（机械电子工程专业论文）电力设备红外远程监控系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文完成了变电站主要电力设备红外测温仪在线监测的研究，重点研究了基 于红外测温仪与视频信号结合扫描的在线监测系统及所涉及的理论问题。设计并构 建了系统，使其能利用红外测温仪扫描电力设备，并利用l a b v i e w 软件实现将红外 测温仪扫描得到的温度数据与可视显示的转换。本系统可以将设备的图像监控画面 和可视化的红外测温信号相结合，同时对设备进行远程红外测温和视频监控。利用 软件形成电力设备温度分布及变化过程模型，以分析并监视变电站主要设备的运行 情况。 关键词：红外测温，电力设备，在线监测，虚拟仪器 a b s t r a c t t h et h e s i sh a sa c c o m p l i s h e dt h er e s e a r c ho fo n l i n ei n f a r e dr e m o t em o n i t o r i n gf o r p o w e re q u i p m e n ti nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，i st oe x a m i n et h ei n f r a r e dt h e r m o m e t e ra n d t h ec o m b i n a t i o no fv i d e os c a n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m sa n dt h e i rr e l a t e dt h e o r e t i c a l i s s u e s d e s i g na n dc o n s t i t u t e sas y s t e mt ou s ei n f r a r e dt h e r m o m e t e rt os c a ne l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，u s i n gl a b v i e ws o f t w a r et ot a k ea d v a n t a g eo ft h et e m p e r a t u r ed a t ai n t oa v i s u a ls i g n a l t h es y s t e mc a nm o n i t o rs c r e e ni m a g ee q u i p m e n ta n dt h et e m p e r a t u r e s i g n a lc a nb es e e n ，m a k et h el o n g - r a n g 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 td e v i c e sa n d v i d e os u r v e i l l a n c et o g e t h e r u s i n go fs o f t w a r et of o r mt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ta n d c h a n g e s i nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h ep r o c e s s ，t oa n a l y z ea n dm o n i t o rt h e m a i ns u b s t a t i o ne q u i p m e n to p e r a t i o n z h a n gh a n j u n ( m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u ot i e q i a o 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 ，p o w e re q u i p m e n t ，o n - l i n e m o n i t o r i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t 一1 一 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文完成了变电站主要电力设备红外测温仪在线监测的研究，重点研究了基 于红外测温仪与视频信号结合扫描的在线监测系统及所涉及的理论问题。设计并构 建了系统，使其能利用红外测温仪扫描电力设备，并利用l a b v i e w 软件实现将红外 测温仪扫描得到的温度数据与可视显示的转换。本系统可以将设备的图像监控画面 和可视化的红外测温信号相结合，同时对设备进行远程红外测温和视频监控。利用 软件形成电力设备温度分布及变化过程模型，以分析并监视变电站主要设备的运行 情况。 关键词：红外测温，电力设备，在线监测，虚拟仪器 a b s t r a c t t h et h e s i sh a sa c c o m p l i s h e dt h er e s e a r c ho fo n l i n ei n f a r e dr e m o t em o n i t o r i n gf o r p o w e re q u i p m e n ti nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，i st oe x a m i n et h ei n f r a r e dt h e r m o m e t e ra n d t h ec o m b i n a t i o no fv i d e os c a n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m sa n dt h e i rr e l a t e dt h e o r e t i c a l i s s u e s d e s i g na n dc o n s t i t u t e sas y s t e mt ou s ei n f r a r e dt h e r m o m e t e rt os c a ne l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，u s i n gl a b v i e ws o f t w a r et ot a k ea d v a n t a g eo ft h et e m p e r a t u r ed a t ai n t oa v i s u a ls i g n a l t h es y s t e mc a nm o n i t o rs c r e e ni m a g ee q u i p m e n ta n dt h et e m p e r a t u r e s i g n a lc a nb es e e n ，m a k et h el o n g - r a n g 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 td e v i c e sa n d v i d e os u r v e i l l a n c et o g e t h e r u s i n go fs o f t w a r et of o r mt h ee l e c t r i c a le q u i p m e n ta n d c h a n g e s i nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h ep r o c e s s ，t oa n a l y z ea n dm o n i t o rt h e m a i ns u b s t a t i o ne q u i p m e n to p e r a t i o n z h a n gh a n j u n ( m a c h i n e r ya n de l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g u ot i e q i a o 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 ，p o w e re q u i p m e n t ，o n - l i n e m o n i t o r i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t 一1 一 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 电力设备红外远程监控系 统研究，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。与我一同工作的 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：日期： 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： 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1课题研究背景及意义 第一章引言 电力设备的运行状态好坏直接决定电力系统的安全和效益，变电站中有变压 器、母线、隔离开关、断路器、耦合电容器、高压电缆等等大量的设备。无论哪种 设备出现不正常工作状态若不及时处理很可能会发展成故障，甚至造成设备损坏或 人身事故，而造成不可估量的后果。对设备进行有效的监测和检测，可使设备维修 费减少2 5 一- , 5 0 ，设备事故率减少7 5 ，经济效益十分显著。因此，保证电力设 备的正常运行便成为首要的工作，传统的继电保护和自动装置虽然能够起到一定的 保护作用，但在实时性，网络化方面与现实的要求还有很大的差距，为进一步提高 各种电力设备特别是关键设备的可靠性，在线监测和带电测试技术是高压测试技术 发展的一个必然方向。由于红外检测技术能够以远距离、非接触、实时、快速在线 监测方式获取设备的运行状态信息，又有分辨率高、形象直观、不受电磁干扰、安 全可靠和效益投资比高等优点，又可以在不停电、不取样、不解体的状况下进行 故障的诊断分析，目前，红外诊断技术在电力系统的应用比较广泛和成熟。 目前国内外使用的红外热检测仪器多进行红外热成像仪定期的巡检，不能达到 实时全面动态检测，由于红外热成像仪大多体积庞大，巡检过程需工作人员携带仪 器进入现场，增加了工人劳动强度。且价格非常昂贵，大型变电站方可配备，对于 绝大多数的小型变电站，或无人值守变电站则发挥不了应有的作用。因此设计一种 性价比高的监测系统迫在眉睫，本系统应用的是性价比较高的红外测温仪，成本可 以大大降低，适用于中小型变电站和大量的无人值守变电站， 本系统的使用与推 广，能够实现公司对各变电站关键设备及关键部件网络化安全监测，能够实现热故 障状态检测和诊断、设备检测和监控、漏热检测、测温分析、温度检测、温度异常、 火灾报警等方面功能，安装该套系统将大大提高变电站运行安全性、可靠性心1 。并 降低工人的劳动强度。 1 2 国内外研究现状b 1 国外将红外技术应用于电力设备监测始于2 0 世纪6 0 年代中期，瑞典国家电力 局成功的应用红外热像仪进行了电力设备的故障诊断。7 0 年代开始把热像仪装在汽 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 1 华北电力大学硕士学位论文 制发展中将发挥重要作用。2 0 0 6 年，美国b m c h e r 电站的变压器，安装了3 0 0 多台 有载分接开关监控器，以便对分接开关温升进行监控。通过监控器，可分析变压器 在没有循环泵的情况下的冷却特点。红外相机可记录散热器组的温度剖面。对变电 站中的变压器来说，冷却系统的主要部件是铁心和绕组。由铁心和绕组引起的热损 耗会影响变压器效率和寿命，温升可增加导体电阻并能引起绝缘劣化，导致变压器 故障。红外相机可起到为变压器摄像的作用，还可展示温度与颜色的变化，它可直 接提供变压器热点的视觉分析。 我国电力系统是国内研究应用红外技术比较早的行业h 】，研究开发电力设备红 外监测技术始于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，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l 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。9 0 年代后，除进一步扩大现场检测外，一些电力研究 和供电部门联合，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。不仅对高压电气设备内外部故障类型做出定性诊断，而且给出故障位置和 故障大小的定量诊断，并且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，并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。近年随着先进的红外热成像仪的出现和红外检测水平的提 高，以及电力行业标准d l t 6 6 4 - - 1 9 9 9 带电设备红外诊断技术应用导则的颁布 实施，电力系统已较广泛地把红外检测项目列为高压电气设备定期检测和巡检的内 容，每年在对电流致热型设备的检测中都及时发现了大量“重大”或“紧急 缺陷， 为电力系统的安全和经济运行提供了有力保障。在日常的巡视中，一般都使用便携 式红外点温仪对负荷较重的设备和重要负荷设备的接头温度进行重点巡视测试。红 外成像仪则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。 由于红外测温技术受到多种因素影响，特别是测量的距离会影响到测量精度， 因此对于大型变电站应采用多红外测温仪并列运行方式。不过，变电站接线方案的 简化，占地面积压缩是变电站发展的新趋势，组合电器、管母线及钢支架等的采用， 使变电站布置更为简单，取消站前区和优化布置使变电站占地大幅度下降据有关 资料介绍，采用新型的配电装置和敞开式配电装置相比可节省占地4 0 一8 0 。即使 同样敞开式配电装置，由于简化接线( 比如取消旁路母线等) 也会减少变电站占地面 2 华北电力大学硕士学位论文 积。因此，红外温度监测装置发展空间更为宽广。 实时性，网络化，自主故障类型分析，密闭设备( 如油浸式变压器) 的红外监测 等是今后红外测温在电力系统应用的主要发展方向。 1 3 课题内容概述 本论文主要研究采用红外测温仪与视频信号结合扫描方式，以视频信号可见区 域的几何中心附近( 考虑到摄像头与红外测温仪一体机的机械结构影响，应保留一 定的偏差值) 为红外测温仪的测温位置，对变电站各个重要设备( 本课题以一台电力 变压器为例) 进行实时或定时扫描，也可人工控制对非常规扫描部位进行随机监测， 得到温度数据经网络传至控制终端或3 g 手机，利用软件形成电力设备温度分布及 变化过程模型，分析并监视变电站或设备的运行情况，出现局部不正常的发热或温 度分布异常时，可结合相关部位电流电压情况做出不正常设备判断，同时通过声光 报警( 包括3 g 手机等移动终端) 通知工作人员及时处理，当有严重故障时，起动继 电保护装置做出跳闸动作。同时记录测量数据，起到录波作用，便于事后的数据分 析。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章红外探测技术在电力设备故障诊断中的应用 变电站中电力设备的大多数故障模式都会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，做出设备是否处于正常状态的判别。为了 理解电力设备红外监测的基本原理，本章将深入探讨红外监测的基本原理以及在电 力设备在线监测方面应用。 2 1 红外基本理论乜。6 1 红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是 人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的 广阔道路。红外线的波长在0 7 5 1 0 0 pn l 之间，按波长的范围可分为( 0 7 5 - 3 p m ) 、中红外( 3 6pm ) 、远红外( 6 1 5i im ) 、极远红外( 1 5 1 0 0 0i im ) 四类，它在电 磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射是自然界 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，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧 烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。 温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而在不停地向周围空间发 出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着 十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定 它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和 透过，其表面的发射率为1 。但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体， 为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普 朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以 波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称：黑体辐射定 律。 一个绝对温度为t ( k ) 的黑体，单位表面积波长入附近单位波长间隔内向整个半 球空间发射的辐射功率( 简称光谱辐射度) m ，。( 九，t ) ，与波长入、温度t 满足下列关 系： m x b 【a ，t ) = 即。5 e x p ( c 2 , l ；l t ) 一1 】_ 1 公式( 2 一1 ) 式中： c - 第一辐射常数，c l = 3 7 4 1 5 1 0 8 w 小2 t m 4 ； c 广第二辐射常数，c 2 ；1 4 3 8 7 9 x 1 0 4 j c l 历k 。 4 华北电力大学硕士学位论文 这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。 自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于 辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表 面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必 须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物 体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1 的数值之间。 根据辐射功率随温度的变化规律：斯蒂芬一玻耳兹曼定律 m b ( t ) 2 0 r ，i 公式( 2 2 ) 式中：s - 5 6 6 9 7 x 1 0 。8 w ( m 2 x k 4 ) 称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数。 斯蒂芬一玻耳兹曼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 b ( t ) ( 简称为全辐射度) 随其温度的变化规律。因此，该定律为普 朗克辐射定律对波长积分得到。 斯蒂芬一玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发 射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正 比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。 那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，就 不难确定黑体的温度了。因此，斯蒂芬一玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。 发射率又称辐射率，是描述被测物体辐射能力的参数，即表示实际物体辐射功 率与黑体辐射功率之比值。它本身与其温度、辐射波长、表面光洁度、组成成分等 因素有关n 1 。常用材料发射率的参考值如表2 - 1 所示。 表2 - 1 常用金属材料发射率参考值 5 华北电力大学硕士学位论文 表2 2 常用非金属材料发射率参考值 根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。 影响发射率的主要因素在于：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。 2 2 带电设备红外检测的原理 设备故障红外诊断的前提，是用红外方法检测设备运行状态的变化及故障信 息。许多电力设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出 来。电力设备故障绝大多数都以局部或整体过热或温度分布异常为征兆，只要运用 适当的红外仪器检测电力设备运行中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号， 再经过专门的电信号处理系统处理，就可以获得电力设备表面的温度分布状态及其 包含的设备运行状态信息。这就是电力设备红外检测的基本原理乜1 。 由于电力设备不同性质、不同部位和严重程度不同的故障，在设备表面不仅会 产生不同的温升值，而且会有不同的空间分布特征，所以，分析处理红外检测到的上 述设备运行状态信息，就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性、具体位置和严 重程度做出定量的判定。这就是电力设备红外故障诊断的基本原理。 带电设备红外监测的一些基本概念： ( 1 ) 带电设备：传导负荷电流( 试验电流) 或加有运行电压( 试验电压) 的设备 ( 2 ) 温升：用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 ( 3 ) 温差：用同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间 的温度差 ( 4 ) 相对温差：两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数相 对温差t 可用下式求出： 6 。三凸1 0 0 ；兰d 1 0 0 ql l r o 公式( 2 3 ) 6 华北电力大学硕士学位论文 式中：f 。和t 。发热点的温升和温度； t ：和t 。正常相对应点的温升和温度； t 。环境参照体的温度。 ( 5 ) 环境温度参照体：用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体，它可能不 具有当时的真实环境温度，但它具有与被测物相似的物理属性并与被测物处在相似 的环境之中阳1 。 所谓带电设备热缺陷，通常是指通过一定手段检测得到，由于其内在或外在原 因所造成的的发热现象。 2 2 1 带电设备热缺陷类型及原因 带电设备的故障有多种多样，但大多数都伴有发热的现象。了解热源发热类型 及原因，可以有目标地开展红外测温。而且按照检测结果分析设备热源发热位置乜3 。 ( 1 ) 电流致热效应型热源 高压电气设备出线接头、裸露刀闸刀口和触头、t 型线夹和高压电气设备内部 导流回路连接处、输电线路连接处等部位都存在接触电阻，发热功率( p ) 与接触电 阻( r ) 、通过电流的平方成正比。正常时，这些连接处( 部位) 的电阻在允许范围， 通过额定工作电流后发热也在设计允许值以内，所以不会影响设备的安全运行。由 于各种因素使接触电阻异常，电流通过时发热功率增大，而且通电时间越长、电流 越大，会产生异常发热，使温升异常增加，才会产生缺陷。这种因电流通过才具有 致热效应的部位，称电流致热效应型热源，形成的缺陷称为电流致热效应型缺陷。 ( 2 ) 电压致热效应型热源 高压电气设备内部绝缘由于绝缘介质老化，介质损耗增大或密封不良、进水受 潮、油质劣化，也会产生致热效应。发热功率( p ) 与运行电压( v ) 的平方成正比，与 负荷电流( i ) 大小无关。这种因加上电压才具有致热效应的部位，形成的缺陷称为 电压致热效应型缺陷。 ( 3 ) 其它致热效应型缺陷 1 ) 铁磁损耗或涡流引起的缺陷 具有磁回路的高压电气设备，由于设计不合理或运行不正常而造成漏磁，或者由于 铁芯质量不佳或片间局部绝缘破损，引起短路环流和铁损增大，可分别导致铁制箱 体涡流发热或铁芯局部过热，发热异常时会形成缺陷。 2 ) 电压分布异常和泄流电流增大缺陷 避雷器受潮后，并联分路电阻老化和断裂等内部故障本身并不产生过热，但这些缺 陷出现后会改变正常运行时电压分布或增加泄漏电流，产生致热效应型缺陷。 交流输电线路绝缘子串中的绝缘阻值劣化及污秽瓷瓶，运行中分布电压及泄漏 电流异常会出现发热或变凉的特征。根据这些特征，可以借助红外检测发现( 这类 7 华北电力大学硕士学位论文 效应可称为电压致热效应，但是发热功率只与电压和泄漏电流乘积有关) 。 3 ) 油浸电气设备缺油 油浸高压电气设备( 如油断路器、耦合电容器、电流互感器、电压互感器、变 压器套管和油枕) ，因漏油会造成缺油或假油位。由于油面上下介质热物性参数差 异较大，会在设备外表面产生与油位对应的明显温度梯度，也可以用红外监测方法 发现。 从红外诊断的角度看，通常分为外部热缺陷和内部热缺陷。众所周知，电力系 统运行中，载流导体会因为电流效应产生电阻损耗，而在电能输送的整个回路上存 在数量繁多的连接件、接头或触头。在理想情况下，输电回路中的各种连接件、接 头或触头接触电阻低于相连导体部分的电阻，那么，连接部位的损耗发热不会高于 相邻载流导体的发热，然而一旦某些连接件、接头或触头因连接不良，造成接触电 阻增大，该部位就会有更多的电阻损耗和更高的温升，从而造成局部过热。此类通 常属外部热缺陷。 外部热缺陷的特点是：局部温升高，易用红外热像仪发现，如不能及时处理， 情况恶化快，易形成事故，造成损失。外部热缺陷占热缺陷比例较大。 内部热缺陷的特点是：故障比例小，温升小，危害大，对红外检测设备要求高。 根据相关单位提供的长期实测数据及大量案例的综合统计，电力设备外部热缺陷一 般占设备缺陷总指数的9 0 - - 9 3 ，内部热缺陷仅占7 1 0 左右。 对于那些可以直接观察到的设备及元气件，红外监测仪器都能够发现所有连接 点的热隐患。对于那些由于被遮挡而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传递 到外面部件上的情况加以分析，从而得出结论。由于现场的实际情况比较复杂，要 想做出一个精确的判断，可能会受许多因素的影响。如当前的温度，风量，负荷等 情况。我们可以根据不同的特点，作相关的分析，做出相应的判断。 2 2 2 热缺陷等级划分及处理措施口1 带电设备热缺陷按其性质严重程度可划分为： ( 1 ) 一般缺陷 一般缺陷指对近期安全运行影响不大的缺陷：可列入年、季度检修计划中消除。 ( 2 ) 重大缺陷 重大缺陷指缺陷比较重大，但设备仍可在短期内继续安全运行的缺陷。应在短 期内消除，消除前应加强监视。 ( 3 ) 紧急缺陷 紧急缺陷指严重程度已使设备不能安全运行，随时可能导致发生事故或危及人 身安全的缺陷。必须尽快消除或采取必要的安全技术措施进行处理。 电器中各零件材料和不同部位的允许温度和温升如表2 - 3 和表2 4 所示， 8 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 3 电器中各零件材料的最高允许温度和温升 序号 电器弥材料及介质嬲u 篇激芜嚣蕊翟嚣 触头 动静触头有不同镀层时选取允许值较低值 涂镀触头试验后应保留镀层否则按裸触头 l 裸铜或裸铜合金 7 53 5 镀锡 9 05 0 镀银或镀镍1 0 56 5 当两种不同镀层的金属材料紧固连接时，允 用螺连接的结合部分裸铜 。 一一 一。 。 许温升值以较高者计。 2 铜合金和裸铝( 铝合金) 9 0 5 0 镀( 搪) 锡 1 0 56 5 镀银或镀镍1 1 57 5 3 用其他裸譬竺竺成或表面镀其他材其值应根据材料的特性来决定 料的触头或连接 4 用螺栓或螺钉与外部导体连接端子此值不受所连外部导体端子涂镀情况的影响 5 开关用油 9 0 5 0 ( 油上层部位) 考虑发热y ( 不浸渍材料) 8 54 5 对机械强a ( 浸渍材料) 1 0 06 0 6 度影响 e 、b 、f 、1 t1 1 07 0 此绝缘等 y ( 不浸渍材料) 9 05 0 级绝缘材 a ( 浸渍材料)1 0 06 0 料及与其 不考虑发 e1 2 08 0 热对机械 接触的金b1 3 09 0 强度影响 属零件f1 5 51 1 5 h 1 8 01 4 0 油基漆 1 0 06 0 漆 合成漆1 2 08 0 考虑发热裸铜、裸铜合金或镀银1 2 0 8 0 7 对机械强裸铝裸铝合金或镀银 1 1 07 0 不与绝缘 度影响钢铸铁及其他1 1 07 0 材料接触 不考虑发 ， 的金属零裸铜、裸铜合金、镀银1 4 51 0 5 件热对机械铝、裸铝合金、镀银1 3 59 5 强度影响 9 华北电力大学硕士学位论文 表2 4 组合电器外壳的允许温升 外壳部位在环境温度为4 0 c 时的允许温升k 运行人员易触及的部位 运行人员易触及但操作时不触及的部位 运行人员不易触及的个别部位 3 0 4 0 6 5 注：温升超过4 0 k 的部位应做出明显的高温标记，以防维修人员触及并应保证不损害周围的 绝缘材料和密封材料。 部分设备缺陷等级可以通过利用相对温差判据判断，如表2 5 所示， 表2 - 5 部分电流致热型设备的相对温差判据 在同一电气回路中当三相电流对称和三相( 或两相) 设备相同时比较三相( 或两 相) 电流致热型设备对应部位的温升值可判断设备是否正，常若三相设备同时出现 异常可与同回路的同类设备比较，当三相负荷电流不对称时应考虑负荷电流的影 响。 2 3 红外监测应用范围 通过其对电气设备和线路的热缺陷进行探测，如变压器、套管、断路器、刀闸、 互感器、电力电容器、避雷器、电力电缆、母线、导线、组合电器、绝缘子串、低 压电器以及具有电流、电压致热效应或其他致热效应的设备的二次回路等，这对于 及时发现、处理、预防重大事故的发生可以起到非常关键而有效的作用阳1 们。 红外诊断应用于电力系统的适用范围 1 1 - 1 2 ( 1 ) 高压电气设备内部导流回路故障的诊断 高压电气设备运行状态检测与内、外中心故障诊断，各类导电接头、线夹、接 线桩头氧化腐蚀以及连接不良缺陷，变压器高、低压套管上、下两端连接不良。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 高压电气设备内部绝缘故障的诊断 各类高压开关内中心触头接触不良缺陷；隔离刀闸刀口与触片以及转动帽与球 头结合不良缺陷；各类电流互感器一次内中心及外中心连接不良缺陷、本体及油绝 缘不良缺陷以及内中心铁芯、线圈异常不良过热陷；各类电压互感器绝缘不良缺陷、 缺油以及内中心铁芯、线圈异常不良过热缺陷；各类电容器过热、耦合电容器油绝 缘不良和缺油( 低油位) 缺陷；各类避雷器内中心受潮缺陷、内中心元件老化或非线 性特性异变缺陷；各类绝缘瓷瓶表面污秽缺陷，零值绝缘子检测，劣化瓷瓶检测。 ( 3 ) 铁磁损耗或涡流故障的诊断 电力变压器箱体异常过热，涡流过热。 ( 4 ) 电压分布异常和泄漏电流增大故障的诊断 ( 5 ) 油浸电气设备缺油故障的诊断 变压器油箱以及充油套管缺油( 低油位) 缺陷，由于油与空气分界面上下介质的 热物理参数不同，( 变压器油的导热系数为0 1 1 8 6 ，空气的导热系数为0 0 2 7 ，彼 此相差约四倍左右，而且两者的热容量和吸热性能也不同) 。所以，必然在油面处 形成一个较大的温度梯度，从而使得缺油和存在假油位的套管，在实际油位处形成 一个有明显温度突变的热力特征。 ( 6 ) 电力机械磨损故障的诊断 各类电动机轴瓦接触不良以及本体内、外中心异常过热。 ( 7 ) 火电厂锅炉运行状态诊断 ( 8 ) 热力系统破损及漏热诊断 ( 9 ) 电力设备零部件内部缺陷及焊接质量诊断 发电机运行状态检测、电刷与集电环接触状态检测、内中心过热检测。 ( 1 0 ) 其他发热现象诊断 2 4 变压器红外诊断导引 本论文以电力变压器的红外监测为例研究此系统的工作原理及工作情况，因 此，下面重点对变压器的红外诊断方法进行讨论n 们，根据导则列举的变压器发热现 象和机理，并根据电力变压器运行规程有关变压器温度的规定和本系统采用的检测 方法分析如下n 卜埔1 ： ( 1 ) 箱体涡流损耗发热 变压器漏磁通产生的涡流损耗引起箱体或部分连接螺杆发热，其特征是：以漏 磁通穿过而形成环流的区域为中心的热分布。 本系统拟设置红外一视频一体机对变压器油箱便面进行二维循环扫描，对油箱 表面形成m x n 个点的温度数据采集，分析数据此类异常应表现为以某一点最高温度 华北电力大学硕士学位论文 为中心的放射状温度分布。涡流损耗所引起的箱体温度不得超过表1 油浸式变压器 项层油温一般限值所规定的顶层油温的允许值。 ( 2 ) 变压器内部异常发热 当变压器内部出现异常发热时，有可能引起箱体局部温度升高。这种热分布图 不具有环流形状。这类缺陷一般同时伴有变压器内部油的气化，可采用红外诊断与 色谱分析和电流分析相结合的方法进行判断诊断。 ( 3 ) 冷却装置及油路系统异常 1 ) 潜油泵过热 从分析系统观察，此类异常潜油泵部分有明显温度上升区 2 ) 管道堵塞或阀门未开 设置平行与管道的扫描轨迹，无热油循环的部分管道或散热器将形成明显温度 骤变区，且被堵塞区呈现低温区。被堵塞位置和阀门一般表现为温度分界线。 3 ) 充油套管缺油油枕缺油或假油位或油枕内有积水 由于油与空气分界面上下介质的热物理参数不同，变压器油的导热系数为 o 1 1 8 6 ，空气的导热系数为0 0 2 7 ，水的导热系数为0 5 4 ，彼此相差很大，而且它 们的热容量和吸热性能也不同。所以，必然在油面处形成一个较大的温度梯度，从 而使得缺油和存在假油位的套管，在实际油位处形成一个有明显温度突变的热力特 征。 本系统拟采用红外测温仪纵向扫描方式，在此系统中，此类缺陷表现为油箱水 平方向出现明显温度分界线。 4 ) 油浸式变压器顶层油温的监测 油浸式变压器顶层油温一般不应超过表2 - 6 的规定( 制造厂有规定的按制造厂 规定) 。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低。自然循环冷却变压器的顶层 油温一般不宜经常超过8 5 c 。经改进结构或改变冷却方式的变压器，必要时应通过 温升试验确定其负载能力口1 。 表2 - 6 油浸式变压器顶层油温一般限值 5 0 0 k v 级强油风冷及强油水冷变压器，当冷却系统发生故障切除全部冷却器时， 在额定负载下允许运行2 0 m i n 。当油面温度尚未达到7 5 1 2 时，允许上升到7 5 c ，但 1 2 华北电力大学硕士学位论文 切除冷却器后的最长运行时间不得超过一小时。根据相关规定在此系统软件部分做 出相应设置n 刖。 ( 4 ) 高压套管缺陷n 町 此系统采用同一个红外测温仪进行横向多行扫描方式，横向扫描主要目的是进 行不同相套管之间的对比，同一个红外测温仪测量不同部位温度可有效减小误差， 套管的主要异常主要表现在介质损耗过大、套管缺油、接触不良等方面，因此设置 此系统扫描路径必须经过上端引出线与套管接线处和下端连接处，并设定套管中部 有必要密度和数量的扫描轨迹。表2 7 列举了几种正常状态下变压器套管的温升情 况。 表2 - 7正常状态下变压器套管表面温升和相间温差统计表( ) 本系统中套管故障的变现情况为： 1 ) 介质损耗增大 在此系统中的温度分布特征是套管整体温度偏高，正常时同类比较相间温差不 应超过1 k 。 2 ) 套管缺油 在此系统中的温度分布特征是某一套管有明显的温度突变分界线。 3 ) 导电回路连接件接触不良 在此系统中的温度分布特征是一个以发热点为中心的高温点。 ( 5 ) 铁芯绝缘不良 由于油浸式变压器铁心绝缘不良在油箱便面表现不明显，因此难以从一次扫描 结果得出结论，应结合历史数据，比较油箱表面相同部位是否有温升。由于油浸式 变压器在吊罩后施加一定的试验电压才能观测铁芯的绝缘损坏情况，必要时配合变 压器大修进行。 2 5 对检测环境的要求 ( 1 ) 检测目标及环境的温度不宜低于5 ，如果必须在低温下进行检测应注意仪 1 3 华北电力大学硕士学位论文 器自身的工作温度要求，同时还应考虑水汽结冰使某些进水受潮的设备的缺陷漏 检。 ( 2 ) 空气湿度不宜大于8 5 ，不应在有雷、雨、雾、雪及风速超过0 5 m s 的环 境下进行，检测若检测中风速发生明显变化应记录风速，必要时按以下方法修正测 量数据n ： 当风速小于1 5 m s 时，定量检测值可按下式进行修正： t o = t ，c x p ( v 哪 公式( 2 4 ) 式中：t 广无风时的温升，k ； t 风速为v 时的温升，k ； v 风速，m s ； 卜衰减系数，迎风取1 3 ，背风取0 9 。 当风速大于1 5 m s 时，定量检测值可按下式进行修正： t o = t 0 2 ( v 2 v 1 ) 0 枷 公式( 2 - 5 ) 式中： to l 在风速v l 下的温升，k ； t 。：在风速v ：下的温升，k 。 ( 3 ) 当被测的电力设备处于太阳光辐射下时，由于太阳光的反射和漫反射在3 | lm 1 4 um 波长区域内，与基本的红外测温仪器设定的波长区域接近，且它们的分 布比例并不固定，极大地影响基本红外测温仪器，特别是红外成像仪器的正常工作 和准确判断。另一方面，太阳光的照射会使被测设备的温升叠加在被测设备的稳定 温升上，如日射强度为1 4 c a l c m - m i n 时，将造成1 l 1 3 7 的附加温升n 引。本系 统的工作波长范围在8 1 4i lm ，因此必须考虑太阳光线的反射和漫反射影响，进行 红外监测时，最好选择天黑或没有太阳光的阴天进行，在天黑时监测会影响视频信 号的效果，本系统采用一体化的红外线摄像机，在必要时可切换至清晰的图片数据， 以预设的清晰设备图像作为背景。本系统设定室外检测时间为每4 4 , 时扫描一次。 以日落后至次日日出前所得数据为准，白天所得数据作为参考。 ( 4 ) 室内检测宜闭灯进行被测物应避免灯光直射。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章变电站监测子系统构建 本监测系统由摄像机、数字云台、红外测温仪、交换机、网络通道、监控终端 及其他附属设备组成。其中变电站子系统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，并能够实现自动扫描，生成视频与红外温度 模型叠加的可视界面，组成了集视频、温度监控于一体的远程变电站自动监控系统。 其中前端视频采集系统由网络视频服务器、摄像机( 云台及解码器) 等组成呦吨。其 中网络视频服务器作为核心设备，负责将摄像机采集的各监控点视频图像并经过压 缩编码后通过网络上传到监控中心，实现视频的远程观看。同时可以根据监控中心 的操作发出的命令来控制视频切换、镜头变焦、近景远景、光圈调节等以及控制 云台上下、左右和自动巡视等动作。同时得到的红外测温信号与视频信号在监控终 端由软件结合，并监控、分析、预测现场情况心幻。 3 1 仪器型号选择与系统构成框图 3 1 1 在线红外测温仪选型乜3 1 红外测温仪的选型必须考虑本系统使用的环境和使用范围，红外测温仪的基本 参数包括以下几点： ( 1 ) t 作波段 根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发 射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。 根据红外辐射光谱的移动定律一维恩位移定律： 九t = 2 8 9 7 8 m k 公式( 3 - 1 ) 式中：入m 最大黑体谱辐射亮度处的波长( i lm ) ； t 黑体的绝对温度( k ) 。 该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长入m 随其绝对温度t 成反比移动。 考虑到大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程，对物体的辐射强度会有 衰减作用，我们称之为消光。大气的消光作用与波长相关，有明显的选择性。红外 在大气中有三个波段区间能基本完全透过，我们称之为大气窗口，分为近红外 ( o 7 6 - 1 11 1m ) ，中红外( 3 - 5um ) ，远红外( 8 1 41 tm ) 。对于电力设备，其大部 分的温度较低，集中在3 0 0 k 6 0 0 k ( 2 7 - - - 3 2 7 ) 左右，在这一温度区间内，根据 红外基本定律可以推导出，设备发射的红外辐射信号，在远红外8 1 4 u m 区间内所 占的百分比最大，并且辐射对比度也最大。因此，大部分电力系统的红外检测仪器 1 5 华北电力大学硕士学位论文 工作在8 1 4 u m 的波长之内。本系统选用的红外测温仪也选择波段在8 1 4 u m 的 波长范围内。 不过，即使工作在大气窗口内，大气对红外辐射还是有消光作用。尤其，水蒸 气对红外辐射的影响最大。因此，在检测时，最好在湿度小于8 5 以下，距离则越 近越好。 ( 2 ) 带激光瞄准 由于本系统要求获得视频信号的同时获得红# l - i 则温信号，并且要求在视野的几 何中心附近的固定点为测温点，因此必须要求红外测温仪带有激光瞄准功能，以便 将测温点准确的落在相应位置。然后保持视频与红外测温仪相对固定同时进行扫 描。 必须考虑到，在非同轴激光瞄准器型测温仪上，激光点在目标中心的上方，有 l o m m 左右( 与具体的测温仪型号有关) 的偏置距离。因此在安装调试的时候必须进行 补偿。 ( 3 ) 光斑直径 变电站室内外除t 型线夹直径较小外，室内近距离的母( 铜) 排连接处的直径也 不大，最小为4 0 m m 。因此红外测温仪光斑直径不能超过4 0 m m 。 ( 4 ) 测温范围