基于红外成像技术的电气设备故障检测

基于红外成像技术的电气设备故障检测
摘要：以往电气设备故障检测所采用的信号处理方法，提取信号特征进行故障
检测，无法实现故障的区域检测，缺乏故障等级的有效判断，检测结果具有检测
准确度低、结果不稳定的缺点。

因此，提出基于红外成像技术的电气设备故障检
测方法，其通过红外摄像仪检测电气设备红外图像的温度值后，以灰度图像替代
红外图像获得阈值的强度信息矩阵，提取电气设备红外图像的灰度值。

根据温度
与灰度的映射关系，采用相对温差法对红外图像高温区域进行提取。

基于电气设
备红外图像高温区域，进行故障区域面积与故障区域质心的计算，获得红外图像
的故障区域特征，通过灰度和温度的对应关系，反推电气设备故障区域质心的温度，运用绝对温差法确定电气设备故障等级。

关键词：红外成像技术；电气设备故障；检测
引言
电气设备在运行中会因为故障而引起其表面及内部的温度异常变化，通过监
视这种温度变化，可以对设备的故障情况作出判断。

电力系统采用的红外成像技
术就是根据这个原理发展起来的，与传统的例行试验和诊断试验相比，红外成像
具有不接触、不解体、准确、直观等优势，备受国内外电力行业的重视，并得到
了快速发展。

利用红外成像技术对电气设备的状态进行监测，根据其劣化和缺陷
严重程度来制定检修策略，适时安排停电检修，可有效提高设备的可靠性，节约
检修的人力和物力。

本文针对近年迎峰度夏期间温州地区的变电所红外测温情况，选取其中的典型案例进行介绍、分析，并在此基础上提出今后电气设备红外测温
应注意的事项。

1基于红外成像技术的电气设备故障检测方法
1.1电气设备故障检测流程
文中方法以红外图像的温度灰度排列情况相关联的映射特征为基础，对红外
图像各像素点温度与灰度的关联性实施采集，为确定温升区域，应将预设的温度
阈值转化成灰度阈值；根据红外图像故障区域的特征，计算故障区域面积与质心，确定故障等级，该故障检测的流程用图1描述。

1.2电气设备红外图像的温度值检测
采用ThermCAMTMQuickReport软件高效率采集通过红外热像仪拍摄的电气设备红外图像上各测量点与测量范围的温度。

采集温度过程是：通过USB线将红外
热像仪获取到的红外图像从热像仪传输到电脑内，采用ThermCAMTMQuickReport 软件获取红外图像温度数据。

红外热像仪为测温成像设备，其具备的性能是：测
温和形成热像。

测温时红外辐射通过不同的单元采集后被变换成电信号，通过灰
度等级描述各单元电信号情况；重构灰度等级得到图像数据格式，采用显示器呈
现出这些数据。

温度和灰度拥有相应的映射关系与红外辐射的大小和温度情况相
关联。

为便于后续操作，红外热像仪不仅形成热像还汇总各像素点的温度。

温度
情况在显示器屏幕上的“热像”内可以直观的体现出来。

图2为红外图像在红外热
像仪中的形成过程。

1.3提取电气设备红外图像的灰度值
基于得到红外图像的温度数据，以灰度图像替代红外图像。

温度数据在灰度
图像上无法体现，在灰度图像上获得的是值域为[0，255]的强度信息矩阵f（m，
n）。

矩阵内不同的亮度或灰度级以各元素来表示，当描述的是白色和黑色，则
说明亮度值分别是255和0。

2红外测温案例
2.1红外成像发现主变压器套管油位偏低
2011年8月22日，在对某供电公司220kV变电所进行红外测温时，发现2
号主变压器B相套管油位异常，红外图谱显示油位明显偏低，该相套管油位计指
示为零，红外成像图谱如图2所示。

由于该型套管无取油样工作，现场检查未发
现套管外部有破损渗漏油，3相高压套管从顶部到升高座之间的表面温度场分布
基本一致，说明无过热现象，由此推断套管底部密封损坏，导致套管油与主变压
器本体油路贯通。

套管缺油后，会使顶部部分电容屏露出油面。

由于空气的击穿
电压远低于绝缘油，长时间露出油面的电容屏很容易被击穿。

而未击穿的电容屏
由于场强增大，超过其设计值，也会逐渐击穿，最终导致套管内部整体击穿。

由
于缺乏备用套管，为保证安全起见，对该主变压器进行了跟踪红外测温。

发现随
着气温以及油温的变化，套管的油位也随着主变压器本体油位发生一定的变化，
但未发现由局部放电而引起的过热现象。

10月底，备件套管到位后，对B相套管进行了更换并顺利投运。

故障原因分析：将故障套管吊出后，发现套管瓷套与套
管法兰间的密封件脱落，2个油室密封不严造成贯通。

套管油室中的油位较高，
压力较大，在压力作用下套管中的油流向主变压器本体油室，套管顶部油室压强
降低。

由于变压器本体油室与大气贯通，当套管顶部油室压强降低到大气压强时，达到新的平衡状态，高压套管中的油位停止下降，保持在某一位置，从而造成套
管油位偏低。

运行的充油设备，由于内部油气部分存在温度差，从而在红外成像
图谱中形成清晰可辨的分界面，据此可判断出设备的油位。

而目前运行部门大多
仍在使用点温仪，只能测量目标点的温度值，因此不能有效反映设备油位。

2.2红外测温发现电流互感器末屏放电
2011年7月19日，检修人员对某220kV变电所进行红外测温，检测时刚下
过阵雨，空气湿度较大。

发现220kV母联开关C相电流互感器端子箱局部温度异常，测温仪显示最高温度达183℃（环境温度28.4℃），存在严重的安全隐患。

随后立即对该电流互感器进行了停电处理。

检查发现套管电容量与介损正常，5
个二次绕组均无开路现象，但二次端子箱锈蚀严重，其末屏通过端子箱外壳接地，而外壳已完全锈蚀，出现部分锈铁脱落，从而导致末屏接地不良。

原因分析：该
变电所所在区域皮革、电镀等高污染企业密集，当地空气污染较严重，造成了该
变电所电气设备锈蚀严重。

而该型号的末屏接于端子箱外壳，一旦出现外壳锈蚀
或脱落，就存在末屏悬空的安全隐患。

当末屏失去接地时，末屏对地存在电容，
与主电容起到串联分压作用。

与电流互感器的主电容量相比，末屏对地电容量较小，根据分压原理，套管将出现较高悬浮电位，从而造成末屏对地的局部放电，
引起发热。

由于该类型的电流互感器锈蚀严重并非个例，存在巨大的安全隐患，
检修人员对类似的多个变电所进行了排查，发现多台电流互感器存在末屏断开的
风险。

检修部门结合工作计划对隐患电流互感器进行更换，未更换的进行停电防
腐处理后，将其末屏引出至设备支架上，确保末屏可靠接地。

采取上述措施之后，红外成像检测再未发现电流互感器端子箱异常温升。

结语
当前电力体系部门对电气设备的安全使用提出了更高的要求，电气设备故障
检测方面也越来越被重视起来。

因此，提出基于红外成像技术的电气设备故障检
测方法，实现了电气设备故障的区域检测，拥有稳定性高、检测准确率高以及去
噪声效果好等优点，为电气设备故障检测提供了更优的保障。

参考文献：
[1]姚中博，张玉波，王海斗，等.红外热成像技术在零件无损检测中的发展和应用现状[J].材料导报，2014，28（7）：125-129.
作者简介：
毕可琦（1965.06.07）：男，大学专科，助理工程师，二级建造师，主要从事热电厂检修技术与生产管理，热电厂与电气工程建设的相关工作。