紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的應(yīng)用

李世平 呂海東 李煜鵬 肖 亞

（國網(wǎng)四川省電力公司特高壓直流中心，宜賓 644600）

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，換流閥作為核心組件，承擔(dān)著調(diào)節(jié)電流流向和大小的重要任務(wù)。隨著系統(tǒng)負(fù)荷的增加，換流閥在長時(shí)間運(yùn)行中易受溫度的影響，可能出現(xiàn)性能下降甚至故障。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測換流閥的溫度變化，對于確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和減少非計(jì)劃性的維護(hù)成本具有重要意義。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法雖然能夠提供一定的數(shù)據(jù)支持，但是在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和非接觸式監(jiān)測方面存在限制。

紅外測溫技術(shù)作為一種非接觸式溫度測量方法，近年來在工業(yè)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)通過檢測目標(biāo)物體表面發(fā)出的紅外輻射來測量溫度，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的溫度監(jiān)測。在換流閥的溫度監(jiān)測中，紅外測溫技術(shù)不僅能提供連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)，還能識(shí)別潛在的故障點(diǎn)，從而在問題發(fā)生前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

本文旨在探討紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的應(yīng)用，分析其在不同工業(yè)環(huán)境中的性能表現(xiàn)，并評估其對提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低維護(hù)成本的間接作用。通過對比分析和案例研究，闡釋紅外測溫技術(shù)在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為未來的技術(shù)優(yōu)化和應(yīng)用擴(kuò)展提供參考。

1 紅外測溫技術(shù)概述

1.1 紅外測溫技術(shù)的原理

紅外測溫技術(shù)基于物體輻射能量的原理，即任何物體在高于絕對零度時(shí)都會(huì)發(fā)出紅外輻射能量。這種技術(shù)利用紅外傳感器捕捉物體表面發(fā)出的紅外輻射能量，并將其轉(zhuǎn)換為溫度值。傳感器通常包含1 個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和1 個(gè)檢測器。其中，光學(xué)系統(tǒng)用于聚焦紅外輻射能量，檢測器用于將紅外能量轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)過放大和處理后，可以轉(zhuǎn)換為溫度值。紅外測溫技術(shù)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測量輻射能量，并根據(jù)物體的發(fā)射率將其轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。

1.2 紅外測溫技術(shù)的優(yōu)勢及局限

紅外測溫技術(shù)的主要優(yōu)勢包括非接觸性測量、快速響應(yīng)和避免干擾被測物體。非接觸性測量使得該技術(shù)特別適用于檢測高溫、危險(xiǎn)或難以接近的對象[1]。由于不需要與物體接觸，紅外測溫技術(shù)可以在不影響或不改變被測物體狀態(tài)的情況下進(jìn)行測量。此外，紅外測溫技術(shù)能夠快速響應(yīng)和提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這對于監(jiān)控動(dòng)態(tài)變化的工業(yè)過程至關(guān)重要。紅外測溫技術(shù)還允許掃描和監(jiān)測較大區(qū)域的溫度，可以快速識(shí)別異常熱點(diǎn)，這對于預(yù)防設(shè)備故障和優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃具有重要意義。

盡管紅外測溫技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，但也存在一些局限性，其中之一就是對物體表面特性具有敏感性。物體的發(fā)射率不同，會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。例如，光滑的金屬表面發(fā)射率低，難以準(zhǔn)確測量其溫度。環(huán)境因素如灰塵、煙霧或水蒸氣，也可能干擾紅外傳感器的準(zhǔn)確性。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境調(diào)整設(shè)備和測量參數(shù)，以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。此外，高質(zhì)量的紅外測溫設(shè)備通常成本較高，不適用于一些小型企業(yè)或低預(yù)算項(xiàng)目。

2 換流閥溫度監(jiān)測的重要性

2.1 換流閥的功能

換流閥在電力系統(tǒng)中具有調(diào)節(jié)和控制電流流向的作用，通常用于高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）系統(tǒng)。在HVDC 系統(tǒng)中，換流閥負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

2.2 溫度對換流閥的影響

溫度對換流閥的性能和壽命有著直接影響。過高的溫度會(huì)導(dǎo)致閥門內(nèi)部的半導(dǎo)體材料性能退化，降低換流閥效率，增加故障風(fēng)險(xiǎn)。換流閥在不同溫度下的性能如表1 所示。由表1 中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，換流閥效率降低，故障率顯著增加。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測換流閥的溫度至關(guān)重要，應(yīng)確保其在最佳性能范圍內(nèi)運(yùn)行。

表1 換流閥在不同溫度下的性能

2.3 現(xiàn)有溫度監(jiān)測方法的問題

目前，換流閥的溫度監(jiān)測主要依賴于傳統(tǒng)的熱電偶或熱阻式溫度傳感器。這些方法雖然能夠監(jiān)測溫度，但是存在一些限制。首先，這些傳統(tǒng)方法通常需要與被測物體直接接觸，可能影響測量的準(zhǔn)確性，并增加設(shè)備磨損[2]。其次，對于大型換流閥而言，這些方法難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，可能導(dǎo)致部分區(qū)域的溫度變化未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。最后，這些方法在數(shù)據(jù)更新頻率和實(shí)時(shí)監(jiān)測能力上存在局限性，無法及時(shí)響應(yīng)溫度變化。

與傳統(tǒng)方法相比，紅外測溫技術(shù)提供了非接觸式的溫度監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的覆蓋范圍和更高的數(shù)據(jù)更新頻率。紅外測溫可以快速識(shí)別并記錄換流閥表面的溫度分布，有效捕捉局部過熱區(qū)域，這對于預(yù)防故障和優(yōu)化維護(hù)策略至關(guān)重要。此外，紅外測溫技術(shù)的非接觸性，減少了其對設(shè)備的物理干擾和磨損，有助于延長換流閥的使用壽命。因此，紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中顯示出巨大的應(yīng)用潛力，能夠提高電力系統(tǒng)的可靠性和效率。

3 紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的有效應(yīng)用得益于合理的方案設(shè)計(jì)。在方案設(shè)計(jì)過程中，選擇適宜的紅外攝像頭和傳感器至關(guān)重要。考慮換流閥在電力系統(tǒng)中的重要性，需要保證監(jiān)測方案能夠全面覆蓋換流閥的每個(gè)關(guān)鍵部位。這不僅涉及對攝像頭參數(shù)的選擇，如分辨率和感應(yīng)范圍，還涉及攝像頭在空間中的具體布局。攝像頭的布局要充分考慮換流閥的物理尺寸、形狀和所處的環(huán)境條件，確保能夠從多個(gè)角度捕捉到準(zhǔn)確的熱圖像。

在工業(yè)環(huán)境下，換流閥周圍的環(huán)境因素包括溫度、震動(dòng)、灰塵和濕氣等，影響紅外攝像頭的性能。因此，在設(shè)備選擇上，需要著重考慮耐用性和在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性。此外，為了提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，可以采用模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)在未來可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整或升級。

3.2 技術(shù)應(yīng)用過程

紅外測溫技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)包含多個(gè)階段的復(fù)雜過程。首先，仔細(xì)評估換流閥及其周邊環(huán)境，確定安裝紅外攝像頭的最佳位置。評估內(nèi)容不僅包括對空間布局的分析，還包括對潛在干擾因素的識(shí)別，如電磁干擾、環(huán)境光線變化等。確定安裝位置是確保攝像頭能夠有效捕捉目標(biāo)區(qū)域溫度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

其次，精密地調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)。精確調(diào)整攝像頭的焦距和角度，確保其可以捕捉到清晰的熱圖像。

最后，進(jìn)行一系列的功能測試和校準(zhǔn)工作，以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能是否符合預(yù)期。測試包括設(shè)備的硬件性能測試和軟件的數(shù)據(jù)處理能力驗(yàn)證。

3.3 數(shù)據(jù)收集與處理

在換流閥的實(shí)時(shí)監(jiān)測中，紅外攝像頭的作用不僅僅是捕捉熱圖像，更重要的是將熱圖像轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)反映換流閥表面的溫度狀況，為維護(hù)人員提供實(shí)時(shí)反饋。例如，在一個(gè)典型的監(jiān)測周期內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)記錄到換流閥表面溫度隨時(shí)間的變化趨勢。這種趨勢的監(jiān)測對于及時(shí)識(shí)別過熱問題至關(guān)重要，有助于預(yù)防因溫度異常導(dǎo)致的設(shè)備故障。

使用專用的分析軟件處理收集到的數(shù)據(jù)。分析軟件能夠快速分析大量溫度數(shù)據(jù)，識(shí)別出溫度異常和潛在的故障。它通常具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠生成詳細(xì)的報(bào)告和圖表，幫助維護(hù)人員更好地了解換流閥的運(yùn)行狀態(tài)。此外，軟件還包含預(yù)測性維護(hù)工具，可以基于歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測未來可能出現(xiàn)的問題。

將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于換流閥溫度監(jiān)測，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)提供全面、實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的溫度信息。這不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性，還有助于降低維護(hù)成本，預(yù)防因溫度異常導(dǎo)致的故障。

4 案例分析

4.1 具體案例

在針對換流站的紅外測溫監(jiān)測項(xiàng)目中，選取位于山區(qū)的一座重要換流站作為研究對象。該站地理位置特殊，環(huán)境溫度變化大，給換流閥的溫度控制帶來了較大挑戰(zhàn)。通過部署紅外測溫系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測換流閥的運(yùn)行溫度，并與傳統(tǒng)的接觸式溫度測量方法進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，紅外測溫技術(shù)能夠更快地反映溫度變化，且無須直接接觸換流閥，有效減少了維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。在夏季高溫期間，紅外測溫技術(shù)成功預(yù)警了數(shù)次可能導(dǎo)致設(shè)備過熱的情況，為及時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)和保護(hù)設(shè)備安全提供了可靠依據(jù)。

4.2 應(yīng)用成果分析

案例中，紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測方面顯示出了顯著優(yōu)勢。通過詳細(xì)分析紅外測溫裝置收集到的數(shù)據(jù)，能夠更準(zhǔn)確地了解換流閥在不同工作條件下的溫度表現(xiàn)。在高負(fù)荷條件下監(jiān)測特定換流閥的溫度變化，結(jié)果如表2 所示。

表2 高負(fù)荷條件下?lián)Q流閥溫度變化

從表2 可以看出，在高負(fù)荷運(yùn)行期間，換流閥的最高溫度逐漸上升，平均溫度也呈現(xiàn)上升趨勢。在2023 年6 月5 日，換流閥的最高溫度達(dá)到52 ℃，遠(yuǎn)超正常運(yùn)行的溫度范圍。該溫度峰值出現(xiàn)在15：10，可能是因?yàn)槿照諒?qiáng)度和電網(wǎng)負(fù)荷增加。

通過紅外攝像頭采集的數(shù)據(jù)，可以觀察到換流閥表面某些區(qū)域的溫度顯著高于其他區(qū)域。這種不均勻的溫度分布提示換流閥可能存在潛在的硬件問題，如散熱不良或內(nèi)部元件損壞等。這些發(fā)現(xiàn)為變電站的維護(hù)人員提供了寶貴的信息，通過及時(shí)進(jìn)行有針對性的維護(hù)和修復(fù)，避免了更嚴(yán)重的故障發(fā)生。此外，長期的數(shù)據(jù)分析揭示了溫度變化的季節(jié)性模式，有利于維護(hù)人員優(yōu)化季節(jié)性維護(hù)計(jì)劃和冷卻策略[4]。

通過上述分析，可以看到紅外測溫技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)防維護(hù)方面具有巨大的潛力。它不僅提高了換流閥的運(yùn)行可靠性，還有助于減少由溫度異常帶來的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

5 技術(shù)改進(jìn)與展望

5.1 當(dāng)前技術(shù)的局限性

雖然紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中顯示出顯著優(yōu)勢，但是也存在一定局限性。首先，紅外測溫設(shè)備受環(huán)境因素影響較大，如灰塵、濕度和其他阻礙視線等因素可能會(huì)影響測量準(zhǔn)確性。其次，對于表面具有高反射性的物體，如金屬，紅外測溫設(shè)備可能會(huì)受到表面反射的影響，導(dǎo)致讀數(shù)有偏差。最后，紅外測溫技術(shù)主要測量物體表面的溫度，并非內(nèi)部溫度，一定程度上限制了其在某些場景中的應(yīng)用。

5.2 改進(jìn)建議

針對這些局限性，未來可以在如下方面進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。首先，研發(fā)更先進(jìn)的傳感器，以提升紅外測溫設(shè)備對復(fù)雜環(huán)境和不同材料表面的適應(yīng)性。例如，開發(fā)能夠自動(dòng)校準(zhǔn)和補(bǔ)償環(huán)境干擾的智能傳感器。其次，與其他類型的監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，如熱電偶傳感器或光學(xué)纖維傳感器，以提供更全面的溫度監(jiān)測功能。最后，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和人工智能算法，更深入地分析收集到的數(shù)據(jù)，從而提高預(yù)測維護(hù)的準(zhǔn)確性和效率。

5.3 未來發(fā)展趨勢

未來，紅外測溫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的作用將進(jìn)一步深入。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用成本的降低，將有更多工業(yè)設(shè)施采用紅外測溫技術(shù)來提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。在智能制造和工業(yè)4.0 的背景下，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的紅外測溫系統(tǒng)將提供更加智能和自動(dòng)化的監(jiān)測解決方案。此外，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，溫度數(shù)據(jù)的分析和紅外測溫技術(shù)的應(yīng)用將更加高效和精準(zhǔn)，從而為預(yù)防性維護(hù)和資源優(yōu)化提供強(qiáng)大的支持[5]。

6 結(jié)語

深入探討和分析紅外測溫技術(shù)在換流閥溫度監(jiān)測中的應(yīng)用，突出了該技術(shù)在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和效率方面的重要作用。通過案例研究，證實(shí)了紅外測溫技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度變化、提前識(shí)別潛在故障點(diǎn)以及優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃上的有效性。盡管存在一些技術(shù)和環(huán)境的限制，但通過不斷的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，紅外測溫技術(shù)有望在未來的工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。總體來說，紅外測溫技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中具有巨大的潛力和重要的價(jià)值。