基于移動(dòng)機(jī)器人的紅外檢測(cè)系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

付新陽 蘇志剛 戚安國 宋 佳

（1.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250000；2.泗水縣供電公司，山東 泗水 273200；3.青島供電公司，山東 青島 266000）

0 引言

紅外成像技術(shù)就是利用現(xiàn)代高科技手段，在設(shè)備不停電的情況下，即在高電壓、大負(fù)荷條件下，檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，通過對(duì)電氣設(shè)備表面溫度及其分布的測(cè)試、分析和判斷，診斷發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行異常及缺陷。長期認(rèn)真的觀測(cè)就可以將部分事故檢修轉(zhuǎn)為預(yù)見性維修，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修，為安全正常運(yùn)行提供可靠的科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)外大量實(shí)踐與資料證明，該項(xiàng)診斷技術(shù)，用來對(duì)變電站、發(fā)電廠及高壓輸電線路運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行無接觸、不停電的情況下的在線測(cè)量是一種先進(jìn)的、高效的、經(jīng)濟(jì)的檢測(cè)手段，在一定情況下比傳統(tǒng)的停電預(yù)試更能有效地檢測(cè)出與運(yùn)行電壓、負(fù)荷電流有關(guān)的設(shè)備缺陷。

目前，主要使用的紅外熱像儀手持形式的比較多見，手持紅外熱像儀一般使用方式，需要預(yù)先錄下關(guān)注點(diǎn)的圖像帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行離線分析，這樣并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題。變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)可有效的節(jié)省人力及安排夜間巡視，可對(duì)機(jī)器人設(shè)定巡檢任務(wù)，在夜間及極端天氣狀況下對(duì)變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 紅外熱成像在電力上的應(yīng)用

紅外熱成像系統(tǒng)利用紅外探測(cè)器，接收物體按其表面的溫度自然輻射的紅外線，在不接觸的情況下，得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的“實(shí)時(shí)熱圖像”，該熱圖像一定程度上通過其表面的熱狀態(tài)，反映出物體的自身狀態(tài)，對(duì)于涉及熱輻射的所有領(lǐng)域，它是一種理想的無損檢測(cè)工具。

電力設(shè)備的熱故障一般分為兩大類，即外部熱故障和內(nèi)部熱故障。電力設(shè)備外部熱故障指發(fā)生在裸電導(dǎo)體的接觸部分、刀閘接頭、電力設(shè)備的進(jìn)出線聯(lián)結(jié)處或?qū)Ь€的斷股、松股段，這些部分的電阻增加，大電流下降低導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，引發(fā)事故。大量資料表明，電力設(shè)備的外部故障，在數(shù)量上約占總數(shù)的90%。電力設(shè)備的內(nèi)部熱故障指異常發(fā)熱的部位在設(shè)備的內(nèi)部，被絕緣材料或金屬外殼封閉，不同電力設(shè)備的缺陷有不同的成因，不同的成因發(fā)出的熱量不同，表現(xiàn)在設(shè)備的表面的溫度亦不同。

紅外熱像儀檢測(cè)電力設(shè)備的具有很大的優(yōu)越性。遠(yuǎn)離被檢測(cè)設(shè)備，保證安全；能夠快速大面積的對(duì)變電站的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，節(jié)省時(shí)間；能直接，有效的檢測(cè)與運(yùn)行電壓、負(fù)荷電流有關(guān)的缺陷，能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)缺陷部位，還能對(duì)缺陷的性質(zhì)和程度作出判斷。

2 紅外熱成像受干擾的因素

在紅外熱像儀的檢測(cè)應(yīng)用中，影響測(cè)量的主要變量有黑度（發(fā)射率[1]）、環(huán)境介質(zhì)、物體的不透明性、物體大小以及大氣等等。主要的影響因素有如下幾個(gè)方面：

2.1 大氣對(duì)紅外檢測(cè)的影響

大氣條件對(duì)紅外檢測(cè)的影響是很大的，水蒸汽能吸收紅外輻射，設(shè)備表面的水膜能改變表面溫度和發(fā)射率，刮風(fēng)能使自然對(duì)流散熱變?yōu)槭芷葘?duì)流散熱，對(duì)設(shè)備的溫升值影響很大，大氣的散射和吸收，使紅外輻射發(fā)生衰減等等將嚴(yán)重的影響紅外系統(tǒng)的工作。

2.2 太陽光輻射影響

太陽光或其他發(fā)光物體，在被測(cè)物體上的反射和漫射，將影響紅外測(cè)溫儀器的正常工作，因?yàn)榘滋鞆?qiáng)烈的太陽光含有各種波長的電磁波，它們?cè)陔娏υO(shè)備上的反射和漫射在3～14 微米波長內(nèi)的分布極不穩(wěn)定，且無規(guī)律。而這一波長區(qū)域與紅外熱像成像設(shè)備設(shè)定的波長區(qū)域接近，直接影響了現(xiàn)場(chǎng)紅外熱像檢測(cè)的正確判斷。

2.3 風(fēng)速對(duì)測(cè)量的影響

室外運(yùn)行的電力設(shè)備，由于受風(fēng)力對(duì)流冷卻的影響，散熱系數(shù)增大，缺陷設(shè)備的溫升將下降。影響對(duì)設(shè)備的正確判斷。因此大風(fēng)天氣不建議用紅外檢測(cè)。

2.4 鄰近物體輻射的影響

當(dāng)鄰近物體溫度比被測(cè)物體的表面溫度高得多或低得多時(shí)，鄰近物體的熱輻射反射，將對(duì)被測(cè)物體的測(cè)量造成影響。被測(cè)物體與鄰近物體的溫差越大，輻射率越小，來自鄰近周圍物體的輻射干擾就越大。

2.5 輻射率的影響

輻射率是一個(gè)描述被測(cè)物體相對(duì)于黑體輻射能力大小的物理量。紅外測(cè)溫裝置從物體上接收到的輻射能量大小與該物體的輻射率成正比。

使用紅外熱像儀檢測(cè)電力設(shè)備時(shí)，特別在要對(duì)電力設(shè)備故障診斷時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：紅外檢測(cè)工作在規(guī)定的大氣條件下進(jìn)行，最好選擇在晴朗，無塵或無大風(fēng)的夜間進(jìn)行；盡可能接近被測(cè)物體，使其在屏幕上占據(jù)較大的空間；調(diào)準(zhǔn)聚焦，使物體邊界清晰；盡量正對(duì)被測(cè)物體，盡可能避免與被測(cè)物體表面角度小于40 度；注意避開附近的其他紅外輻射源，移動(dòng)紅外測(cè)試儀，觀察物體上熱分布的變化，以區(qū)分是否是反射。

3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站巡檢機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，依據(jù)無線網(wǎng)橋?yàn)榉纸纾麄€(gè)結(jié)構(gòu)劃分為基站和移動(dòng)站。通信系統(tǒng)主要由無線局域網(wǎng)通信和多級(jí)控制通信組成。

在無線局域網(wǎng)的構(gòu)成中，通過兩套無線網(wǎng)橋組成了無線局域網(wǎng)的主要通信設(shè)備。其符合IEEE802.11b 國際標(biāo)準(zhǔn)，完全兼容現(xiàn)有的局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。使用國際公開的ISM 5 .8GHz 微波頻道通信，速率最高達(dá)30Mbps，與普通局域網(wǎng)有線連接速率無異。并且抗干擾及信息保密性高，設(shè)有40/128-bit WEP 加密，SNMP 鑒定許可訪問權(quán)。發(fā)射性能為RF 輸出功率20dBM（最大），頻率穩(wěn)定性±25ppm，傳輸距離可達(dá)30km/11Mbps，滿足機(jī)器人移動(dòng)范圍的要求。因此，它們的性能完全符合使用要求。[2－3]

機(jī)器人系統(tǒng)中的基站和移動(dòng)主體的主要連接設(shè)備是無線天線。移動(dòng)站的無線網(wǎng)橋主要通過Switch HUB 連接了運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)、視頻服務(wù)器、串口網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。基站的無線網(wǎng)橋也是通過Switch HUB 和基站控制計(jì)算機(jī)、串口網(wǎng)關(guān)等設(shè)備連接。連接到無線局域網(wǎng)中的這些設(shè)備都直接分配了IP 地址，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。本機(jī)器人的主要控制體是運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)，通信控制接口主要提供RS232 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制。

紅外檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由在線式紅外熱像儀、可見光一體攝像機(jī)、視頻服務(wù)器、HUB、無線網(wǎng)橋和基站控制計(jì)算機(jī)組成。紅外熱像儀采用固定式紅外熱像儀，其具有PAL 視頻接口、RJ45 網(wǎng)絡(luò)控制接口、DC12V直流電源接口，功耗5w。滿足機(jī)器人直流供電、低功耗的要求。視頻服務(wù)器的功能可以將采集來的可見光攝像機(jī)的PAL 信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)交究刂朴?jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)和歸檔，紅外熱像儀直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)回傳，分析等功能的操作。

這些部分有機(jī)的組成一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)任務(wù)。可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀同時(shí)安裝在云臺(tái)上的護(hù)罩內(nèi)，兩個(gè)檢測(cè)設(shè)備相對(duì)于云臺(tái)是固定狀態(tài)，云臺(tái)的上、下、左、右的旋轉(zhuǎn)直接控制了檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)。這些所有的控制命令由移動(dòng)站的控制計(jì)算機(jī)來完成。可見光視頻圖像的采集、傳輸工作由移動(dòng)站控制計(jì)算機(jī)來完成。基站控制計(jì)算機(jī)作為后臺(tái)的監(jiān)視的主要設(shè)備，同時(shí)具有可見光圖像和紅外熱成像顯示、分析功能和對(duì)檢測(cè)設(shè)備的后臺(tái)故障分析功能。

4 結(jié)論

在變電站的巡視檢測(cè)中，紅外熱成像技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)是很重要的檢測(cè)手段。在本機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用無線局域網(wǎng)技術(shù)，成功的解決了變電站工作設(shè)備的實(shí)時(shí)紅外檢測(cè)任務(wù)。并詳細(xì)說明了紅外熱成像在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用及其影響因素分析。文中還講述了無線局域網(wǎng)的工作方式方法和系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，軟件的實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是紅外分析的實(shí)時(shí)性能可靠，紅外檢測(cè)可以參考可見光圖像進(jìn)行目標(biāo)設(shè)備搜索從而達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)的目的。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行結(jié)果證明該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、安全，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題的目的，為變電站的設(shè)備檢修提供有力的科學(xué)依據(jù)。

［1］山東電力集團(tuán).電力設(shè)備紅外測(cè)溫診斷技術(shù)工作手冊(cè)[Z].

［2］DL/T664-2008-帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范[S].

［3］計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制[J].2001，9(6):14-16.