【正文】 .................................. 63 目錄 碩士論文 VI 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 1 1 緒論 引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù) 快速 穩(wěn)定的發(fā)展，電力 系統(tǒng)的 規(guī)模也隨之 越來越大 ，人民對電力系統(tǒng)的依賴性也越來越強(qiáng)，國家對電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性的要求也越來越高 。 強(qiáng)化對電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行管理和可靠性維 修是電力安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，電力企業(yè)對先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備投入比例逐年增加，而這其中紅外診斷技術(shù)的運(yùn)用是最值得關(guān)注的 。 從 20xx 年以后隨著 紅外 成 像技術(shù)的成熟和紅外熱像儀 價(jià)格 的降低， 國家鼓勵(lì)電力企業(yè) 應(yīng)用紅外熱像儀對電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測， 因?yàn)檫@樣 不僅可以對高壓電氣設(shè)備內(nèi)外部故障類型做出定性診斷，而且還能給出故障位置和嚴(yán)重程度的定量診斷。 多種因素都可能影響到絕緣材料的預(yù)期壽命 ， 對 這些因素 加以歸納，得出導(dǎo)致變壓器故障的原因有 雷擊、線路涌流、工藝制造不良、絕緣老化、過載和受潮等 幾 個(gè)方面 [11]，需 要注意的是線路涌流在所有因素中列首位，這類故障主要 是由 過電流或過電壓沖擊引起的。 目前比較常用的是采 用手持式熱像儀定期對電力設(shè)備進(jìn)行人工巡檢，這種方式使得檢測人員工作量大，再加上節(jié)前保 電 、迎峰度假等非計(jì)劃測溫工作，造成檢測人員容易疲勞，增加了工作的不安全性，同時(shí)也降低了設(shè)備故障的檢出率；另外由于近年來電力系統(tǒng)發(fā)展較快，電力設(shè)備較多，而且 有些 變電站路途遙遠(yuǎn)， 從而導(dǎo)致 測溫往往不在負(fù)荷高峰期進(jìn)行， 以 致部分熱缺陷不能及時(shí) 地 被發(fā)現(xiàn)，同樣也降低了設(shè)備故障的檢出率。目前 該系統(tǒng) 已在 該市 城西變電站穩(wěn)定工作，且運(yùn)行效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了用戶預(yù)期的目標(biāo)。 論文共分 5 章， 除本章外 各章的具體內(nèi)容如下： 高 A 高 B 高 C 低 A 低 B 低 C 1 緒論 碩士論文 6 第二章主要介紹了紅外 測溫原理和紅外熱像儀的工作原理，并分析了在購買和使用熱像儀 的過程中需要注意的一些問題 。 紅外 熱像儀的工作原理 紅外輻射原理 在自然界中，當(dāng)物體的溫度高于絕對零度時(shí)，由于 其 內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在 ， 物體 會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量 。這就是為什么高溫紅外 熱像 儀多工作在短波處，低溫紅外 熱像 儀多工作在長波處的原因。 紅外 點(diǎn) 測溫原理 物體的紅外輻射能量和波長取決于普朗克公式 。紅外熱成像時(shí)，熱像每一個(gè)像素的灰度值實(shí)際上就是 sU 經(jīng)過放大、量化后得到的電壓，記為 U? ，在一般使用的線性量化的情況下，它與 ()FT 之間是正比例關(guān)系，因此 U? 可表示為式 ()： 1 ()U kk F T??? () 式 ()中， 1k 是個(gè)常數(shù)，只與熱像儀的放大倍數(shù)有關(guān)，可見圖像每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值對應(yīng)著一個(gè)電壓值，而這個(gè)電壓值與物體溫度 T 之間有確定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù) U? 和? ，可以確定物體的溫度。 紅外熱像儀 技術(shù) 性能 指標(biāo) 對紅外熱像儀的主要技術(shù)性能指標(biāo)加以了解，可以幫助用戶更深刻地掌握熱像儀 的工作原理，在實(shí)際使用過程中，用戶需要對 測量要求進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后與 各種型號的 紅外熱像儀的性能指標(biāo)相對照，在幾種指標(biāo)之間遇到矛盾難以取舍時(shí)，可在功能、價(jià)格和指標(biāo)之間 尋找 平衡點(diǎn)，選擇性價(jià)比較高的熱像儀 [24]。例如 177。當(dāng)被測目標(biāo)的面積大于儀器的 視場 時(shí)，熱像儀能顯示被測物體位于儀器光學(xué)目標(biāo)內(nèi)確定面積的真實(shí)溫度；當(dāng)被測物體小于儀器的 視場 時(shí)，熱像儀顯示被測物體及背景二者溫度的加權(quán)平均值，此時(shí)顯示出的溫度誤差與被測物體的背景溫度有關(guān) ，通常情況下，被測目標(biāo)尺寸 應(yīng) 超過儀器視場的 50%。不同物體的輻射率是不同的，并隨物體表面的狀況變化， 在 不同的溫度和不同的波長 下 其值也會(huì)發(fā)生變化，所以在進(jìn)行紅外診斷時(shí)需根據(jù)被測物體的形狀 、 檢測角度和方向?qū)椛渎蔬M(jìn)行修正。 系統(tǒng)熱像儀的選擇 本 系統(tǒng) 對 某市供電局 城西變電站的一臺(tái) 11萬伏的電力變壓器進(jìn)行 24小時(shí)在線監(jiān)測，所以熱像儀應(yīng)選擇在線式的 。膨脹螺釘原理是在旋入螺釘時(shí)使脹管直徑擴(kuò)大，對墻體的鉆孔壁施加壓力，從而增大摩擦力，大大超過螺釘受到的拉拔力，確保不會(huì)被拉出。修訂之后的標(biāo)準(zhǔn)給出了使用紅外熱像儀檢測帶電設(shè)備的方法、儀器要求、儀器適用范圍、缺陷的判斷依據(jù)及紅外數(shù)據(jù)的管理規(guī)定等，適用于具有電流、電壓致熱效應(yīng)或其他致熱效應(yīng)的各電壓等級設(shè)備，包括電機(jī)、變壓器、電抗器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、套管、電力電容器、避雷器、電力電纜、母線、導(dǎo)線、絕緣子、組合電器、低壓電器及二次回路等 ， 該標(biāo)準(zhǔn) 對本監(jiān)測系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 具有重要的指導(dǎo)作用。圖 標(biāo)示出系統(tǒng)的各個(gè)硬件，注意熱像儀是放置在護(hù)罩當(dāng)中的，且云臺(tái)和護(hù)罩都是與熱像儀配套的。當(dāng)護(hù)罩內(nèi)的溫度高于 50℃ 時(shí)，護(hù)罩內(nèi)的小型風(fēng)扇開始工作，使得熱像儀所處工作環(huán)境的溫度降低；當(dāng)護(hù)罩內(nèi)的溫度低于 15℃ ，護(hù)罩尾部自帶的加熱片開始工作，使得護(hù)罩內(nèi)的溫度上升 。 成像像素為 320240，最小焦距為 2m， 視場角為 11176。 從 表 可以看到， DM60 的測溫范圍為 20℃ ~+180℃ ，測溫精度為 177。 IP 防護(hù)類別是用 2 個(gè)數(shù)字標(biāo)記的 ， 第一個(gè)數(shù)字表示接觸保護(hù)和外來保護(hù)等級， 6 級表示箱體內(nèi)在 20 毫帕的低壓下不應(yīng)該有灰塵進(jìn)入，這是 一個(gè)極高的防塵標(biāo)準(zhǔn)；第二個(gè)數(shù)字表示防水保護(hù)等級， 6 級表示從每個(gè)方向?qū)?zhǔn)箱體的強(qiáng)射水都不應(yīng)該引起損害 [30]。 DM_60 非制冷 焦平面熱像儀 帶有網(wǎng)卡， 采用 RJ45 網(wǎng)絡(luò)端口，其 擁有自身的 IP 地址，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸 。本章是 在線監(jiān)測 系統(tǒng)得以最終實(shí)現(xiàn)的先決條 件。 云臺(tái)主要功能是使得熱像儀可以在多個(gè)不同的預(yù)置位上對帶電設(shè)備進(jìn)行測溫 。 另外兩個(gè)環(huán)境因素是太陽光輻射和風(fēng)力 。 對于這些因素，可以通過選擇合適的測溫時(shí)間或采用特殊的診斷算法來消弱其影響，本節(jié)通過對輻射率和儀器工作環(huán)境的分析來闡述這些常用的減小誤差的方法。 4) 距離系數(shù) LR熱 像 儀被 測目 標(biāo) 圖 距離系數(shù)示意圖 如圖 所示， 距離系數(shù) K 是指熱像儀與被測目標(biāo)的距離 L和被測目標(biāo)的直徑 R之比。所以測溫范圍是紅外熱 被測物體 紅外輻 射 光學(xué)鏡頭 焦平 面探 測器 調(diào)制電機(jī) 信號處理電路 補(bǔ)償電路 紅外熱像 紅外熱像儀 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 11 像儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)，應(yīng)優(yōu)先考慮。 現(xiàn)在大規(guī)模使用的焦平面熱像 儀 的紅外探測器呈二維平面狀，具有電子掃描功能，被測物體的紅外輻射通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到紅外探測器的陣列2 紅外熱像儀的選擇和使用 碩士論文 10 平面上成像 ，然后通過探測器 轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后，利用熱像儀內(nèi)置的圖像采集單元 生成被測物體表面溫度分布的熱像圖， 最終 將熱像存儲(chǔ)到 圖像存儲(chǔ)器中 或者利用終端進(jìn)行顯示 。本節(jié)將從理論上推導(dǎo)如何將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。斯蒂芬 —玻耳茲曼定律表明： 黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率 0()MT與 其 開氏溫度 T的四次方成正比。式 ()表明在絕對溫度 T下，波長 ?處單位面積上的黑體輻射功率M? ，由此式可得到圖 所示的黑體輻射分析圖。 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 7 2 紅外熱像儀 的 選擇和使用 本課題最終要實(shí)現(xiàn) 的是變壓器 過 熱故障在線監(jiān)測，顧名思義，即對變壓器上各監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量 。 3) 閱讀國內(nèi)電力設(shè)備紅外診斷標(biāo)準(zhǔn)， 了解常用的 紅外診 斷方法， 最終確定使用絕對溫度和相對溫度兩種判別方法來 實(shí)時(shí)反饋設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題 是 某市 供電局的一科技項(xiàng)目，對 該局 城西變電站的一 110KV 的 主 變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測 ，監(jiān)測現(xiàn)場 如圖 所示 。紅外診斷可以做到對故障點(diǎn)的準(zhǔn)確直觀檢測，也可以做到預(yù)知檢修，從而降低了維修成本，提高了設(shè)備的可靠性。 變壓器的絕緣檢測一直是定期的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，預(yù)防性維修在保證安全可靠性供電方面起著很好的作用。 1990 年 的 國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGIE)充分肯定了電力設(shè)備故障紅外診斷技術(shù)，指出該技術(shù)在電力設(shè)備從傳統(tǒng)的預(yù)防性故障檢修體制向先進(jìn)的預(yù)知性狀態(tài)維修體制 改革 中將發(fā)揮 巨大的 作用。 隨著 電網(wǎng) 規(guī)模的擴(kuò)大以及自動(dòng)化水平的提高，設(shè)備檢修維護(hù)的任務(wù)也越來越重，費(fèi)用也越來越高。 研究生簽名： 年 月 日 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) I 摘 要 變電站電力變壓器 是 電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，所以它在現(xiàn)代電氣設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)中占有重要地位 ，對于其存在的故障隱患，通常采用人工定期巡檢的方法，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 如今 在 電力行業(yè) 大規(guī)模使用 的是 變壓器 在線監(jiān)測技術(shù) ， 這種技術(shù) 能夠 節(jié)省大量人力物力，而 且 使得 變壓器的 維護(hù)質(zhì)量得到質(zhì)的飛躍。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。但是，許多國家在夏季仍 然 發(fā)生大面積停電事故，特別是 20xx 年 8 月 14 日 美 國和 加 拿大的 大停電 事故，期間上百臺(tái)機(jī)組跳機(jī)，事故波及約 5000 萬人，造成的重大的經(jīng)濟(jì)損失，是美國歷史上最嚴(yán)重的停電事故 [1]。 從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度看，這種監(jiān)測技術(shù)具有較高的 ―投入產(chǎn)出比 ‖，具有廣闊的應(yīng)用前景；從技術(shù)角度看，紅外診斷技術(shù)也是電氣設(shè)備在線監(jiān)測的一項(xiàng)行之有效的技術(shù)手段，利用紅外技術(shù)對電氣設(shè)備進(jìn)行檢測和診斷具有不停電、不取樣、不接觸 ， 直觀、準(zhǔn)確、靈敏度高及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn) [5] ， 可以查出各種設(shè)備缺陷 ， 對提高設(shè)備運(yùn)行 的 可靠率有 著 重要作用。除此之外，對影響電力設(shè)備紅外成像故障診斷準(zhǔn)確性的諸因素及對策也做了深入研究，制訂了一系列的 紅外診斷操作 規(guī) 范 。 常用的變壓器在線監(jiān)測方法 ： 1)局部放電的監(jiān)測： 變壓器由于老化等原因 會(huì)產(chǎn)生局部放電， 在局部放電時(shí) 會(huì)伴有聲光電 等現(xiàn)象 及對放電空間介質(zhì)的化學(xué)作用，對應(yīng)這些物理化學(xué)反應(yīng)可以找到相應(yīng)的測量方法，可采用 超 高頻電脈沖法測量變壓器 油 中的局部放電 ，超高頻法是通過檢測變壓器局部放電產(chǎn)生的數(shù)百甚至數(shù)千兆赫茲的超高頻電磁波信號來測量局部放電的大小和位置 [12][13][14]； 2)局部過熱的監(jiān)測：當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部過熱時(shí)除過熱點(diǎn)溫度升高外 ， 同時(shí) 發(fā)熱 會(huì)使變壓器油分解生成氫氣和烴類氣體，在 發(fā)熱比較嚴(yán)重的情況下氫氣含量會(huì)很高 ， 因此在局部放電較弱時(shí)如果 2H 含量較高可以判定為變壓器油中有過熱故障 ，系統(tǒng)可以 利用對變壓器油中 2H 含量 進(jìn)行監(jiān)測并結(jié)合局部放電監(jiān)測來間接監(jiān)測 變壓器的運(yùn)行情況 [15]； 3)介質(zhì)損耗的測量：絕緣介質(zhì)老化往往反映在絕緣介質(zhì)在交變電場的 作 用下其極化過程發(fā)生了改變，非彈性極化增強(qiáng)使極化過程中的有功損 耗增加，使絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗率增大 ， 因此可 采用測量電 力變壓器絕緣套管電壓與套管末屏接地電流間相位差的方法 對絕緣套管介質(zhì)損耗 判斷 ，根據(jù)絕緣套管介質(zhì)損耗的情況判斷變壓器的運(yùn)行情況 [16]。 變壓器 紅外 在線監(jiān)測系統(tǒng)通過軟件 控制 熱像儀 ， 實(shí)現(xiàn) 每天定時(shí)自動(dòng)巡檢，易于 及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在過熱性缺陷的設(shè)備 。 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 5 圖 變電站的 110KV的 主 變壓器 本 論 文研究的主要內(nèi)容如下 ： 1) 深入 研究了 紅外測溫原理 ，并在此基礎(chǔ)上分析 熱像儀 的硬件組成 及 其工作原理。 第三章詳細(xì)介紹了 本課題所設(shè)計(jì)的 在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體 實(shí)現(xiàn) 方案 ，并簡要介紹了系統(tǒng) 的 硬件和軟 件 的整體 功能 劃分 。 其輻射能包括 各種波長，其中波長范圍在 m? ~1000m?之間的稱為紅外線。 2 紅外熱像儀的選擇和使用 碩士論文 8 圖 不同溫度下的黑體光譜輻射度 3) 輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的