電氣設備運行監測新技術在煤化工企業的應用

萬海林，劉國平，武建平，水 濤，楊一平

（甘肅華煤清能煤化工有限公司 甘肅 平涼 744100）

0 引言

在智慧社會發展下，物聯網、5G、大數據分析及智能算法等技術在煤化工企業得到了廣泛應用，加速了煤化工企業的技術升級，促進了煤化工企業信息化管理的轉型。本文立足于煤化工企業電氣設備運行監測新技術，對紅外成像技術、局部放電檢測技術、基于內阻的蓄電池監測技術等具體應用進行了詳細闡述，確保煤化工企業獲得持續、經濟、綠色、安全、優質的電能供應[1]。為了促進煤化工企業信息化、數據化、智能化及高效化的發展，避免資金和設備浪費，提升電氣設備運行監測水平，對電氣設備運行監測新技術在煤化工企業的應用進行研究就變得越來越重要[2]。

1 紅外成像技術在煤化工企業巡視中應用

1.1 巡視工作現狀分析

煤化工企業中巡視工具現應用較多的為可見光巡視儀器，其工作原理為物體通過對反射的極少部分可見光來成像，成像核心在于可見光傳感器。可見光傳感器優點為，該傳感器可以較為敏感地捕捉到成像圖像場景亮度信息和顏色信息，圖像細節表現豐富、視覺沖擊力大、視覺體驗感較好、圖像信息表達力好、空間分辨率高、圖像內容容易被人理解等。缺點為，該傳感器受外界環境光照和能見度等因素影響較大，在晴天、白天等環境表現成像效果良好，成像較為清晰；在云霧、黑天、陰天、雨雪等惡劣環境表現成像效果較差，更甚至會由于圖像成像目標被遮擋導致難于捕捉拍攝場景中有效信息，不能進行全天無間斷實時可見光巡視工作[3]。

煤化工企業作為能源加工生產企業，地理位置多分布于偏遠的山區或是環境相對惡劣的野外，電氣設備作為保障煤化工企業持續穩定生產的關鍵設備，需要對其運行狀態進行監視。利用可見光巡視儀器對電氣設備運行狀態進行巡視，只能對位于光線強度優良的電氣設備外觀進行監測，對電氣設備細節進行了很好的展示，一旦遇上黑夜、陰雨天或是大霧等惡劣天氣，可見光巡視儀器不能很好地對電氣設備運行狀態進行監測，進一步影響巡視工作效率。

紅外成像技術成像原理與環境光照條件無關，可以很好地對電氣設備運行狀態目標信息進行捕捉，但是存在不能很好地描述電氣設備運行細節的缺點，而將紅外成像技術嵌入到可見光監測技術中，兩者具有很好的圖像信息互補特性，通過選取適宜圖像融合技術，可以有效實現可見光圖像細節展示和紅外圖像目標信息捕捉的結合，從而獲取更為全面、清晰、準確、高效的電氣設備運行監測信息。基于以上優點，將紅外成像技術應用在煤化工企業，進行生產區域電氣設備運行監測，可為企業快速監測設備異常運行提供助力[4]。

1.2 紅外成像技術應用分析

由于不同物體或同一物體的不同部位輻射能力差異，導致它們在對紅外線反射呈現出強弱區別，利用物體與背景環境的輻射差異及景物本身各部分輻射的差異，熱圖像能夠呈現景物各部分的輻射起伏，從而能顯示出景物的特征。設備紅外成像原理示意圖如圖1所示，可以看出，紅外輻射介于可見光光譜（0.4～0.75 μm）和微波光譜（＞15 μm）之間，火和太陽等作為紅外線來源，通過具備紅外熱成像的攝像機輸出圖像稱之為“熱圖像”。

圖1 設備紅外成像原理示意圖

在煤化工企業中，配置用于電氣設備監測功能操作的紅外熱成像儀，開展設備巡視工作時，通過嵌入紅外成像技術的設備巡檢終端，對煤化工企業電氣設備表面的紅外溫度進行測量，經多次重復檢測，建立煤化工企業每一個區域設備所屬紅外溫度場。為了確保該功能的精確度，可人為調整被測設備表面溫度范圍（圖2），對其進行紅外測試，通過對獲取數據的分析、診斷及報警靈敏度效果檢驗，來判斷該功能模塊的實用性和準確性。

圖2 設備紅外測溫示意圖

可見光和公文圖像對比如圖3所示，利用可見光成像巡視儀器和利用紅外成像技術巡視儀器，得到的煤化工企業某變壓器設備運行圖像，對比發現，可見光巡視圖像更為清晰，紅外圖像則捕捉了更敏感運行信息。

圖3 可見光和公文圖像對比

1.3 應用效果分析

嵌入紅外成像技術巡視終端在煤化工企業中的應用，可以有效滿足企業自動化、智能化、在線化的監測需求，實現煤化工企業電氣設備巡視圖像智能識別處理，能夠自動判斷柜體指示燈狀態、分合閘狀態、儀表讀數等運行信息。在遇到雨天、下霧等惡劣天氣時，紅外成像設備相比傳統巡檢設備，可以更為清晰地對電氣設備運行狀態進行展示。紅外成像技術在煤化工企業巡視中的應用，提高了企業電氣化設備監測管理水平，降低了企業巡視人員的工作強度。

2 局部放電檢測技術

2.1 電纜故障檢測現狀分析

在傳統的電氣設備故障檢修中，電氣設備主要通過定期破壞性試驗來進行絕緣性優劣判斷。在煤化工企業中，電纜故障檢測現有手段對電纜設備進行預防性試驗，即為按運維檢修部事先編制的年度檢修計劃開展定期試驗，一般間隔時間較長，2次試驗之間無法有效遏制突發事故的發生。預防性試驗是典型的破壞性試驗，試驗所加電壓電流均高于正常運行水平，對電纜本身的絕緣也是一種考驗，即電纜本身沒有明顯的故障，但多次破壞性耐壓試驗之后，電纜絕緣性能將大幅下降。同時試驗期間需要中斷對用戶的供電，影響用戶的正常生產與生活。因此，傳統的預防性試驗已經無法滿足當下電纜運行維護需求[5]。

在煤化工企業中高壓電纜均是穿管敷設的，沒有空間給運維人員進行巡視，導致電纜工作人員不能及時發現電纜運行異常情況。對電纜絕緣開展在線監測，通過監測系統異常情況的告警提示，可以通知運維人員發現運行隱患，并及時安排停電檢修，避免由于電纜故障所引起的電力事故產生。因此，設法引入電纜的絕緣在線監測，對煤化工企業電纜進行實時監測有助于電纜故障及時發現。

2.2 電纜絕緣在線監測系統應用

借助于采樣精度很高的傳感器，對能夠表征電纜運行特征的電氣量與非電氣量進行采集，并選擇合適的通信方式，送入微機控制器中進行處理，采用合適的算法對采集的電氣量進行運算，最后給出電纜的健康指標。電纜發生故障前，所選的特征量必會變化，該變化能夠提醒運行檢修人員更換準故障電纜，防止突然故障的產生，給用戶帶來損失。基于此思路，電纜絕緣監測系統結構如圖4所示。

圖4 電纜絕緣監測系統結構

在每個電纜饋線的出線處布置終端監測模塊，終端監測模塊的主要功能包括信號采樣、數據的前端處理和數據的上傳。終端監測模塊采集到的數據通過通信網絡上傳到上位機進行上層處理。上位機由于要處理復雜的算法，并有很高的通信要求，因此采用工控機來實現。以煤化工企業電纜現場運行數據為系統測試數據，電纜絕緣在線監測系統運行示意圖如圖5所示。

圖5 系統運行示意圖

在煤化工企業現場，對老化（非線性電阻）位于200 m處的電纜進行分析，當非線性電阻位于600 m和1 000 m處，進行同樣的仿真實驗分析。非線性電阻位于不同位置的電流分析，如圖6所示。

圖6 非線性電阻位于不同位置的電流分析

2.3 應用效果分析

將電纜絕緣在線監測系統應用在煤化工企業中，分別將非線性電阻置于電纜200、600、1 000 m處，對應線路為L1、L3、L2，表示故障發生在對應位置。同故障位置下的仿真情況，見表1。

表1 不同故障位置下的仿真情況

通過查找運行數據，在煤化工企業生產運行中找出部署電纜年限分別為重新部署、滿5、10、15、20 a的設備，錄取一段電壓電流波形并經過傅里葉變換得到幾組A50、A100K數據集，由此得到5種不同的樣本集，每組樣本包含2 000個數據。將這5種不同的數據集合并在一起，分別選出80%的樣本用于支持向量機（support vector machine，SVM）分類模型訓練，剩下20%的樣本用于測試。不同電纜的分類測試見表2，可以看出，電纜絕緣在線監測系統對不同電纜的分類準確率超過95%，可以對電氣設備實施有效監測。

表2 不同電纜的分類測試

3 基于內阻檢測的蓄電池監測技術

3.1 蓄電池監測現狀分析

在煤化工企業中，蓄電池主要有多組電池連接而成，主要監測手段為定期安排蓄電池運維廠家對蓄電池進行充放電試驗，通過試驗數據對蓄電池運行情況進行分析，判斷蓄電池有無異常。巡視人員對蓄電池存放環境溫濕度、蓄電池運行指示燈及蓄電池有無異響等情況進行查看、判斷與記錄。隨著煤化工企業機房內配置蓄電池數量越來越多，對人工巡視人員業務素質要求也越來越高，一旦監測不力將導致蓄電池運行異常而不能及時發現，影響系統蓄電池供電可靠性[6]。

3.2 蓄電池在線監測系統應用

蓄電池在線檢測每節蓄電池的內阻，系統可設定電池內阻的自動定時檢測、自動采集，實現蓄電池的內阻、電壓、溫度等參數的自動檢測，并對數據進行處理、分析和存儲。使蓄電池監測人員及時了解每個蓄電池的工作狀態，對電池的性能進行在線檢測，當發現電池存在問題時，及時進行預警和報警。蓄電池在線監測系統總體設計框架如圖7所示，該系統主要由UPS主機、蓄電池組、監測模塊、專用協議模塊、電源模塊、GPRS模塊，以及監測主機等構成。

圖7 系統總體設計框架

3.3 應用效果分析

煤化工企業某組蓄電池內阻實時值示意圖如圖8所示，為系統進行蓄電池在線監測提供了輔助測試數據。

圖8 蓄電池內阻實時值示意圖

蓄電池在線監測系統實現了對系統內各類檢測數據超限進行報警功能，并能在終端上自動發出報警信號。系統綜合分析蓄電池的電壓、內阻參數及變化趨勢，實現了報警時間、類型、等級等不同類別，對歷史報警進行查詢、統計功能，并結合UPS主機信息提供預警信息，對蓄電池維護檢修工作給出指導建議。歷史數據信息采用曲線顯示示意圖如圖9所示，對測試電池的內阻和電壓數據進行了歷史數據對比顯示。

圖9 歷史數據曲線顯示示意圖

蓄電池在線監測系統實時監控數據機房電池運行及預估報警狀態，分析蓄電池異常運行狀態，有效地實施了蓄電池集中監控、數據采集、數據分析、實時報警、歷史查詢、曲線展示等功能，為煤化工企業蓄電池監測提供了有效助力。

4 結語

綜上所述，隨著在線監測技術不斷發展與成熟，運行監測技術對電氣設備實施在線式監測，對于企業安全、可靠且高效生產起到了至關重要的作用，達到對不同電氣設備實施精準監測管理的智能化操作目標。本文以現有的典型電氣設備運行監測新技術研究為基礎，并對紅外成像技術、局部放電技術及蓄電池在線監測技術等進行了研究，給出了每個新技術的工作原理及應用，為更好地了解電氣設備運行監測新技術在煤化工企業應用起到了輔助作用。