基于移动机器人的红外检测系统在变电站中的应用

付新阳 苏志刚 戚安国 宋 佳

（1.山东电力集团公司，山东 济南 250000；2.泗水县供电公司，山东 泗水 273200；3.青岛供电公司，山东 青岛 266000）

0 引言

红外成像技术就是利用现代高科技手段，在设备不停电的情况下，即在高电压、大负荷条件下，检测设备运行状况，通过对电气设备表面温度及其分布的测试、分析和判断，诊断发现电气设备运行异常及缺陷。长期认真的观测就可以将部分事故检修转为预见性维修，实现电气设备的状态检修，为安全正常运行提供可靠的科学依据。国内外大量实践与资料证明，该项诊断技术，用来对变电站、发电厂及高压输电线路运行的设备进行无接触、不停电的情况下的在线测量是一种先进的、高效的、经济的检测手段，在一定情况下比传统的停电预试更能有效地检测出与运行电压、负荷电流有关的设备缺陷。

目前，主要使用的红外热像仪手持形式的比较多见，手持红外热像仪一般使用方式，需要预先录下关注点的图像带回实验室进行离线分析，这样并不能实现实时检测、及时的发现问题。变电站巡检机器人系统可有效的节省人力及安排夜间巡视，可对机器人设定巡检任务，在夜间及极端天气状况下对变电站进行实时监测。

1 红外热成像在电力上的应用

红外热成像系统利用红外探测器，接收物体按其表面的温度自然辐射的红外线，在不接触的情况下，得到与物体表面热分布相对应的“实时热图像”，该热图像一定程度上通过其表面的热状态，反映出物体的自身状态，对于涉及热辐射的所有领域，它是一种理想的无损检测工具。

电力设备的热故障一般分为两大类，即外部热故障和内部热故障。电力设备外部热故障指发生在裸电导体的接触部分、刀闸接头、电力设备的进出线联结处或导线的断股、松股段，这些部分的电阻增加，大电流下降低导体和结构的机械性能，引发事故。大量资料表明，电力设备的外部故障，在数量上约占总数的90%。电力设备的内部热故障指异常发热的部位在设备的内部，被绝缘材料或金属外壳封闭，不同电力设备的缺陷有不同的成因，不同的成因发出的热量不同，表现在设备的表面的温度亦不同。

红外热像仪检测电力设备的具有很大的优越性。远离被检测设备，保证安全；能够快速大面积的对变电站的设备进行检测，节省时间；能直接，有效的检测与运行电压、负荷电流有关的缺陷，能准确的发现缺陷部位，还能对缺陷的性质和程度作出判断。

2 红外热成像受干扰的因素

在红外热像仪的检测应用中，影响测量的主要变量有黑度（发射率[1]）、环境介质、物体的不透明性、物体大小以及大气等等。主要的影响因素有如下几个方面：

2.1 大气对红外检测的影响

大气条件对红外检测的影响是很大的，水蒸汽能吸收红外辐射，设备表面的水膜能改变表面温度和发射率，刮风能使自然对流散热变为受迫对流散热，对设备的温升值影响很大，大气的散射和吸收，使红外辐射发生衰减等等将严重的影响红外系统的工作。

2.2 太阳光辐射影响

太阳光或其他发光物体，在被测物体上的反射和漫射，将影响红外测温仪器的正常工作，因为白天强烈的太阳光含有各种波长的电磁波，它们在电力设备上的反射和漫射在3～14 微米波长内的分布极不稳定，且无规律。而这一波长区域与红外热像成像设备设定的波长区域接近，直接影响了现场红外热像检测的正确判断。

2.3 风速对测量的影响

室外运行的电力设备，由于受风力对流冷却的影响，散热系数增大，缺陷设备的温升将下降。影响对设备的正确判断。因此大风天气不建议用红外检测。

2.4 邻近物体辐射的影响

当邻近物体温度比被测物体的表面温度高得多或低得多时，邻近物体的热辐射反射，将对被测物体的测量造成影响。被测物体与邻近物体的温差越大，辐射率越小，来自邻近周围物体的辐射干扰就越大。

2.5 辐射率的影响

辐射率是一个描述被测物体相对于黑体辐射能力大小的物理量。红外测温装置从物体上接收到的辐射能量大小与该物体的辐射率成正比。

使用红外热像仪检测电力设备时，特别在要对电力设备故障诊断时，应注意以下几点：红外检测工作在规定的大气条件下进行，最好选择在晴朗，无尘或无大风的夜间进行；尽可能接近被测物体，使其在屏幕上占据较大的空间；调准聚焦，使物体边界清晰；尽量正对被测物体，尽可能避免与被测物体表面角度小于40 度；注意避开附近的其他红外辐射源，移动红外测试仪，观察物体上热分布的变化，以区分是否是反射。

3 硬件系统结构

变电站巡检机器人的监控系统总体结构，依据无线网桥为分界，整个结构划分为基站和移动站。通信系统主要由无线局域网通信和多级控制通信组成。

在无线局域网的构成中，通过两套无线网桥组成了无线局域网的主要通信设备。其符合IEEE802.11b 国际标准，完全兼容现有的局域网络环境。使用国际公开的ISM 5 .8GHz 微波频道通信，速率最高达30Mbps，与普通局域网有线连接速率无异。并且抗干扰及信息保密性高，设有40/128-bit WEP 加密，SNMP 鉴定许可访问权。发射性能为RF 输出功率20dBM（最大），频率稳定性±25ppm，传输距离可达30km/11Mbps，满足机器人移动范围的要求。因此，它们的性能完全符合使用要求。[2－3]

机器人系统中的基站和移动主体的主要连接设备是无线天线。移动站的无线网桥主要通过Switch HUB 连接了运动控制计算机、视频服务器、串口网关等设备。基站的无线网桥也是通过Switch HUB 和基站控制计算机、串口网关等设备连接。连接到无线局域网中的这些设备都直接分配了IP 地址，实现了设备之间的点对点通信。本机器人的主要控制体是运动控制计算机，通信控制接口主要提供RS232 接口进行数据通信和控制。

红外检测系统结构由在线式红外热像仪、可见光一体摄像机、视频服务器、HUB、无线网桥和基站控制计算机组成。红外热像仪采用固定式红外热像仪，其具有PAL 视频接口、RJ45 网络控制接口、DC12V直流电源接口，功耗5w。满足机器人直流供电、低功耗的要求。视频服务器的功能可以将采集来的可见光摄像机的PAL 信号数据转化成网络数据包，通过无线局域网传输到基站控制计算机进行实时分析、存储和归档，红外热像仪直接通过网络进行控制，数据回传，分析等功能的操作。

这些部分有机的组成一个监控系统，实现了变电站设备的状态检测任务。可见光摄像机和红外热像仪同时安装在云台上的护罩内，两个检测设备相对于云台是固定状态，云台的上、下、左、右的旋转直接控制了检测设备的状态。这些所有的控制命令由移动站的控制计算机来完成。可见光视频图像的采集、传输工作由移动站控制计算机来完成。基站控制计算机作为后台的监视的主要设备，同时具有可见光图像和红外热成像显示、分析功能和对检测设备的后台故障分析功能。

4 结论

在变电站的巡视检测中，红外热成像技术现在已经是很重要的检测手段。在本机器人的系统设计中，利用无线局域网技术，成功的解决了变电站工作设备的实时红外检测任务。并详细说明了红外热成像在电力设备检测中的应用及其影响因素分析。文中还讲述了无线局域网的工作方式方法和系统的硬件结构，软件的实现过程。该系统的主要特点是红外分析的实时性能可靠，红外检测可以参考可见光图像进行目标设备搜索从而达到准确检测的目的。经过现场的运行结果证明该系统能实时、安全，达到及时发现问题的目的，为变电站的设备检修提供有力的科学依据。

［1］山东电力集团.电力设备红外测温诊断技术工作手册[Z].

［2］DL/T664-2008-带电设备红外诊断应用规范[S].

［3］计算机自动测量与控制[J].2001，9(6):14-16.