红外成像测温技术在变电站设备中的应用

引言
随着电力工业向着大机组、大容量与高电压供电的方向迅速发展，保证供电系统的安全运行和保障电力设备时刻处于稳定良好的状态，成了电力管理的突出问题。由于电力设备的热效应是多种故障和异常现象的重要原因，因此对电力设备的温度进行密切监测，是保障电力设备运行可靠的必备手段。变电站作为电力系统运行的关键环节，对其在线实时监控具有重要的意义，热像仪应用的安全效益十分明显。

1 什么是红外成像测温技术
1)红外诊断技术
变电设备是电力系统的枢纽，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益，红外诊断技术已成为状态检修的有效手段。任何有一定温度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。所辐射能量的大小与该物体的热力学温度的四次方成正比。利用这个原理制成的红外点温仪，无需与物体接触，属于非接触式测量。
红外测温技术是利用红外探测技术获取设备的红外辐射状态的热信息，然后转换成温度进行显示的技术，它能测量设备表面上某点周围确定面积的平均温度，以温度高低来判断其工作状态的正常与否。红外测温系统的组成如图1所示，设备的红外辐射通过大气传输到红外测温仪，测温仪中的光学系统将设备辐射的能量汇聚到探测器上，探测器将入射的辐射转换成为电信号，经过信号处理后显示出来。在运行中的高压电气设备上运用红外测温方法比传统接触式测温有利之处较多，见表1。

2)红外热成像技术
红外热成像技术是通过对电气设备表面温度及其分布的测试、分析和判断，可以准确地发现电气设备运行中的异常和缺陷，从而使部分事故检修转为预见性检修。应用红外测温仪和热成像仪等诊断技术可实现设备运行状态时远距离、不停电、不接触、不取样、不解体的情况下，检测出设备故障引起的异常红外辐射和温度，有效的判断设备存在的外部缺陷和内部缺陷，从而实现故障隐患的提早发现并及时进行处理，给电力系统线路状态监测提供了一种先进手段。
红外热成像仪的功能及优势： (1)通过对设备表面温度分布的测量，可以分析设备内部热损耗部位和性质，从而判断该设备的健康状态。热点温度直观显示，热图像清晰，能储存和打印。 (2)具有定性成像与定量测量的双重功能，并有较高空间分辨率和温度分辨率，能够辨别很小的温差。实时热图像能够清晰显示在屏幕上，为建立热图像数据库提供了条件，实现了图像采集、储存、分析于一体的功能。(3)用红外热成像仪检测设备，属于远距离非接触式的扫描巡检，可以保证人身设备的安全。 (4)红外热成像仪检测设备，如同用摄像机录像，能够快速的对大面积的设备进行检测，能够准确、直观的发现与运行电压、电流有关的设备缺陷，还可对缺陷的性质、位置、程度做出定性、定量的判断。

2 红外成像测温技术应用效益明显
变电站的设备巡视是运行人员每天进行的一项重要工作，其手段方法一般为通过目测、耳听和鼻嗅等来了解设备的运行情况，其中以目测为主。但目测的方法有着很大的局限性，对一些有发展性的缺陷，特别是设备内部缺陷，要到设备发热到一定程度后才能被发现，这样不但给设备缺陷的及时发现和处理造成延误，而且可能会对运行设备造成不同程度的损坏。在变电站设备巡视中利用红外成像测温技术能在很大程度上提高运行人员发现缺陷的能力，特别是在政治保电、重大节假日、迎峰度夏期间对保证我局安全可靠供电起到了积极的预防作用。
我部配备的红外成像仪在日常的巡视中，能很清晰地显示设备的温度场，对设备的整体发热情况作很直观的观察，对同一设备的不同点温度的异常也能很快发现，它具有稳定、可靠、测温迅速、分辨率高、直观、不受电磁干扰以及信息采集、存储、处理和分析方便等优点，具有点温仪不可替代的优点。但红外成像仪也存在重量较大、使用不方便和价格贵等缺点，因此红外成像仪要作为运行人员日常巡视的必备工具还不够现实，但它在每季度的设备查评、定期的设备夜间检查或在特殊时期的检查(如电网迎峰度夏或高峰负荷时)中使用，能收到相当明显的效果。
在使用过程中，我们有如下体会：(1)操作简单，设备温度巡视直观方便。有的红外热成像仪机身轻巧，比如ThermaCAMTME2连电池才O．7kg，携带和使用起来非常方便；采用液晶动态显示方式，实时显示扫描的设备温度图象；运用菜单操作模式，人机界面友好，操作简单；还可通过通信口，将图象信息传输到计算机，利用计算机对温度图象进行后台处理。(2)以扫描方式探测设备温度，取代逐点测量模式，极大提高工作效率。E2红外热成像仪采用图象扫描的工作方式，可同时测量扫描范围内所有设备的温度，并且可以通过设置，对扫描范围内超过允许温度值进行报警，利用此机对变电站进行巡视，一座变电站只需十几分钟到半个小时即可完成所有设备的温度初步测量。(3)通过扫描方式测温，使得对变电站设备温度的重点测量转为全面测量成为可能。由于其扫描温度的工作特点，E2红外热成像仪可以实现对设备温度的全面测量，不仅设备接头部分可以全部测量，设备器身如变压器、断路器、瓷瓶等均可进行测量。(4)由于测温效率的提高，从而使设备测温频率提高，设备温度情况掌握更为及时。采用E2后，实现了巡视设备的同时测量设备温度，使得设备温度测量频率与设备巡视频率实现了同步，设备温度情况掌握及时性大为提高，使用以来未发生一起因设备过温造成的事故。(5)通过温度图象，使设备故障分析成为可能。E2测量的设备温度图象，由于其温度信息丰富，可以观测到设备各点的温度分布。通过温度分布信息，可以探测设备内部故障，实现设备故障分析。

3 远程红外测温视频监控系统
远程红外测温视频监控系统由摄像机、数字云台、红外测温仪、网络视频服务器、交换机、网络通道、监控软件及监控终端等组成。本系统的最大特点是在普通的远程视频监控系统中加入高精度的数字云台和红外测温仪，组成了视频、温度远程自动检测系统。系统将自动保存每次温度巡检的记录，并可同时进行视频录像。一旦系统检测到温度异常(即超出高低温度区间设置)就会通过监控屏幕的闪烁和报警声音提示监控工作人员有异常产生。显示、报警、预置、记录查询等都在监控中心实现。这样，即保证了测量的及时性，又减轻了人力、物力的消耗。[p]
变电站红外与视频监控系统可以定时定点对变电站预置各测量点(每套前端采集装置最多可以设置56个测量点)每天自动进行数次温度和图像扫描，通过网络实日寸将各点温度、图像上传并存储于监控主机，同时能够在温度越限后自动报警，提高了变电站变电设备温度、视频监测的智能化、信息化，网络化水平。
在实现变电站自动化系统综合管理的过程中，各级电网调度中心都配置了不同档次的远程图像监控系统(遥视系统)。实践表明，遥视作为传统四遥的补充，功能已经实用化，并且达到了远方巡视的预想目标。目前的图像监控系统大多作为一套独立系统单独运行。随着电力系统自动化水平的提高，这种运行方式的缺陷也暴露出来。有关学者提出构建遥视与能量管理系统(EMS)的协同系统、多媒体监控和数据采集(SCADA)系统以及图像监控与SCADA系统的互联系统等。但是，上述系统仅实现了遥视功能与传统四遥功能的融合，提供的仍然是现场可见光图像信息。设备的热状态是反映设备运行状况的重要方面，如果在遥视系统中融八测温功能，使集控站工作人员在远程巡视的同时能够得到感兴趣的设备温度，将为电力系统的安全运行提供更可靠的保障。
当前变电站工作人员利用热成像仪，定期的对供电设备进行温度巡回检测，一是费时费力，并且不能及时发现设备的隐患；二是成本高，一套热成像仪至少是1 5―1 6万元；三是受人为因素影响大，很容易漏测。针对以上情况研发的带红外测温的远程视频监控系统能自动根据预定时间(检测时间可以在监控中心设置)完成对预置点(预置点为40个)的温度巡测，并通过网络将温度和现场图像实时传到监控中心。对于预置点的温度检测可设置高温和低温越限报警。

4 我局如何开展红外成像测温工作
我局红外线测温设备以红外线成像仪(以下简称热像仪)为主要设备，以红外线测温仪(以下简称测温枪)为辅助设备。热像仪平时当值的值长负责管理。制定了各巡检班、变电站热像仪的使用计划时间表，各巡检班、变电站根据计划在指定时间段内申请使用及归还热像仪，并办理借用、归还登记手续。
各变电站每月定期使用热像仪进行进行一次红外线测温，具体日期根据变电部的热像仪使用计划时间表确定。测温时利用红外线热像仪对所有设备进行扫描，无异常时不需要拍照(指定拍照点除外)。对发现异常发热点时必须进行红外线拍照，注意记录当时流过发热点的电流及环境温度。注意红外线扫描的次序，不能漏巡设备。对于高压场地的线路，沿着电流的方向到线路刀闸、开关、CT、母线刀闸、母线T型引落线夹。旁路刀闸带上负荷时应注意补测。
设备新投产一个月内必须利用热像仪进行一次红外线测温，并拍照留底。对于定期测温时没有带负荷的设备，例如长期热备用的电容器组、主变等，在设备带上负荷日寸利用测温枪进行补测。设备负荷突然升高或发热故障处理后，利用班站配备的测温枪或热像仪进行测温。
对设备进行拍照时，必须记录清楚设备名称、部位，以及热像仪自动生成的文件名，以便编写测温报告及检修。注意时间性负荷的设备测温，特别是部分夜间负荷较大的1OkV线路，应该选取设备负荷最大的时段进行测温扫描。每个变电站测温完毕，将所拍的红外线照片生成一个测温文件，测温文件为系统默认格式，文件名为“××站yyyymmdd”，yyyy为年份，mm为月份，dd为日期。该测温文件保存在变电站的办公电脑里，以方便日后查阅。各变电站根据测温结果手工填写测温报告，包括如下内容：测温时的天气情况，110kV及以上主要设备的负荷电流，没有测温的设备，设备没有测温的原因，发现的设备异常发热点，结论。如果有异常发热点，还须将所有异常发热照片打印(可以只打印黑白照片)并附在测温报告里。

5 结束语
红外诊断技术是一项十分有效的新型设备故障诊断方法，促进非接触式红外测温仪在变电站应用很有意义。我局自从开展红外测温工作以来，在人员数量基本不变但设备规模翻番的情况下多次预知性的发现了设备发热型故障，提高了设备运行管理水平，保证了电网安全优质供电。下一步成像诊断技术将应用到变电站远程图像监控系统中，更好地实现变电站无人值守