热故障识别方法

石 洋，韩文虎

（1.国网陕西超高压公司，陕西 西安 710000；2.国网辽宁省电力有限公司葫芦岛市供电公司，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引 言

在电网运行中，大约70%的故障由电气设备引起，变电站内电气设备的正常、稳定运行对电网内变电站的安全维护而言非常重要[1]。长时间使用的变电所设备会产生各种故障，一旦产生故障，对应的故障区域电气设备就会在运行中出现温度方面的显著变化，从而产生变电站异常温区[2]。为保证变电站甚至整个电网安全、稳定运行，对电气设备进行热态监测，是一项有意义、有必要的工作。为落实此项工作，利用电脉冲红外成像技术对被测器件表面温度场进行测量、处理和分析，得出测量器件表面温度场的相关信息。电脉冲红外成像技术在远程、无接触、高安全、高精度、快速以及便捷等方面有很大优势。文章引进电脉冲红外成像技术，设计一种针对电气设备的热故障全新识别方法，实现对电气设备故障、缺陷的精确诊断，降低电气设备故障导致的电网运行异常等现象发生的概率。

1 基于电脉冲红外成像技术的电气设备温度场图像获取

电脉冲红外成像技术可以非接触式地测量和记录设备表面的温度分布，能够准确检测和识别设备表面的热点和异常发热区域，从而获取电气设备温度场图像。电脉冲红外成像技术对温度变化非常敏感，可以发现微小的温度差异，即使是较小的异常情况也能被准确地检测和识别。同时，使用电脉冲红外成像技术不会对电气设备造成任何影响，是一种非破坏性的检测方法。在检测过程中无须停机或拆卸设备，避免了不必要的生产中断和维护成本。电气设备在运行时可能产生局部高温，使用电脉冲红外成像技术可以安全地监测设备表面的温度情况，避免操作人员接触高温表面而造成伤害[3]。因此，文章基于电脉冲红外成像技术来获取电气设备温度场图像。为满足电气设备热故障诊断需求，设计基于电脉冲红外成像技术获取电气设备温度场图像过程，具体如图1 所示。

图1 基于电脉冲红外成像技术的设备温度场图像获取

为确保图像获取的连续性，需要设定电脉冲辐射线的发射率，具体公式为

式中：W为电脉冲辐射线的发射率；σ为玻尔茨曼常数；ε为电脉冲红外辐射单元；T为被测电气设备表面的绝热温度。电气设备的表面由很多小单元构成，在任何一个物体的表面上，都会有一个与之相对应的热辐射场。红外热成像仪是一种对热辐射能量场进行测量，并将其转化为可以被人类肉眼观测到的可见光强场的设备[4]。检测过程中，利用扫描仪逐点检测目标表面的热辐射，将其转化为电信号和视频信号，使温度场检测结果以图像的形式呈现在目标表面，实现对目标表面的热辐射能量场、温度场的直观描绘。

2 电气设备红外图像中高温区域提取与热故障诊断

对于预处理采集的电气设备红外图像，先引进均值法，进行图像的灰度化处理，处理过程为

式中：A为电气设备红外图像的灰度化处理；R、G、B为电气设备红外图像的3 个亮度分量[5]。引进均值滤波法，对完成灰度处理的图像进行滤波，处理过程为

式中：f为图像滤波处理；N为滤波处理尺寸；F为目标像素点；m为窗口长度；n为窗口宽度。完成电气设备红外图像处理后，引进相对温差法，提取图像中高温区域。提取过程中，采用横向比较法，评估2个测点之间的电气设备状态，计算公式为

式中，δ表示电气设备红外图像中的高温区域；τ1为红外图像中发热点局部升温区域；τ2为红外图像中常态化条件下的温度区域；T0为电气设备高温安全系数。以此为依据，实现电气设备红外图像中高温区域提取。确定高温区域后，重复式（2）到式（4）的步骤，计算高温区域的具体温升值，根据计算结果判断电气设备在运行中的温升趋势，掌握故障发展状态，实现对电气设备的热故障诊断。

3 对比实验

为实现该方法在电气设备中应用效果的测试，选择某变电站作为试点单位。与该变电站负责单位交涉与沟通后，明确此变电站在运行中经常会出现供电不稳定或中断等现象。据技术人员统计，超过70%的变电站供电服务异常由电气设备热故障导致，针对此方面问题，技术部门投入大量的资金用于故障识别与诊断，但此方面的研究一直未能取得显著的成果。

为解决此方面不足，引进电脉冲红外成像技术，进行站内电气设备在运行中热故障的诊断与识别。根据变电站中设备的分布与空间整体布局，绘制变电站基本结构，并选择变电站内220 kV 变压器、66 kV 电容器、悬挂式绝缘子等电气设备作为研究对象。以变压器为例，分析运行中的技术参数，如表1 所示。

表1 变电站中电气设备运行技术参数分析

按照表1 所示的内容，分析变电站中其他参与实验电气设备技术参数。在此基础上，使用文章设计的方法进行电气设备热故障的识别。识别过程中，先引进电脉冲红外成像技术，获取电气设备温度场图像，为避免获取的图像中携带噪声或其他因素对故障识别结果造成影响，需要预处理获取的变电站电气设备红外图像，通过对电气设备红外图像中高温区域的提取，实现对区域内电气设备热故障的诊断。

完成设计方法在测试环境中的应用后，引入基于Dempster-Shafer 的热故障识别方法、基于多尺度引导滤波的热故障识别方法，分别作为传统方法1、传统方法2，与设计方法进行设备热故障的识别对比。

将电气设备热故障用1 ～5 表示。其中：1 表示电气设备部分释电故障；2 表示电气设备强温较热故障；3 表示电气设备弱温较热故障；4 表示电气设备无热故障；5 表示电气设备均温较热故障。在已知变电站中电气设备热故障类型的基础上，使用3 种方法对其进行热故障识别，识别结果如表2 所示。

表2 变电站电气设备热故障识别结果

从表2 所示的实验结果可以看出，3 种方法中，只有使用设计的方法进行设备热故障识别可以确保识别结果与电气设备实际热故障一致，而使用传统方法进行设备热故障识别，无法保证识别结果与电气设备实际热故障结果一致。由此表明：相比传统方法，文章设计的基于电脉冲红外成像技术的热故障识别方法应用效果良好，按照规范使用设计方法进行变电站中电气设备的热故障识别，可以确保识别结果与电气设备实际故障结果高度一致，可以实现对电气设备在运行中故障现象的精准排查，避免热故障造成的电网、电气设备运行异常。

4 结 论

目前，我国大部分的变电站电气设备故障识别与检修仍然依靠人工的方法实行，即便部分变电站提出了使用红外成像技术进行电气设备热故障的判断，但对操作者的技术水平、工作经验要求也相对较高。在检测过程中，操作人员的主观因素会使检测结果出现较大的偏差。为解决此方面问题，实现对设备运行中热故障的精准识别与及时处理，文章设计于电脉冲红外成像技术的热故障识别方法。经对比实验测试证明，文章的设计方法可以确保识别结果与电气设备实际故障结果高度一致，显著降低操作人员的主观判断和主观判断，对于保障电网安全运行、提高供电可靠性、改善电能质量具有重要意义。