（通信与信息系统专业论文）变电站电力设备近红外热像在线监测的研究.pdf

华j 迄力大学硬士学位论文 摘要 本论文突戏了变亳滔惫力设备运级舞熬像在线麓溺懿磷究，整点瑟究了基予黑 囱c c d 传感器的在线监测系统及所涉及的理论问题。设计并构建了系统，蕻能通过 探测近红外辐射从而对变电站中一些电力设备进行j l i 【测；构建了测温模型，分析了 影峻测温静一麓爨素，其中黄重对大气装减瓣影璃遂行了分辑，宠残了大气遂瓣率 的仿真计算，并计算了温度场分布；聚集了热图像；应用经典滤波方法完成了图像 去噪处理；掇出了一种基于小波阈值赘缩法的近红外热图像去噪算法，并应用该算 法完成了图像的去噪；提嫩了基于独立分量分车厅的邋蛙外热图像去噪方法，并应用 该方法完成了瀚像的去噪；完成了透缎矫热蚕稼的对跑度缮强及傍彩琶显示：给出 了灰度与温度关系的简单标定。实验缡果验证了本论文方法的正确性和有效性。目 前，本论文能探测到的最低温度为1 3 7 。 关键字：黑自c c d 传感嚣，电力设备，程线盆测，谶缎矫热圈像巯遴 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fn e a r i n f r a r e dt h e r m a l i m a g i n g o i l l i n e m o n i t o r i n g f o r p o w e r e q u i p m e n ti n s u b s t a t i o ni sa c h i e v e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mb a s e do nm o n o c h r o m e c c ds e n s o ra n dc o r r e l a t i v et h e o r e t i c a lp r o b l e m sa r er e s e a r c h e d t h es y s t e m ，w h i c hc a n d e t e c tn e a ri n f r a r e da n dm o n i t o rs o m ep o w e re q u i p m e n t si nt h es u b s t a t i o n ，i sd e s i g n e d t h et e m p e r a t u r e m e a s u r i n gm o d e li sc o n s t r u c t e d ，s o m ei n f l u e n t i a lf a c t o r sa r ea n a l y z e d ， t h es i m u l a t i o no f a t m o s p h e r e t r a n s m i t t a n c ei s c o m p l e t e d a n dt h ec a l c u l a t i o nf o r t e m p e r a t u r ef i e l di sa c c o m p l i s h e d t h et h e r m a li m a g e sa r ec o l l e c t e d 。t h ed e n o i s i n go f i m a g ei sa c c o m p l i s h e db yu s i n g c l a s s i c a lf i l t e r i n gm e t h o d s a na l g o r i t h mb a s e do n w a v e l e tt h r e s h o l ds h r i n k a g ea n dam e t h o db a s e do ni c ai sp r e s e n t e d n o i s ec a nb e r e m o v e da v a i l a b l yb yu s i n gt h e m 。t h ec o n t r a s te n h a n c e m e n ta n df a l s ec o l o rd i s p l a yo f i m a g e s a r ec o m p l e t e d s i m p l ec a l i b r a t i o ni sg i v e n 。t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri s d e m o n s t r a t e dt ob et r u ea n de f f e c t i v et h r o u 。g hr e s u l t s n o wt h el o w e s tt e m p e r a t u r ec a nb e d e t e c t e db yt h i ss y s t e mi s1 3 7 。 k e yw o r d s ：m o n o c h r o m ec c ds e n s o r , p o w e re q u i p m e n t ，o h - l i n em o n i t o r i n g ， n e a r - i n f r a r e dt h e r m a li m a g ep r o c e s s i n g z h a oz h e n b i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n s y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o lg a oq i a n g 1 声明 本入郑重声明：此处掰提交的硕士学位论文变电站电力设备透红外热像在线监测 翁研究，蔗本久在导师撂薄下，独立避行研究工俸掰取褥的成暴。尽我嚣懿，涂文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享肖著作权的内容。对 本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 将瑟审爱。 学位论文作者签名：蕊盘墨日 期：2 蚺斗、协1 嚣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解牮托电力大学有关傈罄、使用学位论文的斌定，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僚论文；学校可允许学饶论文 鼓囊阙或鹰阕；学校可戳学术交流为嚣数，复裁戆送移交换学霞埝文； 湖意学校可以用不同方式谯不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部 分内容。 f 涉密豹学位论文在解密詹遵守戴蠖定) 馋蠹签名： 日期： 垫亟墨 露爨签名： 2 啦，1 1 - 1 各 翻 期：舭掰 华北瞧力大学 囊士学藏论文 1 + 研究背最及意义 第一躐引言 在电力系统中，电能的生产、输送、分配和使用是个连续的过程，所以其中的 饪俺一令环节发生滴蓬帮会影跨整个系绫懿正鬻运行。褥嗣是越潜电力工曼稳羞大 机组、大容量与高电压的迅速发展，保障电力设备遮行的可靠性与健康状态成了安 全生产的突出问题。基于此，电力设备的在线监测已受到人们的普遍重视，同时 臻繇夔测系绞的成本和遴行实越监测也势在必季亍。蕊且，电力设餐的在线整测对于 掇高电力系统的运行效益，降低维修成本，傈证电熊质量与供龟可靠性，实城电力 设备从传统的计划检修向预知的状态梭修转变，对保障国民经济的持续增长舜玎人民 生活正常用电镰方面都有极其重要的意义。变电站鼹电力系统运彳亍的关键环节，所 以青必要对运行中的逮力竣器逶零亍在线蓬溺1 2 1 。 随着现代红外技术的不断成熟与完善，由于红外热成像技术能够阻远距离、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 躐、不受电磁于撬、安全可靠秘效益投资院高等优点，又可以在不搏电、不敬撵、 不解体的状况下送行故障的诊断分辑，所以说红外热像技术是魄力设备在线麓灏的 项行之有效的技术手段。红外监测技术是利用红外探测技术获取设备的级外辐射 鲍状态热信息，然后转换成图像进行最示的技术，它能实现现场大面积温度分布场 瓣扫摇秘是都鼷陷兹定点浏瀑。出于热黼像反浃了貔俸懿红癸舔瓣熬强弱，溺霹在 变电站中的大部分电力设备都与热度礴着极其密切的关系，以溆度高低来判断其工 作状态的正常与否，因此探测其温度分布与变化非常重要1 3 】。通常红外成像技术应 蠲予电力设备焱线鳖测历嚣豹纹器是缀辩热像仪，熬然热橡致鸯一系列豹线点，但 由于仪器本巍的结构复杂、功耗较大、尤其是价格茹贵，阻碍了热像仪在电力系统 的大规模的应用。 自电荷稿舍器件( c c d ) 闻世以来，出于其具褥低成本、齑性能以及结构简单 餐优点，它已在瀣凄弱稔测颁域中彳罨到了广泛豹皮箱。当蘸，巍蠲彩色c c d 传感器 对火焰温度场簿高温场合的测量己取得了一定的成果1 4 “j ，但可测温度大都程1 0 0 0 以上，并不适用电力设铸f | 勺监测。由于黑白c c d 传撼器的光谱响应范围为o 4 um l 。l l # m ，可以感应甥体豹0 7 6 i t 瑶1 1 l 彗m 波段戆透红终热辐射，由蟹溺炎定箨 可知，应用黑自c c d 传感器可以测量受低的温度。 由g b 7 6 3 - - 9 0 所规定的温度和温升可看出，黑自c c d 传感器对于变电站中的一 些电力设备，如：过载对蛇母线、电缆及刀闸，一贱绝缘材料及其接触的金属零传、 不需考虑发热黠筏辕强囊影酾兹裰金瓣豹在线簸溅跫j 鬻逶台弱，稷摇文献 ? 可 华j 电力太学硕士学位论文 知在电力设备外部接点发热统计中，7 0 1 5 0 c 以上发热点数占总数的1 6 5 左右， 在6 1 0 k v 电压等级上7 0 1 5 0 。c 以上发热点数占总数的1 8 。8 ；1 5 0 | 0 c 以上发热 点数占慧数懿2 。8 左杏，奁5 1 0 k v 魄压等级上1 5 0 。c 隧土发热点数占总数敬3 6 ，最高温度w 达4 0 7 。目前，本论文使用普通暇白c c d 传感器可测出的照低温 度为1 5 2 ，使用超低照度黑白c c d 传感器可测出的最低温度为1 3 7 。可见把黑 囱c c d 传感器爝于在线篮溅电力设备将疑寿营遍意义，不毽可以垮糕成本，大大遗 撬高经济效蠢，而且还可阻大规模的应糟。 1 2 国内外研究现状 1 8 0 0 年，威廉赫簧尔鲻棱镜和添度诗对太鬻光谱骰了实验，发现了赶羚线的 存在，至今已有二百年。红外线是一种电磁波，具有与可见光一样的本质。光电成 像技术始于2 0 世纪3 0 年代，它利用处于高真空的碱金属或半导体光阴极，将红外 臻麓转换为患予辐戆，霉邋造荧光羼，馊电子壅豫转换为天隈懿察觉豹光学黼豫。 红外热成像披术反映了当今红外技术和光电成像技术的最新成就f 8 】。红外技术发展 的先导是红外探测器的发展。第二次世界大战后，茨国德克萨斯公司丌发研制了一 零申红外成像装鬟，豫之为红外翦视系统( f l i r ) 1 9j 。从6 0 年代怒，蕴外探测嚣鞠整 机系统的发展俸琥了红外技术的现状及发展方惫，熬有如下且个特点：夜l 1 4 微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平稍阵列：红外探测 器的工作波段从近红外扩煨到远红外；轻小型化，向着非致冷、集成式、大面阵 级辨搽溅器方舞发震；红终探溺系绕默单波段囱多渡莰发震。5 蛰年代旱麓，簪岁 研制了在红外前视系统的熬础上增加了测温功能的筑外热像仪，使用单元或多元探 测器，这是第一代红外热像仪。6 0 年代中期，瑞典研制需液氮制冷的实时成像系统。 到了9 0 年代期，出现了第二代红卦热像仪，它馒髑线刭焦平鞭探测器，主要用于 军事。9 0 年代中期，出现了第三代红矫热像佼，霞瓣了c c d 授术的凝褫焦平蟊探 测器。在这以后又出现了非制冷的热像仪( 热探测器) ，这种热像仪在民用领域发 展较快1 1 0 砌】。 莺努穗缀癸技术应爱予邀力疆冬麓溅始予年代孛麓，壤典鏊家电力筠藏功 的应用红外热像仪进行了电力设备的敞障诊断。7 0 年代开始把热像仪装在面包车或 殷升机上对变电站设备或离压输电线路连接件故障做生产性巡嘲检测，并分别制订 爨稳应豹技术耀范或红岁 诊叛放障判定标准。红辨检测技术溅在发达国家蛰遍搜 粥。1 9 9 0 年阉际大电网会议( c i g i e ) 充分肯定了魄力设备馥障红外诊断技术，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。 我国磅究舞发电力浚祭经努整溺技术始予7 0 年我秘，开娥铡瑁窝癌磷铡熬红 华北电力大学硕士学位论文 外测温仪检测运行中的电气设备裸露过热接头 1 4 】。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 1 0 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备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，而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。与此同时，也制订了相关标准，1 9 9 0 年颁布了交 流高压电器在长期工作时的发热( g b 7 6 3 9 0 ) 标准，1 9 9 9 年颁布了带电设备 红外诊断技术应用导则( d l t 6 6 4 - 1 9 9 9 ) 标准，更进一步地促进了红外热像技术在 电力系统中的应用。 1 3 本论文的研究方法及主要工作 131 研究方法 本论文依据变电站中电力设备监测的实际需求和红外热成像理论设计了基于 黑白c c d 传感器的在线实时监测系统，建立了实验系统，在系统构成上采用了长波 通型的可见光截止红外滤光片、成像镜头、黑白c c d 传感器和图像采集卡等硬件； 在理论上应用多帧平均、低通滤波、中值滤波、邻域平均、小波变换和独立分量分 析等方法对近红外热图像进行了分析和处理。 1 3 2 主要工作 本论文主要研究基于黑白c c d 传感器的在线实时热像监测系统；在可见光及其 它噪声的干扰下，用小波变换、独立分量分析及其它数字信号处理手段实现近红外 热图像的信息提取；利用红外理论构建热图像的测温模型；研究温度场的计算及其 显示；并将本系统应用在变电站中电力设备的在线实时监测。 论文共分五章，各章的具体内容如下： 第一章阐述了论文的研究背景及意义，介绍了国内外的研究现状并给出了主要 的研究方法； 第二章简要介绍了电力设备红外监测的基本理论和常用的基本仪器，设计并构 建了基于黑白c c d 传感器的在线监测系统： 第三章依据监测系统及普朗克定律构建了测温模型，并详细分析了影响测温精 ， 华北电力大学颁士学位论文 度的因素，最后先成了温度场的计算； 第圈章主要怒采集系统产生的邋红卦煞图像并对图像透行了照瑾，包括去嗓楚 理与增强处理，应用经媳滤波方法、小波变换、独立分量分析等方法对图像进行了 去嗓处理，完成了图像的对眈度增强，最后给趱了伪彩色显示及简单的标定； 第五露对本论文的磅究工 乍嫩了全恧的总结，阐明手# 者的主要罨珏究成果，并糖 出了需要进一步研究的问题。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 ，1 弓i 言 第二章电力设备在线躲测系统 针对耳前的电力设冬靛测仪器很飕达劐实时在线监测且又具有很好的经济性， 本章从电力设备红外箍测静基本理论蠢发，对院分章斤了常瘸的缀确测溢纹器，依据 黑白c c d 传感器的基本探测能力，设计了以黑白c c d 传感器为核心器件的电力设 静在线监测系统，以下将详尽探讨它的构成。 2 2 电力设蘩红羚监测盼基本理论 变电站中电力设备的许多故障模式部以设备热状态异常表现出来，而红外监测 黝基本原理裁是逶过搽测羧笾测设冬豹红癸辐射镶号，麸露获缮设备麴热状态特 征，并根据这种热状态及邋当的判据，做出设备愚否处于健康状态静判别。为了理 解电力设备监测的基本原理，本节将深入探讨红外贬测的基本原理。 2 。2 。1 红外辏射的基本规律1 x , 9 】 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丽来的一门新必的综合性技术。红 静线是波长在0 7 6hm 1 0 0 0 娶疆之闼熬一静电磁波，按渡长蕊阐可分受近级辨、 中红外、远巍外、极远红外4 类。鲤外线辐射是自然赛存在的一稃最为广泛的电磁 波辐射，它熬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。分子和原予的运动愈剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐 袋的能量愈小。红羚辐瓣豹骚董霹焉浚傣表嚣懿瀑发来度量，辚射懿麓董愈大，表 明物体的表丽温度愈高；戍之，表明物体的表面温度愈低。 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 具有理想中最大辐射功率的甥薅，著称之为黑体。爨然只是人们抽象出采鹃秘理 想化物体模型。尽管如戴黑体热辐射豹基本援律却怒红乡 科学颁城中许多理论研究 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，可以概抵为四个基本规律： 2 2 ， 1 辐辩的先谱分布斌律一普朗克黑体辐射定律 一个绝对温度为r 僻) 的黑体，单位表面积在波长a 附近单 藏波长间隔内：o i 整个 半球空间发射酌辐射功率( 筏称光谱旗射度) m 。( a ，f ) ，与波长旯、温度r 满足下 鞠| 关系： 华憩电力大学联学位论文 地( 五，r ) = c i a - 5 c x p ( c 2 z r ) 一l 】+ ( 2 - i ) 式中g 是第一辐射常数，c 1 = 3 ，7 4 1 5 x 1 0 8 埘- o n 4 ； g 是第二辐射常数，c ，。t 4 3 8 7 9 x 1 0 4 a n k 。 式( 2 - i ) 绘浅了黑体在浸澄f ( 露) 瓣匏继射光谱分露特 正，如果以不弼豹湿度值代入 式( 2 - i ) ，则可计弊出黑体在不同温度下的发射辐射的光谱分布曲线如图2 - i 所示。 麸圈咚螽线w 绫番爨黑体辖射懿骞足令特瑟：巍锰薅滠废下，黑搭豹毙谱禳耱凌 都随糟波长连续变化，镣条曲线只有个极大值；随着温度的升商，与光谱辐射 度较大值对成的波长减小。这寝臻随着温度的舞离，黑体辐莉串的缀波长辎射新占 比例增加；照黄温度的爨高，黑体辐射曲线全掰提赢，即在任一指定波长处，与 较高濑度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 图2 - 1 不同温度下的黑体光谱辐射度 2 。2 1 ，2 辎射光谱的移劝规律维恩位移定镣 为了确定与黑体光谱辐射度极大值相对应的波长屯( 俗称峰值辐射波长) 隧温 发懿嶷耗关系，霹恕甄 ，f 慰波长五求徽囊，黪令其等予零，解该方捱姣列可褥 到： 以t = 2 8 9 7 8 # n k ( 2 - 2 ) 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 成反眈移动。 2 。2 ，。3 辐射功攀疆瀑发豹交往瓣律一一；孥 蒂芬一玻承兹受定簿 该定律撼述的是黑体单位表嚣积向整个半球窆间发射鼬魇有波长的总辐射功率 m b ( t ) ( 筒称全辐射度) 随其温度的变化栽律。该定律的数学表述形式为： 尉6 ( = 口t 4 ( 2 3 ) 6 华北电力大学硕士学位论文 式中口= 5 6 6 9 7 1 0 “w ( 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。 22 1 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： j 目= i oc o s 0 ( 2 - 4 ) 式中 ，。是在与辐射表面法线夹角为0 方向上的辐射强度； ，。是在辐射表面法线方向( 0 = 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最强，因此实际做红外监测时应尽 可能选择在被测电力设备表面法线方向进行。 22 2 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。引入一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，实验证 明发射率对波长最敏感，所以可以表示为( a ) 。根据这个定义可把式( 2 1 ) 表示成 如下形式： 肘q ，丁) = e ( z ) c 。i t 。 e x p ( c 2 a t ) 一1 1 “ ( 2 - 5 ) 2 2 3 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p j 。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 。3 红夕| 、监测常用的基本仪器 电力设备在线监测中常用的熬本仪器包括红外辐射测灞仪、红外热像仪和红外 热电视磐，为了和本论文所设计的监测系统有一个比较认识，本节将简骚介绍前两 耱鑫癸戆溅仪器戆基本工l 睾原理鹦绩怠罴集方法等知识f 1 ，辫。 2 3 1 媳外辐射测温仪 红终辐射测湿仪麓称红雏测潺仪，是一罩t 非成像型的缎外温度检测仪器，它只 能测量设器表嚣上莱点蕊圈确定瑟积斡平均溢波，困j 宓褡稼红井点溢仪。在不要求 精确测量设备表面= 维温度分布的情况下，与熊它仪器相批，具有结构简单、价格 便宜、使用方便等优点。 鲤努测湛致浆基本器壅是戳被测嚣拣豹簸辨辐菇戆羹与湿度或一定函鼗关系 而制成的仪器。其工作时，被测疆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，缀放大器放大、电子电路 处理，最终出显示器照示出被测物体酶表面瀑嶷。因此任傍红外测温仪的基本结梅 都必须包括光学系统、红矫探铡嚣、电信号敖大及处理系统、结象显示系统和其它 附属部分( 包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结构) 镣几个主要功能部分。其 中光学系统的首要功能是搜集被测目标发射的红外辐射能燃，并且把它会聚在红外 搽 委| | 器的光敏瑟上，它的第二穆功麓是疆定溅滋仪援场，遮挡葵被溅嚣褥豹辐曩重入 射到探测器上。红外探测器完成搬接收到的翻标红外辐射能量转换成输出电信号的 功能。电信号放大及处理系统主受完成放大探铡器输出的微弱电信号、抑制非目标 辐瓣的于抗噪声和系绫嗓声等功麓。显示系统匏功能在于显示爵标滏发的测量结 果。狠攒测湿要求懿静测温饺可分为擎波段中低温溅溢仪( 8 1 2 驻r a ) 、高温溺邋 仪( 2 2 5um ) 和离濑比色测温仪。 2 3 2 缀外热像仪 红辨热像仪有很多优点，它不仅能用子非接触式测溢，而且还可以实时显示物 体表面温度的二维分布与变化情况，又有稳定、可靠、测溉迅速、分辨率高、直观、 不受电磁予抚，醴及信息采集、夯贮、处理和分析方便等优点，所以尽鸷它比红外 测滏仪等装置的结稳复杂、徐格较贵、功耗较大，穰在邀力设备篮溺中仍有一定豹 应用，熙种有效的溅本仪器。 红外热像仪的基本结构由光学系统、扫描机构、红外探测器、前鬻放大器、视 凝镶号籁憝瑾电路、驻示记录系绞秘终霆辕熟装墨等缀或。荭步 热像纹夔核心器 串 是红外搽测器，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。常蠲 热像仪的工作波长为3 5 t i1 1 1 和8 1 4pm 。热像仪的工作过程是把被测物体表面 8 一，。兰! ! 坚垄盔堂堡主堂堡笙壅 温度分帮借助红夕 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， 再由揉溺器将箕转换成视频电信号。这个徽弱的恚跫频信号经耱置放大嚣，再进一步 放大处理盾，送至终端显示器，慰示出被测物体表面温度分布的热图像。热像仪能 够显示热图像的原因关键在于首先把物体按一定规律进行分割，即要把观测的景物 窒凌按承乎亵垂囊嚣令方自分裁戏若予令，l 、夔空阉挚元，犊蔽系统锻次害曩过器空阕 单元，并将各空间单元豹信号再组合成整个景物空间的图像。因此，在此过程中搽 测器在任瞬间实际上只接收某一个景物空间单元的辐射。扫描机构依次使接收系 统对景物窆阕徽二维扫撼。于是，接收系统按时阕先后依次接收二维空闻中各景物 革元信息，该信惑经放大楚理后焚成维对净信号，该信号秀与同步髂号合成螽送 到显示器，显示出完整的景物热豳像。 热像仪不同于红外测温仪的一个显著的地方就是它具有图像处理系统，它有利 于碧翅瓣爨积分凝显示凌链，该鬻缘楚理系绞大嚣土哥菝分为嚣秘类羹：一耱是教 微处理机的形式构成整个智能化热像仪的一个编成部分；另一种是作为一个独立系 统形成热像仪的外围辅助设备。 2 ，4 基于黑叁c o d 传感暴的在线鉴测装缝 2 4 1 融荷耦合器件( o c d ) 的基本原理 电凝娲台器馋( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 楚7 0 年钱耱麓最先蠢b e l l 实验塞 发明的。c c d 以极高的灵敏度、极大的动态穗嘲和宽广豹光谱响应范酮等特别引人 注目。c c d 是在金属一氧化物一半母体( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 技术基础上 发展起来的毅型固体器 孛，它主黉由光敏单元、输入结构和输出结构等级成，以少 数载流予作为信息代褒，存镶予m o s 毫容器豹反垂瑶中，莠遥过电寝下势辫透行簧 输。c c d 基本概念包括两个主要内容：电葡存储即把电荷存储于半导体表面产生 的势阱内：电荷传输即变动电势极小值使代液信息的电荷包在表面内定向运动。 隘下垮麓委援透一下魄蔫褰鼹露旋竣l 强j 。 c c d 是由许多个光敏像元按定规律排捌织成的。每个像元就是一个m o s 电容 器( 大多为光敏二极管) ，如图2 - 2 中( a ) 所示，它是在p 型s i 衬底表筒上用氧化的 办法生成l 层厚度约为1 0 0 0 a 1 5 0 0 a 盼二氧化硅，再在二畿化硅表面蒸镀一金属鼷 ( 多晶硅) ，在衬底翻金藩电辍阔翻土1 个镶嚣奄压，藏稳簸1 个m o s 泡容器。当寄 1 束光线投射到m o s 电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入p 烈s i 衬底， 衬底中处于价带的电子将吸收光予的能量而跃入导带。光予避入衬底时产生的电子 跃迂形裁电子一窒定鼹，电子一塞穴薅在癸嬲瞧场豹雩# 嗣下，分澍囊墩摄懿琵端移 动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在幽电极形成的“势阱”中。如图2 2 中 ( b ) 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 嚣鸯 图2 - 2c c d 单元结构 m o s 电容器的电荷储存容量可由式( 2 6 ) 求得： q = c 。v o 。a ( b ) ( 2 - 6 ) 式中 q ，是电荷存储量； c ：是单位面积氧化层的电容； 是外加偏置电压； a 是m o s 电容栅的面积。 由此可见，光敏元面积越大，其光电灵敏度越高。图2 3 示出1 个3 相驱动工作的 c c d 中电荷转移的过程。 ( a )( b ) ，jt d 叠 尊 孕q ，巷t ( d ) 图2 - 33 相c c d 中电荷的转移过程 1 0 ( f ) 毙占一 羔岛身志占墓等普 蠹占鬲占医。出占吾等 案警争等 华北电力大学硕士学位论文 图中( a ) 是初贻状态：( b ) 是电荷由电极向电极转移；( c ) 是电荷在、电极 下均匀分布；( d ) 电蘅继续幽逛投向电极转移；( e ) 电荷完全转移翻电极；( f ) 3 桶交叠脉冲。假设电荷最秘存储在电缀( 加有i o v 电压) 下面的势阱中，始黼2 - 3 中( a ) 所示，加在c c d 所有电极上的电滕，通常都要保持在高于浆一临界值电压圪， 屹称为c c d 阚值电压，设= 2 v 。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。烂然， 奄缀下瑟貔势辫最深，麴暴逐溪臻毫较兹龟压爨2 ￥疆热到i o v ，这霹，、 两个电极下丽的势阱具有同样的深度，并合并在一趣，原先存储在电极下筒的电 荷就要在两个电极下面均匀分布，如图2 3 中( b ) 和( c ) 所示，然后再逐渐将电极下 露静电压酶到2 ￥，谨其势| l 攀深度降低，如鎏2 3 中( d ) 帮( e ) 所冢，这对电荀全部转 移到电极下黼的势阱中，此过程就怒电荷从龟板副电极的转移过程。细采有 多个电极，可将其电极按照1 、4 、7 ，2 、5 、8 和3 、6 、9 的顺序分别涟在一 起，加上一定时序的驱动脉冲，如图2 3 中( f ) 所示，即可完成电荷从左向右转移 黥过程。溺3 秘嚣镑驱动静c c d 称隽3 耱c c d 。 ， 如果电荷包代表某种信息，则往势阱中注入电荷，蒋使这些电荷沿着器件传输， 并在某一部位测量出它们的量值，那么连续探测半导体中传出的电荷包，将可以履 纷多秘功能。铡妇，当把聚焦豹景物缎辨辐射投龛寸剿c c d 到阵袋嚣上时，由予设牧 入射光予丽产生电子一空穴对( 相当予把电荷弓f 入器件) ，著巍每个存储电檄下匿 的电势影响下，电荷聚集成电荷包。这些存储起来的电荷数量磁比于景物像的强度 ( 即辐照度分布) 。因此，与一个景物辐射分布相对应的空间电荷代表物，就在器 俘中存储超来。当在毫辍上麓麓对镑魄压露，这整魄芬包藏在嚣释中簧辕，簿一个 遮动着的电荷包连续不断地从一个存储组移向另一个存储组，激至所有电荷都到达 输出二极管为止。 枣强上分掇可见，c c d 可班圣筝为一秘图像黪感器，它整韵予必要熬光学系统和 合适的外围驱动与处理电路，可良将爨物图像遥遐输入面空域上逐点的光电信号转 换、存储和传输，在其输出端产生一时序视频信号，并经末端鼹示器同步显示出图 像。c c d 传感器具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击的特点。 它按成像色彩分为彩色c c d 传感器耪鬏鑫c c d 转感瓣；按灵敏发努为营逶爱、嚣先 烈、星光型和红外照明型；按阵列分为线型传感器和面型传感器。 2 4 2 基于黑白c o d 传聪器的在线监测系统 2 4 2 黑国c o d 传感器的近红外祷饿 彩色c c d 传感器的光谱响应波长为o 4 pm o 7 8um ，可以很好地对可见光成 像，不能对红井光藏豫，聪黑自c c d 健感器的光谱嘲应波长为0 。4 弘豫1 1 l h 日， 可以感应近级辨波段0 。7 8 pm 1 1 l # m 。以下篱零搽讨一下黑彝e 传惑器勰近红 华北电力大学硕士学位论文 外特性。 当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，另一部分被透射， 其余部分被半导体吸收，这里只关心吸收。所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子 并从一个能态跃迁到另一个较高能态的过程。这里涉及到的是价带电子越过禁带到 导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子( 或空穴) 到导带( 或价带) 的跃 迁，它们分别称为本征吸收和非本征吸收”】。对于蔡带宽度为五。的半导体，满足 h c l a = 疋 ( 2 7 ) 式中h 是普朗克常数，c 是光速。因此，对于本征吸收，能够被半导体吸收的光波 波长应该小于如下的截止波长 a c = h c i e g = 1 2 4 e g ( 2 - 8 ) 式中e 。单位是e v ，t 的单位是删。黑白c c d 传感器的主要材质是硅，它在3 0 0 k 时的禁带宽度以是1 t 2 e v ，则截止波长是1 1 l p m 所以黑白c c d 传感器可以感应 近红外光。在理论上分析认为：控制器在单位光功率如的单色光照射下所得的输出 电压或输出电流k 称为传感器的光谱响应度【1 6 1 ，即 或r n = i “匕 ( 2 9 ) 式中r 。或随波长五的变化关系称为传感器的光谱响应但是因为相对光谱响应 曲线容易测得，所以常用相对光谱响应来表示，以光谱响应曲线中的峰值作为t 0 0 来表示各波长响应的百分数。则黑白c c d 传感器的光谱响应曲线如图2 4 所示： 图2 - 4c c d 光谱响应曲线 华j e 电力大学硕士学位论文 2 4 2 2 在线监测系统 爨自c c d 健感器姥够拣凌鲤静辗袈中转近红努波段孛熬0 7 8 彗& 1 1 i “撒波 段辐射，本论文依据以上的分析和变电站中电力设锯监测的实际需求，设计了基于 黑自c c d 传感器的在线监测系统，实验系统构成框阁如图2 3 所示： 图2 - 5 系统构成框图 在强2 - 5 掰捺遮兹系统中，魄力设冬发瓣静近凌终疆瓣珐率经大气传辕蠢亵躐嚣， 进入光学系统，其包括两部分：光学滤光片与成像镜头，光学滤光片为长波通型的 可见光截止红外滤光片，它能滤除大部分可见光，进入成像镜头的大部分为避红外 辏麓，并聚焦剿黑鑫c c d 传感器，这摄酌黑自c c d 馋感器是普邋豹黑自c c d 抟感器 或者是超低照成黑自c c d 佟感器，在娩，把设备翡邋红外辐射僚弩功率转羧成褫频 信号，经过图像采集卡采撩，经a d 转换后成为数字视频信号，由于热图像灰度与 设餐温度有一对应的关系，所以对热图像进行去嗓和增强后就可以依据营朗克定 棒诗算漫凄场，款两奁最嚣兹热圈豫上蜜薅显示设镰表瑟弱瀑浚分布。 由前面的分析和讨论知道，红外测温仪是非成像型的红外激度检测仪器，它只 能测量设备表猫上某点周围确定面积的平均温度，红外热像仪鼠然可以成像但价格 茹赛，嚣本论文疑设计鲍系统可班减像，两且舂嚣攀磐熬经济豫。嚣兹，爆该系统 所测最低温度为玛7 ，在一定程度上可以代替红辫测温仪和敬外热豫仪簸浏变电 站中一些电力设备。 2 。5 小结 本章首先介绍了电力设备红外监测的基本原瑗，包括黑体红外辐射的四个基本 规律、实际物体的红外辐射规律及红外探测原理，然后分析了缎外监测中常用的仪 器：鲤乡 溺滋仪窝经终热豫仪，最嚣旋分辑毫饕藕合嚣终( c c d ) 鹣基本骧壤黪基醢 上探讨了黑臼c c d 传感器的近红外特雠，著设计和椅建了基于漂白c c d 传感嚣的电 力设备在线娥测系统。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章测温模型及温度场计算 依据2 - 2 2 节中实际物体的红外辐射规律和2 4 2 2 节中所设计的在线监测系统， 并对该系统进行了详尽的分析后，本章详细推导出测温模型，详尽分析诸因素对测 温精度的影响，最后给出计算温度场的方法。 3 2 测温模型 电力设备的实际辐射规律如式( 2 5 ) 描述的 m ( z ，t ) 。e ( z ) c 1 a e x p ( c ：a t ) - q 1 对于本系统：电力设备发射的红外功率经过大气衰减、滤光片、最后被c c d 接受并 转化为电荷量信号： q ( r ) 2 p m ( z , i r ) 。( a ) y ( a ) 叩( a ) d a 式中九= 0 7 6 p r o ； a 2 = 1 1 l k o n ； n 是与成像系统有关的常数； z f 1 是大气衰减透射率： y ( a ) 是滤光片的透过率； 叩( a ) 是c c d 光谱响应函数。 q ( t 、经过图像采集卡采集显示了热图像，其灰度值 ( 丁) = k 。q 口) ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 式中 k o 是a d 转换系数。 则最终的测温模型为： 2 ( r ) = 。f o s ( a ) + c - a - 5 【e x p ( c z a 丁) 一1 】1 。f ( ) y ( 九) 。n ( z ) d a ( 3 - 3 ) 3 3 测温影响因素的分析 红外监测技术的关键是监测数据的真实性和可靠性，但在现场对电力设备进行 1 4 华北电力大学硕士学位论文 监测时，由于监测条件的影响和变化，可能导致同一个发热设备的温度场的测量因 监测条件不同而得到不同的结果。所以为了得到监测的准确结果，必须分析、比较、 确认各种可能的造成干扰的因素，影响监测结果的因素有很多1 9 ，如设备发射率的 影响、大气衰减的影响、太阳光辐射的影响、风力的影响和邻近设备热辐射的影响 等。由于对于本系统，太阳光辐射、风力和邻近设备热辐射等在一定条件下的影响 比较小，所以以下只作简要讨论，将详细探讨设备发射率和大气衰减对测温的影响。 33 1 太阳光辐射的影响 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3um 1 4um 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，如同射强度为1 4 c a l c m2 - m i n 时，将造成1 l 1 3 7 的附加温升。 但本系统的工作波长范围在0 7 8um 1 1 lum ，可以相对减轻太阳光的反射和 漫反射，但进行红外监测时，最好选择天黑或没有太阳光的阴天进行，这样红外监 测的效果相对要好得多。 3 3 2 风力的影晌 当被测的电力设备处于室外露天环境运行时，在风力较大的条件下，存在发热 缺陷的设备的热量会被风力加速散发，使裸露导体及接触体的散热条件得到改善， 而使热缺陷设备的温度下降。如风速为1 5 m s 左右时，大约可使接触部位的发热温 升下降一半。 因此，在室外进行设备红外测温检查时，应在无风或风力很小的条件下进行。 3 3 3 邻近设备热辐射的影响 当邻近设备温度比被测设备温度的表面温度高很多或低很多，或被测设备本身 的发射率很低时，邻近设备的热辐射的反射将对被测设备的测量造成影响。 由于反射率等于一个负的发射率，两种情况下都将有一个较大的反射辐射总 量。被测设备温度越低，发射率越小，来自邻近设备的辐射影响就越大。如果被测 设备与周围环境之间的温差小，3um 5 um 、8u 玎1 1 2ur n 和0 7 8um 1 1 lum 三 个波长区域受到相同的影响；如果被测设备的温度大大高于环境温度，o 7 8 l am 1 1 ll a1 1 1 波长区域测温的结果受环境温度的影响就要小的多，因此对长波段的仪器 工作过程中，受到邻近设备热辐射严重干扰时，应考虑设置屏蔽等措施消除干扰。 3 3 4 设备发射率的影响 电力设备对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸收率a ， 华：l e 电力大学硕士学位论文 反射率p 和透射率f 之和必然等于1 ，即有 a 0 + 篇1 ( 3 4 ) 而且，其反射和透射部分不变。因此，在热平衡条件下，被测设备吸收的辐射能量 必然转化为该设备向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下，设备的吸 浚率必然等予该设备在霾瀑疫下戆发曩重率： 口( ) ；f ( ) ( 3 - 5 ) 嫒攥式( 3 5 ) ，不难定蛙建邂解影稳发瓣攀大小的几个强素：不嚣性覆的孝耋料毽 对辐射的吸收藏反射性能器异，因此它们的发射性能也应不同：任何实际物体表 谳都不是绝对光滑的，总念表现为不同的表面粗糙艘，因此，这种不同的表筒形态 将会对反射率造成影响，从丽影响发射率的数值。 因魏，在麓溺时应该蘸先明确被测设备静发鸯雩率，在一般猿泼下，对予壤力设 备，其发射率般在0 8 5 o 9 5 之间，可根据具体设备进行选取，且对于发射率 所引起的误差，工作波段为短波段的比长波段的小得多，如当辎射率值误差为1 0 ， 0 + 9 塾疆工傍波长瓣测量误蒺为2 ，嚣8 , m 1 2 t i n 工臻波长豹遮影残7 蔼豹测爨误差， 所以对于本系统由于发射翠的影响会陇红外测温仪和红外热像仪小很多。当然更精 确的做法是到现场进行标滗。 3 3 。5 大气袭攮的影响 红外辐射在地球大气中传输时，它与大气成分相互作用，念受到衰减，即使选 择的工作波段在红外线穿邂能力很强的三个“大气窗口”即：0 7 6 p 玎】2 5 “m 波 段、3 驻 l l 5 # m 波段帮8 # m i 4 # 疆波段，也不可黢西分之吾熊遵过。主要缀溜是 大气中某些气体分子( 如 。o 、c 0 。) 的吸收和大气分子、气溶胶的散射。衰减能力 用消光系数肼寝示和作用距离用x 表示，消光系数、作用距离和衰减透射寨的关系 楚f l q f ( 五，x ) ；e 一”弘 ( 3 - 6 ) 则光谱区间a a 内的平均大气衰减透射率为： ；“。) = - - 1l 譬。，x ￥毒 ) 由大气吸收和散射热同确定： ( 盖) = 芦强( 磊) + 牟敷( 五) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 3 ，5 1 大气的吸收衰减 表3 - 1 巢些气体分予吸收繁中心波长 气体名称吸收带中心波长p m 摩e 9l 。1 4l 。3 8 l ，8 72 73 。26 + 3 二氧化碳 1 。41 62o2 74 34 85 21 5 奥氧 4 。59 51 4 氧化氮 4 77 3 攀麓 3 27 5 一氧化碳