（通信与信息系统专业论文）红外测温技术应用于变电站图像监控系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为了实现对电力设备热状态的远程、实时、在线的红外监测，本论文设计并开 发了具有红外检测与图像监控功能的系统技术方案。从红外基本理论出发，构建了 系统测温模型，着重分析了大气衰减对测温结果的影响，并完成了大气透射率的仿 真计算，提出了温度修正算法以提高测温精度。根据电力系统的实际需求，论文选 择了具有r s 一4 8 5 串口和激光瞄准方式的改进型红外测温仪、先进的远程图像监控 系统，并将开发的红外测温功能与图像监控软件有效地结合起来。本系统可以在图 像监控画面上选择特定的电力设备，对其进行远程红外测温，并将返回的温度值加 以存储和分析，及时发现设备的故障信息。系统实现了对电力设备的可见光图像和 热状态信息的远程、实时、在线监测。 关键词：红外测温，图像监控，在线监测，远程，电力设备 a b s t r a c t t h et e c h n i c a is c h e m ec o m b i n e di rd e t e c t i o na n dv i d e os u r v e i l l a n c el sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e df o rr e a l i z i n gr e m o t e ，r e a l t i m ea n do n l i n ei n f r a r e dm o n i t o r i n go ft h e p o w e re q u i p m e n t s t h e r m a li n f o r m a t i o n b a s e do ni n f r a r e dt h e o r y , t h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tm o d e li sc o n s t r u c t e d ，t h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i ct r a n s m i t t a n c ei s a n a l y z e da n d i t ss i m u l a t i o ni s c o m p l e t e d ，t h et e m p e r a t u r e m o d i f i c a t i o nm e t h o di s p r o p o s e dt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l d e m a n do fp o w e rs y s t e m ，t h ei m p r o v e di n f r a r e dt h e r m a m e t e ra n dt h ea d v a n c e dv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e ma r ea d o p t t h ei n f r a r e dt h e r m a m e t e rh a sr s 4 8 5s e r i a li n t e r f a c ea n d l a s e r a i m i n gs y s t e m t h ei n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tf u n c t i o na n dt h e v i d e o s u r v e l l i a n c ef u n c t i o na r ee f f e c t i v e l yc o m b i n e d b yc h o o s i n gt h es p e c i f i ce l e c t r i c a l e q u i p e m e n ti nt h es u r v e i l l a n c ei m a g e s ，i t st e m p e r a t u r ec a nb em e a s u r e d ，s t o r e da n d a n a l y z e di nr e m o t ed i s t a n c e ，a n dt h ef a u l ti n f o r m a t i o no ft h ee q u i p e m e n tc a nb ef o u n di n t i m e t h i ss y s t e mr e a l i z e st h er e m o t e ，r e a l t i m e ，o n l i n em o n i t o r i n go ft h ep o w e r e q u i p m e n t sv i s i b l ei m a g e sa n dt h e r m a li n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，v i d e os u r v e i h a n c e ，o n - l i n e m o n i t o r , r e m o t e ，e l e c t r i c a le q u i p m e n t q i uw e i w e i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文红外测温技术应用于变电站图像监控 系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我二同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 耸氲幺日期：生牡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期： 鲤盘亟 j 口l 、i 0 。1 。1 。_ k 。一 导师签名： 日期： 趁 b ( ，( c 。一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 电能的生产、输送、分配和使用是一个连续的过程，其中任何一个环节发生事故都 会危及整个系统的正常运行。为了保障电网的运行安全，提高供电质量，人们致力于变 电站监视、控制和保护系统的研究与开发，并辅以各种手段保障电气设备的运行安全。 随着大机组、大容量电站的建设和远距离输电线路、互联电网的发展，变电站的监视、 控制和保护系统必须适应新形势，进一步完善自身功能，保障电气设备运行的可靠性与 健康状态成了安全生产的突出问题【”。 在变电站实施无人化管理的过程中，各级电网调度中心都配置了不同档次的 s c a d a 系统，对远方设备的电气量进行监测和控制，实现了不同程度的“四遥”( 遥 测、遥信、遥控、遥调) 功能【2 训。随着多媒体技术和数字通信技术的高速发展，远程 图像监控系统实现了第五遥“遥视”功能，能直观地掌握变电站的环境信息、设备 状态，提供防火、防盗、检查设备外部状态等功能。远程图像监控作为一种新型的信 息交流手段，使上级调度或监控中心的运行人员直接“巡视”变电站的各个角落和 各种设备，记录变电站的安全以及设备的运行情况，提供事故分析的有关图像资料， 及时发现、处理事故，提高电力系统自动化的安全性和可靠性；还使主管领导加强 安全生产监督和管理，及时了解现场实况，实施更加科学的生产调度和决策，更高 效地处理电力系统的突发事件【5 ，6 j 。 针对不同的电气设备已经提出了众多在线监测的方法【_ 7 月】，与电气量检测法相 比，利用非电气量检测法对电气设备进行故障诊断更为有效。因为，在电气设备发 生故障前，设备的电气量还没有明显改变，但有些非电气量的变化信息( 如各种气 体的含量、温度、压力和机械变形等或者伴随故障出现的发声、发光、发热等) 却 包含了故障将要发生或者已经发生的信息。随着电气设备由传统的计划维修转向预知 的状念维修，红外检测技术由于不接触、不停运、不取样、不解体的“四不”优点，已 被证明是适合于电力设备预知性故障诊断的一个重要手段【9 “】。然而，引起电气设备数 量众多，红外检测工作的开展受环境因素制约较大，即便对各个设备的检测时间较短， 检测工作仍然显得费时、费力；检测人员的行动也受周围高压电气环境约束；最突出的 一点不足则是不能对电气设备进行实时、远程的状态监测。依托于远程图像监控系统的 红外检测技术，为实现电气设备的实时、远程状态监测提供了条件。本课题针对电力 行业的特点，提出了将红外测温仪引入变电站图像监控系统的构想，既提高了经济效 益，又实现了对电气设备实时、远程的红外监测，为保障电力系统的安全运行提供了可 行性方案。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国外应用红外技术电气设备监测及故障分析始于6 0 年代中期，7 0 年代开始把 热像仪装在面包车或直升机上对变电站设备或高压输电线路连接件故障做生产性 巡回检测，并分别制订出相应的技术规范或红外诊断故障判定标准。红外检测技术 已在发达国家普遍使用。1 9 9 0 年国际大电网会议( c i g i e ) 充分肯定了电力设备故 障红外诊断技术，并指出该技术在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先进的 预知性状态维修体制发展中将发挥重要作用。我国研究开发电力设备红外监测及故 障分析技术始于7 0 年代初，利用国内研制的红外测温仪检测运行中的电气设备裸 露过热接头1 9 】。8 0 年代中期，几家电力专业研究所先后引进较先进的光机扫描热像 仪，积极开展发变电设备故障检测试验和2 2 0 k v 及1 l o k v 输电线路的直升机巡线红 外检测试验，并取得了良好结果。进入9 0 年代后，除进一步扩大现场检测外，一 些电力研究( 院) 所和省( 市) 电力局( 供电局) 相结合，通过对多种高压电气设备内部 导流回路故障及绝缘故障的模拟试验研究，并结合现场检测积累的经验，现已掌握 了各类高压电气设备内外部故障的外表红外热像特征，积累了各类设备不同内外部 故障的温度变化规律和大量典型红外图谱。从而，不仅可以对高压电气设各内外部 故障类型做出定性诊断，而且还能给出故障位置和严重程度的定量诊断，对影响电 力设备故障诊断准确性的诸因素及对策也做了深入研究【i , l o 。在高压电气设备内部 故障和高压瓷质绝缘子故障诊断方面，达到了国际先进水平或领先地位。 图像监控系统的发展可分为三个阶段l l ”。第一阶段是模拟图像监控系统。采用 模拟方式传输，即采用视音频电缆( 少数采用光纤) ，传输距离不能太远，主要应 用于小范围内的监控，监控图像一般只能在监控中心查看。第二阶段是基于p c 的 数字化视频监控系统。采用数字视频压缩编码技术，以数字方式传输，监控中心通 过信号解码进行实时监控，具有视音频通道和数据通道，传输系统较复杂，不适宜 远距离多点监控。第三阶段是基于宽带i p 网络的多媒体监控系统，光纤通信和i p 技术的迅速发展使多媒体通信成为现实。用户可以在一个综合i p 网络上同时传送 视频、话音及数据，不需要建设远距离的传输网络，利用视频压缩编码技术和通信 接口卡，通过通信网络将这些信息传到一个或多个监控中心。2 0 世纪9 0 年代后期， 电力系统将远程图像监控系统运用于无人值守变电站 s , 1 3 1 ，主要用于可见光图像的 监控。监测无人值守站的保安、消防、环境条件( 如温度、湿度) 等信息，必要时 可监听现场声音和对现场喊话，还能控制远端空调、灭火设备等：可接入上级单位 的会议电话系统；地调和省调可实现可视化调度：可与系统内其他单位进行广播级 图像的交换；图像分中心与 d i s 、e m s 、s c a d a 等系统互联。目前，远程图像监控系 统己在无人值守变电站中广泛应用。 随着多媒体通信技术的发展，有关学者提出了多媒体s c a d a 系统、多媒体自动化系 2 华北电力大学硕士学位论文 统的概念【1 4 。”，即在图像监控系统中传输图像、音频、红外温度、各种报警传感器信 号。2 0 0 3 年，美国m i n i m a x 公司宣布将f l i r 公司的红外热像技术应用于他们的s c a d a c a m 远程图像监控系统。该系统应用f l i r 的智能红外摄像头，实现了远程实时监测变电站 设备热成像和温度的功能，及时发现设备的过热状态，提高了系统的安全性和可靠性。 武汉华中数控股份有限公司研制开发的“h w 一0 8 红外图像远程监控系统”，使用进口第 三代非致冷焦平面红外探测器的红外摄像机和c c d 摄像机，实现了对电力设备红外热图 像和现场可见光图像的远程监控，即时发现故障隐患，为电气设备的在线检测( 监测) 和诊断提供有力保障。 1 3 课题研究的意义 根据文献l l ”，对设备进行有效的监测和检测，可使设各维修费减少2 5 5 0 ， 设备事故率减少7 5 ，经济效益十分显著。同时，在线监测技术的应用可满足电力 系统的下述要求：1 ) 可及时发现由产品质量问题形成的发展中的事故隐患；2 ) 可 减少设备停电时间，节省试验费用；3 ) 对老旧设备或已知有缺陷、有怀疑的设备， 用在线监测手段来实时监视其运行状况，一旦发现问题能及时退出，最大限度的利 用这些设备的剩余寿命【”】。 电力系统中的大部分电气设备都与热度有着极其密切的关系，可以温度高低来 判断其工作状态的正常与否，因此探测其温度分布与变化非常重要f 2 们。红外监测技 术利用红外探测技术获取设备的红外辐射的状态热信息，并根据红外辐射能量与温 度成一定函数关系，将被测目标的温度或温度场分布实时显示出来。目前红外监测 技术已广泛应用于电气设备的故障检测，但红外测温仪只能实现定点测温，测量效 率低、工作量大：而红外热像仪由于结构复杂、价格昂贵，也未得到大规模的应用： 二者共同存在的问题就是运行人员必须到现场进行操作，受自然环境和测量限制较 大，无法实现远程控制。 课题所设计的系统将具有如下功能： 首先，保证原有远程图像监控系统的所有功能。实现对变电站环境、设备外部 状态的监视；控制摄像机、云台等监视装置，实时显示用户所需观测的画面；增加 各种探头对变电站环境进行监视；存储用户感兴趣的可见光图像，为事故分析做好 准备；提供网络监视功能，通过m i s 网上的计算机实现图像浏览和网上多用户监视。 其次，实现远程、实时红外监测功能。采用具有大距离系数和激光瞄准方式的 红外测温仪，根据它在图像画面上发射出的光斑位置，准确定位被测设备并对其进 行远程红外测温；控制图像监控系统中的云台和摄像机，用户可以切换图像画面， 以选择特定的电力设备进行在线监测和温度的远程测量，获取设备的实时运行状 态：保存温度数据，并显示设备的温度变化曲线，为故障分析和故障诊断提供依据。 华北电力大学硕士学位论文 因此，将红外测温仪与远程图像监控系统结合，不仅可提高目前红外检测技术 的测量效率，使其不受测量环境的限制，并实现远程测温；还弥补了图像监控系统 仅对可见光图像进行监测的不足，提高了在线监测系统的可靠性和实用性；选择红 外测温仪作为测量仪器，也降低了在线监测系统的投入成本，具有较高的经济效益。 1 4 课题内容概述 本论文根据变电站在线监测系统的实际需求和红外基本理论，设计并实现了具 备红外测温功能的远程图像监控系统。在系统构成上采用适合于电力系统的红外测 温仪、先进的远程图像监控系统硬件与软件部分；在理论上对红外检测方法和检测 结果进行讨论、改进，并对大气透射率进行了仿真分析；在原有的远程图像监控系 统软件的基础上，开发出红外测温、温度管理、数据实时分析等功能。具有红外测 温功能的变电站远程图像监控系统，实现了对电力设备的可见光图像和热状态信息 的远程、实时、在线监测。 论文分为五章介绍课题工作。 第一章为引言部分。主要对电力系统中红外检测技术和图像监控系统的现状进 行了介绍。并阐释了课题研究的重要意义。 第二章电力设备故障信息的红外探测技术。简要介绍了电力设备红外监测的基 本理论和常用仪器，针对几种温度监测方式展开讨论，提出了可对电力设备进行远 程、实时、在线监测的红外测温系统。 第三章为测温模型构建及实验分析。依据普朗克辐射定律构建了测温模型，对 影响测温精度的因素进行详尽的分析，并对温度测量结果提出修正方法，最后进行 温度测量实验，并进一步完善了测温模型。 第四章为系统的设计与实现。通过介绍系统功能和系统实现的模型，给出系统 硬件的整体布局和软件功能模块的划分。针对工程实际情况，讨论了串口通信的物 理实现，分析串口通讯协议并实现串口控制功畿，详细介绍了主体程序和主要功能 模块的实现过程。最后总结了系统的特点并提出了系统功能的扩展。 第五章为结论部分。对课题所完成的工作进行总结，并对课题的后续研究提出 看法。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力设备故障信息的红外探测技术 针对目前的电力设备监测仪器很难实现远程、实时、在线监测且具有很好的经 济性，本章从电力设备红外监测的基本理论出发，介绍了常用的红外检测仪器，分 析对比了现行的一些温度在线监测系统。 2 1 电力设备红外检测的基本理论 变电站中电力设备的许多故障模式都以设备热状态异常表现出来，而红外监测 的基本原理就是通过探测被监测设备的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特 征，并根据这种热状态及适当的判据，做出设各是否处于健康状态的判别。为了理 解电力设备监测的基本原理，本节将深入探讨红外监测的基本原理。 2 1 1 红外辐射和热m ” 红外线是波长在0 7 5 1 0 0 0 埘2 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外 ( 0 7 5 3 0 )、中红外(06删)、远红外(6o150#)、极远红外(1o,um 30 5 1 0 0 0 , u r n ) 四类。红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任 何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出红 外能量。红外辐射的能量可以用物体表面的温度来度量，物体的分子和原子的运动 愈剧烈辐射的能量愈大，物体的表面温度愈高；反之，辐射的能量愈小，温度就 愈低。 温度是反映物体冷热程度的物理量，温度的数值是通过温标来表示的，物体的 冷热程度才能准确客观地表示出来。常用来衡量物体温度变化的有华氏温标、摄氏 温标和热力温标在本系统的实验中采用摄氏温标和热力温标两种表示方法。摄氏 温标的单位用。c 表示，是国际单位制单位，也是我国的法定温度计量单位。热力学 温标是国际单位制单位，也是研究红外辐射和测温技术中最常用的温度单位。 红外检测技术因其非接触和高效率的特点，在电力设备故障检测中广泛应用， 但是非接触的特点使其存在测温精度不够高的可能。此外，红外检测中测量的温度 一般指物体某一部分的平均温度。从工程应用的角度出发，在电气设备红外检测技 术中提出温升、温差、相对温差的概念”“。 温升 即同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差。 即同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差。 t = ， l 一，1 2 ( 2 一1 ) 式中，t 一一温升( k ) 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力设备故障信息的红外探测技术 针对目前的电力设备监测仪器很难实现远程、实时、在线监测且具有很好的经 济性，本章从电力设备红外监测的基本理论出发，介绍了常用的红外检测仪器，分 析对比了现行的一些温度在线监测系统。 2 1 电力设备红外检测的基本理论 变电站中电力设备的许多故障模式都以设备热状态异常表现出来，而红外监测 的基本原理就是通过探测被监测设备的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特 征，并根据这种热状态及适当的判据，做出设备是否处于健康状态的判别。为了理 解电力设备监测的基本原理，本节将深入探讨红外监测的基本原理。 2 1 1 红外辐射和热 1 , 2 1 】 红外线是波长在0 7 5 1 0 0 0 删之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外 ( 0 7 5 3 0 胛) 、中红外( 3 o 6 0 脚) 、远红外( 6 o n l 5 0 f a n ) 、极远红外( 1 5 o - - 1 0 0 0 o n ) 四类。红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任 何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出红 外能量。红外辐射的能量可以用物体表面的温度来度量，物体的分子和原子的运动 愈剧烈，辐射的能量愈大，物体的表面温度愈高；反之，辐射的能量愈小，温度就 愈低。 温度是反映物体冷热程度的物理量，温度的数值是通过温标来表示的，物体的 冷热程度才能准确客观地表示出来。常用来衡量物体温度变化的有华氏温标、摄氏 温标和热力温标，在本系统的实验中采用摄氏温标和热力温标两种表示方法。摄氏 温标的单位用o c 表示，是国际单位制单位，也是我国的法定温度计量单位。热力学 温标是国际单位制单位，也是研究红外辐射和测温技术中最常用的温度单位。 红外检测技术因其非接触和高效率的特点，在电力设备故障检测中广泛应用， 但是非接触的特点使其存在测温精度不够高的可能。此外，红外检测中测量的温度 一般指物体某一部分的平均温度。从工程应用的角度出发，在电气设备红外检测技 术中提出温升、温差、相对温差的概念【2 “。 温升 即同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差。 t = 。一： ( 2 - 1 ) 式中，t 一一温升( k ) 华北电力大学硕士学位论文 f 。一一被测物的表面温度( 。c ) ； “：一一环境温度参照体的温度( 。c ) 。 温差 即同一检测仪器测得的不同被测物或同一被测物的不同部位之间的温度差。 瓦= t l - t 2 ( 2 - 2 ) 式中，一一温差( k ) ； ，一一高温点( 。c ) ； r ：一一低温点( 。c ) 。 相对温差 即两个对应测点的温差与其中较热点的温升之比的百分数。 最：! ! 二垒1 0 0 ：! 互= 墨! 二坠二墨! 1 0 0 ：互_ 二量1 0 0 ( 2 3 ) g - 一 五一瓦正一瓦 式中，r l 和五一一发热点的温升( k ) 和温度( k ) ； f ，和l 一正常相对应点的温升( k ) 和温度( k ) ： 点相对温差： 瓦一环境参照体的温度。 相对温差很大程度上只反映回路电阻、泄漏电流和介质损耗等设备参数的内在 关系，排除了负荷电流、风速、环境温度、相对湿度、测量距离和发射率选择 等相同因素的影响。在电流大小相同的情况下，利用相对温差值的变化，一般 情况下能明显反映被测物体电阻值的变化，方便对设备发热状态的判断【2 引。 2 1 2 红外辐射的基本规律【1 , 0 , 2 1 】 现代红外监测技术是以红外物理学、红外光电子技术、信号与信息处理技术、 数字图像处理技术及计算机应用技术为基础发展而来的一门新兴的综合性技术。由 于实际物体的情况较为复杂，所以在红外辐射技术的研究和应用中，设定了一种具 有最大辐射功率的物体模型一一黑体。所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切 波长的入射辐射吸收率都为l 的物体。尽管它只是人们抽象出来的一种理想化物体 模型，但是黑体热辐射的基本规律却是红外科学领域中许多理论研究和技术应用的 基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系，可以概括为 四个基本规律： 1 ) 、辐射的光谱分布规律一一普朗克黑体辐射定律 6 华北电力大学硕士学位论文 一个绝对温度为丁( 七) 的黑体，单位表面积在波长2 附近单位波长阅隔内向整个 半球空间发射的辐射功率( 简称光谱辐射度) 帆( 五，n ，与波长 、温度r 满足下 列关系： m ( ，丁) = c 1 刀5 e x p ( c 2 z r ) - 1 1 ( 2 4 ) 式中，c l 一一第一辐射常数，c 1 = 3 7 4 1 5 x 1 0 8 矽m 脚4 ； c 2 一一第二辐射常数，c 2 = 1 4 3 8 7 9 1 0 4 , t u n k 。 式( 2 4 ) 就是黑体普朗克辐射定律，它给出了黑体在温度t ( k ) 时的辐射光谱分布特 征。如果以不同的温度值代入式( 2 4 ) ，可计算出黑体在不同温度下的发射辐射的 光谱分布曲线如图2 - 1 所示。 图2 - 1 不同温度下的黑体光谱辐射度 从图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征：在任何温度下，黑体的光谱辐 射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值：随着湿度的升高，与光谱 辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射 所占比例增加；随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处， 与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 2 ) 、辐射光谱的移动规律一一维恩位移定律 为了确定与黑体光谱辐射度极大值相对应的波长以( 俗称峰值辐射波长) 随温 度的变化关系，可把m 。( 五，r ) 对波长五求微商，并令其等于零，解方程式则可得到： 五。t = 2 8 9 7 8 ，册k 该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长以随其绝对温度r 成反比移动。 ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 、辐射功率随温度的变化规律一一斯蒂芬一玻尔兹曼定律 该定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功 率m 。叮) ( 简称全辐射度) 随其温度的变化规律。该定律的数学表述形式为： m ( 丁) = 仃t 4 ( 2 - 6 ) 式中盯= 5 6 6 9 7 1 0 4 i v ( m 2 k 4 ) 称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，从该式可以看出黑体 单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。 4 ) 、辐射的空间分布规律一一朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射 表面法线夹角的余弦成正比，数学表述如下： i 口= i oc o s 0 ( 2 - 7 ) 式中，。一一在与辐射表面法线夹角为口方向上的辐射强度： ，。一一在辐射表面法线方向( 口= 0 ) 的辐射强度。 这个结果表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射晟强，因此实际做红外检测时应尽 可能选择在被测电力设备表面法线方向进行。 2 1 3 实际物体的红外辐射规律 从前面的讨论可以看出，黑体的辐射光谱和强弱，只与温度及波长有关，与构 成黑体的材料无关。然而实际物体( 如电力设备) 则有所不同。理论和实验均可证 明，所有实际物体发射或吸收辐射的量值都低于在相同条件下的黑体的相应辐射量 值。并且实际物体的辐射量除依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及 表面状态等因素有关。引入个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则可把黑 体辐射的四个基本定律应用于实际物体。这里所说的辐射系数称为发射率，又称为 比辐射率或辐射率，实验证明发射率与波长和温度相关，所以可以表示为占( 丑，丁) 。 根据这个定义可把式( 2 - 1 ) 表示成如下形式： m j ( r ) = e ( x ，t ) m 舶( r ) = 占( 五) c 1 2 - 5 e x p ( c 2 2 t ) 一1 】 m ( r ) = e ( t ) m 6 ( r ) = e ( t ) ( r t 4 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 式中，m 。( 7 ) 和m ( 7 ) 一一为实际物体在丁( 足) 温度下的光谱辐射度和全辐射度； 占( 五，r ) 和6 ( t ) 一一为该物体在t ( k ) 时的光谱发射率和全发射率。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 4 红外探测原理 红外辐射的探测是将被测设备的辐射能转换为可测量的形式，如对被测设备的 热效应进行热电转换来测量设备红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生 的电性质的变化来测量红外辐射的强弱，这样就把红外辐射的信号功率转换成便于 直接处理的电信号，进一步放大处理后，以数字或二维热图像的形式，显示设备表 面的温度值或温度场分布。在设备热状态信息的红外探测过程中，代表设备热状态 的红外辐射功率信号转换成电信号的功能是由红外探测器完成的。红外探测器主要 包括热探测器和光子探测器。热探测器有温差热电偶与热电堆、热敏电阻测辐射热 计和热释电探测器；光子探测器有光电导探测器和光伏探测器i l ，2 “。 2 2 红外检测常用的基本仪器 电力设备在线监测中常用的基本仪器包括红外辐射测温仪、红外热像仪和红外 热电视等，为了对本论文所设计的监测系统有一个比较认识，本节将简要介绍前两 种红外监测仪器的基本工作原理和信息采集方法等知识 1 a o 】。 2 2 1 红外辐射测温仪 红外辐射测温仪简称红外测温仪，是一种非成像型的红外温度检测仪器，它只 能测量设备表面上某点周围确定面积的平均温度，因此俗称红外点温仪。在不要求 精确测量设备表面二维温度分布的情况下，与其它仪器相比，具有结构简单、价格 便宜、使用方便等优点。 图2 - 2 不同温度下的黑体光谱辐射度 红外测温仪的基本原理是以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系 而制成的仪器。其工作时，被测目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通过红外 滤光片进入探测器，探测器将辐射能转换为电能的信号，经放大器放大、电子电路 处理，最终由显示器显示出被测物体的表面温度。图2 - 2 所示的是一个具有目视瞄 华北电力大学硕士学位论文 准系统的测温仪，它有一个4 5 。的反射分光镜，可见光投射到分划板，分划板上刻 有一圆环，其面积等于光阑孔面积，分划板后有一套目视透镜组，可供使用者确定 被测物体的瞄准情况和目标是否充满小环。 红外测温仪的基本结构必须包括光学系统、红外探测器、电信号放大及处理系 统、结果显示系统和其它附属部分( 包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结构) 等几个主要功能部分。根据测温要求可分为单波段中低温测温仪( 8 1 2 脚) 、高 温测温仪( 2 2 5 朋) 和高温比色测温仪。目前，许多测温仪都具有目视瞄准系 统或激光瞄准系统，为使用者更准确地测量目标的温度提供了简便而有利的手段。 2 2 2 红外热像仪 红外热像仪不仅能用于非接触式测温，还可以实时显示物体表面温度的二维分 布与变化情况，这是它不同于红外测温仪的一个显著优势。热像仪具有图像处理系 统，测温迅速、分辨率高、直观，并具有信息采集、存贮、处理和分析方便的优点。 所以，尽管它比红外测温仪等装置的结构复杂、价格昂贵、功耗较大，在电力设备 监测中仍有一定的应用，是一种有效的基本仪器。 热像仪的工作过程是把被测物体表面温度分布借助红外辐射信号的形式，经接 收光学系统和扫描机构成像在探测器上，再由探测器将其转换成视频电信号。这个 微弱的视频信号经前置放大器，再进一步放大处理后，送至终端显示器，显示出被 测物体表面温度分布的热图像。 红外热像仪的基本结构由光学系统、扫描机构、红外探测器、前置放大器、视 频信号预处理电路、显示记录系统和外围辅助装置等组成。红外热像仪的核心器件 是红外探测器，可分为单元探测器、多元探测器和带有内处理功能的探测器。常用 热像仪的工作波长为3 5u r n 和8 1 4 删。 2 3 电力设备温度的监测 目前，人们已采用多种方式对电力设备的温度进行监测。随着红外探测技术和 故障诊断方法的不断发展，红外检测技术已被证明是一种发现设备预知性故障的有 效手段。下面将分析对比几种不同类型的监测方法。 2 3 1 红外诊断仪器的监测方法 电力设备的故障往往都是以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出 来的。因此，传统的红外检测方法多采用红外测温仪、红外行扫描仪、红外热像仪， 红外热电视等专业检测仪器，定期对电力设备进行检测。红外诊断仪器根据管理层 次、管理范围、设备容量和电压等级等实际情况确定。一般大型电力用户或县、区 级供电部门可以选用红外测温仪或红外热电视：2 2 0 k v 及以上超高压线路工区和 1 0 华北电力大学硕士学位论文 5 0 0 k v 超高压变电站与大型发电厂等单位，可以配置中等精度的红外热像仪；每个 电网或省( 市) 级电力部门应该配置一套较精密的诊断仪器和相应的辅助装置【l 】。 电气设备故障红外检测的实践表明，有一系列主客观因素影响红外检测的准确 性。因此，红外检测人员必须是电气设备红外检测的专业执行者。要求作业人员掌 握一定的红外基础理论知识，熟悉电气设备故障红外检测的基本原理和基本程序； 熟悉红外检测仪器及其附属装置的工作原理、结构功能、性能及其正确使用方法， 掌握仪器调试、校验方法和排除一般故障的能力；了解常见电气设备各种故障的表 面热特征及判读各种电气设备内外故障热模式的知识：了解现行电业安全工作规 程及现场其他各种有关安全标准或规定；熟悉电气设备故障红外检测及有关技术 的规程、导则、规范和判定技术标准等。从事红外检测的专业技术人员在进行电气 设备故障红外检测过程中，必须有熟悉本厂( 站) 电气设备布局及运行状况的厂( 站) 代表或运行人员陪同。 目前，中华人民共和国电力行业标准中的带电设备红外诊断技术应用导则 对红外诊断对象、诊断方法、设备缺陷的判断依据、红外检测和诊断技术管理工作 均做出了具体要求。 2 3 2 测温探头的在线监测【2 4 之6 】 针对电力系统而开发出的温度在线监测系统，可实现对机房环境或是电力设备的温 度监测。 普通测温探头 普通的测温探头主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件实现。 将测温探头直接安装在机房中或被测设备上，通过配套的传输电缆将温度信号传输 到控制单元。由于传输电缆是金属导线，因此无法保证具有稳定的绝缘性能。 红外测温探头 在线式红外测温探头属于非接触式测量，探头应安装在离被测设备一定距离以外， 是对设备运行状态的在线监测。一些厂家己开发出了智能红外测温探头的相关软 件，提供了一个易于设置和显示的用户界面，并使其具有与红外测温仪相似的许多 功能，允许远程操作和控制。由于红外测温为非接触测量，对一些高压电气设备难 于测量的部位无法实现在线测量。此外，目前多数在线式红外测温探头的距离系数 较小，测温范围较高，无法很好地满足电力设备在线监测的要求。 光纤温度传感器 光纤式温度在线监测系统是针对电气设备某些不易测量温度的部位而开发出来的， 例如高压开关柜内的触点和母线排的连接处等部位。开关柜内具有裸露高压，且空 间非常狭小，无法安装普通测温探头或是红外测温探头( 因为探头必须与被测物体 保持一定的安全距离) 。光纤式温度在线监钡9 系统将光纤测温传感器直接安装在被 1 l 华北电力大学硕士学位论文 测物体的表面，采用光纤进行高压隔离和信号传输，并可根据开关柜的内部结构将 光纤弯曲成不同形状，充分利用了光纤固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，在不影 响原有的开关设备的前提下，实现了准确的温度测量。 2 3 3 红外成像的在线监测 随着红外成像技术和多媒体通信技术的发展，人们已开始将红外热成像技术与 图像监控系统相结合【2 - 2 9 】，以实现对可见光图像和红外热图像的监控。 红外成像在线监控系统采用红外摄像机或智能红外摄像头，在带预置位的高精 度云台的支持下，红外摄像头可对整个视场的热故障进行搜寻。通过开发出控制软 件，计算机可实现定时开启红外热成像设备，对指定设备定时采集图像和分析温度 数据。红外热成像报警系统可记录当前设备的工作状态，如出现故障，则向上级调 度室或值班人员发送报警信号；并可在数据库管理系统支持下，分析故障设备的历 史。实现了对变电站的可见光图像和电力设备的红外热图像的远程、实时、在线监 测，可以及时发现环境问题或设备的过熟故障，提高了“无人值守”变电站安全运 行的可靠性，也促进了电力设备状态检测技术的发展。 2 4 几种温度监测方法的比较 上节讨论了利用红外诊断仪器、测温探头、红外摄像头这三种不同方式的温度 监测方法，这三种方式各有优缺点。 首先，从监测方法的适用范围来看。利用红外技术进行的温度监测方法( 如红 外诊断仪器、红外摄像头和红外测温探头) ，原则上几乎能够适用于发电厂和变电 站所有高压电气设备的温度检测；利用普通测温探头进行的温度在线监测，受高压 电气环境和电磁场的影响较大，常常用于变电站机房的环境温度监测。 其次，从对电力设备的温度监测方式来看。利用红外技术进行的温度监测方法 ( 如红外诊断仪器、红外摄像头和红外测温探头) 部属于非接触方式温度测量，通 过接收物体发出的红外辐射能，以判断物体的热状态；而利用非红外的测温探头进 行的温度监测，必须将温度传感器安装在被测设备上，实现接触式测量。 再次，从对电力设备的温度监测的实时性来看。利用红外诊断仪器实现的温度 监测方法，必须是工作人员在现场对电力设备进行逐个测量，并对测量结果进行记 录、分析，做出设备有无故障的判断，监测工作不能实时进行，必须制定相应的检 测计划：而利用测温探头或红外摄像头实现的温度监测方法，可通过使用计算机上 的配套软件系统，随时对任一电力设备进行远程、在线监测，并由相应的数据、图 像分析软件，对监测结果进行分析处理，做出正确的故障诊断，有很好的实时性。 最后，从系统实现的经济效益来看。使用红外诊断设备，可以实现“一台设备 1 2 华北电力大学硕士学位论文 多处使用”，每个变电站根据需求配置一台相应的红外诊断设备，即能实现对站内 所有设备的红外检测。但是，电力设备的定期红外检测需要安排专业人员进行，需 要检测的设备数量众多，检测工作显得费时费力；红外热像仪的价格昂贵，也增加 了投入成本。使用红外测温探头和红外摄像头的温度监测系统，可以实现对电力设 备的远程、实时、在线监测。但由于被测设备众多，随着测温探头或是摄像头的增 加投入成本也随着增加：尤其是红外摄像头的价格昂贵，在多数变电站中无法投 入实际使用。使用非红外技术的测温探头组成的在线监测系统，投入成本较低，但 是其多用于对环境温度的监测，对电力设备温度无法实现准确测量。 根据实际情况，本课题选用了适合于电力设备的改进型红外测温仪，并结合图 像监控系统，实现了远程、实时的图像和温度的在线监测。利用红外技术，实现了 对电力设备的非接触式定点测温，根据设备温度的变化，做出设备是否有故障、故 障具体部位等判断；结合图像监控系统，在。图像画面上根据激光瞄准发射出的光斑， 确定需要监测的设备，并可观测到具体测量部位，在一定程度上实现了“所见即所 测”；在不采用价格昂贵的红外摄像头的前提下，实现了对电力设备的远程红外测 温。论文将在第四章详细讨论本系统的软硬件构成和具体实现过程。 2 5 小结 本章主要介绍了电力设备温度红外探测的基本理论及目前采用的一些温度监 测技术，对红外检测技术的原理和关键技术有了深入的了解。通过分析对比多种温 度监测技术的优缺点，对如何构建一个性价比较高的电力设备温度在线监测系统有 了初步的概念。 华北电力大学硕士学位论文 第三章测温模型构建及实验分析 电气设备故障红外检测与诊断实践证明，有一系列主客观因素影响红外检测的 准确性。本章详尽分析了影响测温精度的诸多因素，依据2 1 3 节中实际物体的红 外辐射规律及其2 4 节中所设计的结合红外测温和图像监控功能的在线监测系统， 详细推导了适合本系统的测温模型，并给出实验仿真方法及分析结果。 3 1 测温模型的构建 利用红外测温单元测量物体的温度，首先必须将物体发射的红外辐射能量收集 起来转换成电信号。然后，对电信号进行放大、处理，并利用物体温度与其辐射功 率大小( 表现为信号电压高低) 的一一对应关系，显示出物体温度的测量结果。本 系统所采用的是波段在8 1 4 f a n 的红外测温单元，它的测温原理符合亮度测温仪 的规律，即测量的只是目标在某个波段( 丑 ) 发射的辐射功率。依据2 1 3 节 可知，电力设备的实际红外辐射规律满足式( 2 - 9 ) ： m z ( 丁) = 占( a ，t ) m 舶( n = 占( 五) c 1 2 - 5 【e x p ( c 2 a t ) 一1 “ 当目标充满红外测温仪的视场时，进入测温仪视场的只有目标的红外辐射能 量；而目标的红外辐射能量包括目标自身发出的红外辐射能量和目标表面反射周围 环境产生的辐射能量。因此，假设目标温度为丁( k ) ，则目标发射的实际辐射度为： ，：( r ) = m ( 丁) + p ( t ) m 州( t o ) = 占( 兄，t ) m ( r ) + 【1 一占( a ，丁) 】 彳 h ( l ) ( 3 - 1 ) 式中，p ( 丁) 一一目标表面在温度t ( k ) 时的反射率； s ( a ，r ) 一一i f l 标在温度t ( k ) 时的光谱发射率； m ：( 7 ) 一一目标在温度r ( x ) 时的实际光谱辐射度： m ，( r ) 一一目标在温度t ( k ) 时的光谱辐射度； m 。( r ) 一一目标在温度r ( k ) 时的普朗克辐射函数： m 。( 瓦) 一一环境在温度l ( k ) 时的普朗克辐射函数a 出于红外测温技术是非接触式测量，目标发射出的红外辐射能必须通过一段距 离才能到达探测器，这段距离所产生的衰减主要是大气的衰减。引入大气透射率 f 。( 2 ，x ) ，则探测器从目标接收到的辐射功率为 华北电力大学硕士学位论文 只( 五，t ) = 七l l ( 五，x ) r o ( 丑) 4 d 且彳 ( 丁) ( 3 2