红外测温技术在换流阀温度监测中的应用

杨青波,魏 卓,胡四全,樊宏伟,廖 巍,柴卫强,孟学磊

(1.许继电气股份有限公司,河南 许昌 461000；2.许继集团有限公司,河南 许昌 461000；3.国网上海市电力公司,上海 200122)

1 引 言

特高压直流输电工程,是国家电网公司“一特四大”重大战略的主要组成部分,承担着电力发展的关键任务。换流阀是特高压直流换流站中的核心设备,价格昂贵,作用重要[1]。换流阀设备一旦出现故障,不仅会导致直流输电工程的停运,严重情况下,可能会导致换流阀或阀厅的起火,从而引发重大的安全事故。如何及时有效地发现设备的各种安全问题及故障隐患,避免换流阀关键零部件温度异常所导致的火灾隐患,是需要认真研究的重要课题。

本文对红外测温技术进行研究,结合换流阀实际运行环境,提出换流阀关键部件近距离在线红外测温算法,及测温装置设计方案,并完成测温实验及红外成像验证。

2 红外测温理论研究

2.1 红外测温理论推导

由普朗克辐射定律可知,物体在波长λ下的辐射能量与物体温度存在特定关系,关系表达式为:

(1)

其中,Mλ(T)为黑体光谱辐射出射度,单位为W/(m2·μm)；C1为第一辐射常数,C1=3.7418×1016W·m2；C2为第二辐射常数,C2=1.4338×102K·m；λ为辐射波长,单位为μm；T为目标物体的热力学温度,单位为K。

对于理想漫辐射体,它的辐射出射度和辐射亮度存在以下关系[2]:

Mλ(T)=πLλ(T)

(2)

其中,Lλ(T)为物体在温度为T时,在波长λ下的辐射亮度。

红外测温的原理是通过红外测温器接收目标物体的红外辐射,将其转换为电信号,然后由采样芯片将其转换为数字信号,通过输出的数字信号来获取目标物体的表面温度。物体所发出的红外辐射有两部分构成,即自身表面红外辐射和反射环境的红外辐射。实际情况中,红外测温器工作时所探测到的红外辐射包括目标物体自身辐射、环境反射辐射和大气辐射这三种主要的辐射[3]。

红外探测器所接收到的波长λ下的辐射功率可表示为:

Pλ=ARA0d-2[τa(εLλ(To)+(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]

(3)

其中,AR为红外测温器的入射透镜的面积；d为被测目标到探测器之间的距离；A0为红外测温器最小空间张角所对应的目标的可视面积；To为被测目标物体的表面温度；Tu为环境温度；τα为大气的光谱透射率；εα为大气的光谱发射率；Tα为大气温度;ε为物体表面的发射率；α为物体表面的吸收率;A0d-2一般是一个常数;τα、ε和α在比较窄的波段范围内,可以近似为与波长无关的常量[2]。

通常情况下,红外测温器工作在一定的红外波段范围。红外探测器在自己工作的波段上将入射的辐射能积分,并将其转化为一个与入射能量成正比的电信号,有如下公式:

(1-α)Lλ(Tu))+εaLλ(Ta)]Rλdλ

(4)

其中,V为电信号；Rλ表示红外探测器像元的光谱响应度,它是红外探测器把接收到的辐射能转化为电信号能力的直接体现。

因为电信号与采样值之间存在线性关系,存在如下公式:

V=av+b

(5)

其中,v为采样值;a为比例系数;b为偏移量。

f(T)≈CTn

(6)

工作在不同波段的红外探测器,参数n的值并不一样,对于工作在8～14 μm波段的探测器,n=3.9889；对于工作在6～9 μm波段的探测器,n=5.33；工作在2～5 μm波段的探测器,n=8.68[2]。

根据公式(4)、(5)、(6)可得To的表达式为:

(7)

公式(7)就是通过红外探测器采集的电信号采样值来计算探测目标表面温度的计算表达式。

2.2 基于换流阀运行环境的公式变换

换流阀安装运行在阀厅内,由于空间相对封闭,阀厅内部空气质量良好,同时通过空调使阀厅温度维持在25～30 ℃之间。换流阀依靠水冷散热,其主要部件的温度一般维持在25～85 ℃之间。根据这些特点,可以对公式(7)进行合理变换。

在公式(7)中,参数AR、A0d-2、a、b、C、n为常数,参数τα、εα、α、ε的值与环境温度、探测目标的材质及温度、探测距离、探测仪的工作波段等有关。本文所设计的探测装置安装在换流阀内部,与探测目标距离在1 m左右,由于距离较近,因此可以设定大气的光谱透射率τα=1,大气的光谱发射率εα=0[4]。阀组件的温度范围变化较小,探测仪也一般工作在比较窄的波段,因此设定阀组件的表面的发射率ε和表面的吸收率α为不变的常量[4]。令:

(8)

(9)

(10)

(11)

则K1、K2、K3、B为与探测目标辐射度ε相关的变量,且K3=0。

公式(7)可简化为:

(12)

又因为换流阀阀厅环境温度基本维持恒定,则可以认为环境温度Tu为定值。令:

(13)

则B′为与探测目标辐射度ε相关的变量。把公式(13)代入公式(12)中,可得:

(14)

在公式(14)中,K1、B′与探测目标辐射度ε相关的变量。对于相同材质的探测目标,在温度变化不大的范围内,可以认为ε为定值,则K1、B′同样为定值。

3 参数测定及验证

根据换流阀的运行温度范围,可以认为相同材质的阀组件,公式(14)中的参数K1、B′为定值。不同的材质,其红外辐射度ε不同[4-5],需要分别计算K1、B′的值。通过对已知温度的阀组件进行实际测量,获取一组To与v的对照值,计算出常量K1、B′的值,从而获取To完整的计算公式。

换流阀组件的主要热源为晶闸管、TCE板绝缘屏蔽外壳和电容,其中晶闸管为陶瓷外壳,TCE板绝缘屏蔽外壳和电容外壳为铝合金材质。因此,对陶瓷和铝合金,需要分别计算公式(14)中的参数K1、B′。

本文选用的红外探测器件为Flir公司的lepton,该器件工作在8～14 μm波段,探测最近距离为1 m左右,探测温度范围为0～400 K,正常功耗为150 mW,完全能够满足换流阀近距离测温要求。

对铝合金材质,在环境温度28 ℃下,用废旧电容的铝合金外壳盛满沸水,随着温度的降低,测得一组To与v的数据,通过拟合计算得到:K1=3.964×106,B′=2.335×1010。拟合曲线与实测数据对比如图1所示。确定参数K1、B′后,对公式的准确性进行验证,结果如表1所示,误差如图2所示。

表1 铝合金红外测量温度与实际温度对比

图1 铝合金红外测温曲线拟合

图2 铝合金红外测温误差

对陶瓷材质,同样在环境温度28 ℃下,通过对晶闸管加载电流使其温度逐渐升高,在升温过程中,测得一组To与v的数据,通过拟合计算得到:K1=5.282777×106,B′=-3.427983×1010。拟合曲线与实测数据对比如图3所示。确定参数K1、B′后,对

公式的准确性进行验证,结果如表2所示,误差如图4所示。

从实验可以看出,不同材质的探测目标,温度计算公式(14)中的常量参数K1、B′的值是不同的。采用本文测定的K1、B′取值进行测温实验,结果表明,测试温度与实际温度误差不超过2 ℃。

图3 陶瓷红外测温曲线拟合

图4 陶瓷红外测温误差

采样值实测温度值/℃计算温度值/℃误差/℃采样值实测温度值/℃计算温度值/℃误差/℃采样值实测温度值/℃计算温度值/℃误差/℃797629.229.470.27823141.441.710.31839848.849.020.2280313132.231.23821842.241.121.08838849.648.591.01805732.633.520.92822742.841.531.27838750.248.551.65807134.234.200.00827143.443.510.11846850.851.941.14808135.234.690.5183004444.790.79845551.451.400.00810135.835.650.15827944.643.860.74845452.251.360.84814436.837.690.89828845.244.260.94847452.852.180.62814037.637.510.09829845.844.701.10847953.452.391.01814338.437.650.75835146.447.010.61855454.455.421.02819339.239.970.77836946.847.780.98853855.254.780.42818940.239.790.41835647.447.230.17856257.255.741.46819440.840.020.7884044849.271.27858358.256.571.63

4 探测装置设计及红外成像

4.1 探测装置设计

正常运行时,换流阀电压等级很高,对绝缘等级也有很高要求。一般的探测设备无法近距离对换流阀进行近距离监测,而远距离又无法精确定位过温点。

本文结合换流阀运行时的具体电磁环境,对设计的测温装置进行绝缘外壳封装,采用激光供能[6-7]的方式对装置供电,对外数据传输也采用光纤通道,使装置与外部完全电磁隔绝。然后把装置固定安装在阀组件上方1 m距离的地方。

装置数据处理芯片采用具备高速数据处理能力的FPGA,负责从红外探测器lepton接收数据,并通过光纤通道转发至远程数据处理后台。通过功耗测试可知装置的运行功耗最高为1700 mW。装置供能方面,采用JDSU公司生产的激光电源转换器PPC-6E-FC,共使用4个提供最大功率2000 mW,完全满足装置供能要求。激光供能设计电路如图5所示。

图5 激光供能电路设计

4.2 红外成像

红外探测器探测的电信号值越大,探测目标的辐射强度越强,探测目标的表面温度越高[8-9]。因此,探测装置采集的电信号值的大小可以反映探测目标温度值的高低。根据位图的文件格式可知,位图文件主要有两部分构成:图像像素点的值和调色板。可以把红外探测的电信号值映射到1到255之间的数,作为图像每个像素点的值。电信号值与位图像素点值的映射关系为:

(15)

其中,v为当前点的电信号采样值;vmin为探测图像最小电信号采样值;vmax为探测图像最大电信号采样值；g为位图图像对应点的像素值。根据等式(15)可以求得图像每个点的像素值计算公式为:

(16)

位图的调色板由图像每个像素值和与之对应的色彩值(RGB值)构成。用于红外成像的位图一般有常用的调色板,如灰度值、热金属编码、彩虹编码等。在成像时,可以选择不同的调色板来显示不同效果的红外成像图片。

根据公式(14)、(16),通过软件实现,建立温度、电信号采样值、图像像素值之间的对应关系,把接收到的红外测温数据转换为位图格式的红外图片,并把电信号采样值追加在图片文件中。在查看图像时,选择一个图像点,根据其像素值获取该点的温度信息。

对常温下的阀组件和正在进行温升实验的换流阀组件进行近距离红外测温实验,并通过软件对采样数据进行成像处理,成像效果和温度对比如图6和图7所示,成像的调色板采用热金属编码。其中,晶闸管的陶瓷外壳与铝合金的电容外壳、TCE板绝缘外壳的温度计算公式分别采用本文测得的不同的参数取值。从图像可以看出,采用公式(16)进行红外成像,能够对阀组件进行清晰的成像,在图像中很容易确定晶闸管、TCE绝缘外壳以及电容的位置并获取其温度信息。

图6 常温下阀组件红外成像

图7 温升实验时阀组件红外成像

5 结 论

本文对红外测温理论进行研究,并结合换流阀实际运行环境及结构特点,提出了适用于换流阀组件的红外测温算法。根据换流阀高压运行,绝缘等级要求高的特点,设计了近距离红外测温装置,并通过实验验证了红外测温和红外成像效果。

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