基于VR的电力设备红外检测培训系统设计的研究

段先锋 白亚为 杨会贤

（西安电力高等专科学校，陕西 西安 710032）

0 引言

电力设备运行时，会因为各种原因发热。正常时，发热所导致的温升在设计允许的范围内。设备有缺陷时，会表现出故障前的热征兆，即异常的温升。红外检测可以及时发现电力设备的故障发热。但是检测者要经过培训才能掌握检测的技巧，并积累判断发热故障的经验。有些电力公司的培训部门会在真实的设备上预装发热元件来模拟故障发热，并组织学员进行红外检测，对热成像仪的使用技巧进行培训，并让学员积累判断发热故障的经验。

这种在真实的设备上预装发热元件来模拟故障发热的方法，由于设备种类和数量有限，模拟的故障点数量和种类有限，以及升温和降温速度慢、成本较高等特点，都使得它越来越不能满足电力设备红外检测培训的需要。

该文提出把虚拟现实（VR）技术引入电力设备红外测温的培训中，建立电力设备仿真模型，并用有限元分析软件在模型上对温度场进行仿真，并在虚拟的红外热成像测试仪中显示相应的红外图像，训练学员在虚拟环境中使用红外检测技术，达到培训目标。

1 电力设备发热仿真

1.1 电力设备三维仿真建模

该方案采用三维建模技术，在虚拟场景中还原了一个变电站。在这个仿真变电站中，有1 台主变。10 kV 侧为单母线接线，包含主变间隔和1 条出线间隔，采用GIS 设备。35 kV 侧采用高压开关柜组成单母线接线，包含主变间隔、干式站用变间隔和无功补偿间隔。这样既体现了变电设备的多样性，同时也避免了设备的重复。

1.2 电力设备温度场仿真

电力设备温度场仿真主要包括电力设备发热、电力设备散热以及电力设备温度场有限元仿真3 个方面的内容。

1.2.1 电力设备发热

1.2.1.1 电阻损耗

电流通过导体会产生热能，其发热功率为：

式中：P—发热功率（W），I—电流强度（A），R—电器或载流导体的直流电阻（Ω），Kf—附加损耗数，考虑了集肤效应和邻近效应[1]。这种发热与电流的大小和导体电阻有关，也称为电流型发热。

1.2.1.2 介质损耗

电气绝缘介质在交变电场中，因极化方向不断改变而消耗电能并引起发热，产生的发热功率为：

式中：U—施加的电压（V），ω—交变电压角频率，C—介质的等值电容（F），tanδ—介质损耗角正切值[1]。这是绝缘介质在电压效应下引起的损耗，与电流无关，也称为电压型发热。

1.2.1.3 磁滞和涡流损耗

磁滞损耗是铁磁材料在被交变磁场反复磁化时，内部的磁畴不停地转换方向，互相摩擦而引起的损耗。磁滞损耗与铁磁材料的特性有关[1]。

涡流是导体在交变磁场中感生电动势而在其内部产生的电流。涡流损耗是涡流在流经通路的电阻时产生的损耗。涡流损耗与导体的形状及电阻率、磁感应强度及交变的频率有关。

1.2.2 电力设备散热

热交换包括热传导、热对流、热辐射3 种方式。

1.2.2.1 热传导

热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫作热传导。热传导传递的热量可以用公式（3）来计算：

1.2.2.2 热对流

热对流仅存在于液体和气体中，并常伴随着热传导。按照对流的方式可以分为自然对流和强迫对流。自然对流的热量传递的速率可用公式（4）计算：

式中：P—传热功率（W），Kd1—对流换热系数[W/（m2×K）]，θ—发热体表面温度（K），θ0—流体介质温度（K），A—冷却表面积（m2）[2]。

1.2.2.3 热辐射

温度高于绝对零度的物体，以辐射电磁波的形式向外传递热量，称为热辐射。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射可以用公式（5）计算：

式中：Pfs—单位面积的辐射功率（W/m2），σ—斯特藩-玻尔兹曼系数（5.67×10-8W/m2/K4），εf—发射率，T2—发热体表面温度（K），T1—接收辐射物体温度（K）[2]。

1.2.3 电力设备温度场有限元仿真

目前对仿真电力设备温度场的研究已经很多了。采用有限元分析软件ANSYS 对隔离开关导电部分的温度场进行了研究[3]。采用Fluent 软件对干式变压器温度场进行了仿真，为定点检测提供了依据[4]。通过ANSYS 软件对绕线式异步电动机进行了温度场仿真分析[5]。对湿污绝缘子表面发热与温度场进行了研究[6]。这些对电力设备温度场的研究都采用了有限元分析的方法。

该培训系统采用ANSYS 有限元分析软件对VR 场景中的电力设备三维模型进行设备发热和散热仿真，在模型中建立温度场。首先，根据不同发热机理把模型分成不同的部件。比如隔离开关可以分成导电部分和绝缘部分。其次，对每个部件进行建模并划分网格。对每个部件在ANSYS 中进行建模并划分网格，把发热和散热条件作为边界条件输入。对于导体发热，考虑导体的电阻和通过的电流。电阻因导体的材料、尺寸和形状的不同而不同，电流在导体中的分布具有集肤效应和临近效应。对于绝缘体的发热过程，考虑其材料、温度、湿度和表面状态等因素。散热过程考虑材料、环境温度、风速、光照等因素。最后，建立运行仿真模型。在运行时能够使每一个网格都具有一个稳定的温度值。把仿真结果与设备三维模型关联起来，在三维模型上形成温度场。

在这一过程中，通过改变导体的电阻和负荷电流、绝缘介质的电压、阻值以及环境温度、风速、光照等因素，就可以改变设备温度场的分布，从而模拟设备正常发热和各种故障发热。

1.3 红外热成像仪模拟

按照某一型号的红外热成像仪建立仪器模型，其外观、按键、功能均与实际仪器一致。当电力设备三维模型的某一部分进入虚拟红外热成像仪屏幕后，根据模型当前的温度场和红外热成像仪设定的发射率显示相应的红外图像。屏幕外的三维模型仍然显示可见光图像。设置仪器的发射率和色温条，可以改变图谱的颜色。

2 培训模式设计

在电力设备发热及红外检测仿真平台上，分别建立了电力设备红外检测仿真教学系统和红外检测虚拟仿真实训系统。

2.1 红外检测仿真教学系统

红外检测仿真教学系统用于对学员进行红外检测的集中培训，学员也可以在上面对相关知识进行自主学习，包括教学模式和考核模式。

2.1.1 教学模式

2.1.1.1 建立红外热图谱库

库中的热谱图均为实际的图像，包括设备正常状态的热谱图和异常状态下的热谱图，以对比的形式进行展示，便于学员辨识。对于图库中的每一张异常的热谱图，系统都将自动链接发热的原因分析和处理方法。

2.1.1.2 红外测温仪讲解

红外测温仪讲解主要包括红外测温仪原理、功能按键、操作流程等内容，配以3D 模型动态显示，帮助训练学员使用红外热成像仪。

2.1.2 考核模式

2.1.2.1 发热异常辨识及处理考核

随机弹出一张红外图像，学员判断是否有异常，如果有异常则继续判断发热原因提出建议处理的方法。

2.1.2.2 红外测温仪使用考核

红外测温仪使用考核包括功能按键考核与操作流程考核。按键功能考核是通过随机出现一个按键名称或其功能描述，要求学员匹配另一个，考核学员对按键功能的熟悉程度。操作流程考核学员对整个操作流程的熟悉程度。

2.2 红外检测虚拟仿真实训系统

这一部分是在电力设备发热模拟的基础上，对红外测温仪进行操作练习和考核。系统设置有练习模式和考核模式。

2.2.1 练习模式

在虚拟环境中模拟操作红外测温仪，训练热成像仪对焦、拍摄、图像生成等操作。过程中提供步骤提示。

2.2.2 考核模式

在考核模式中，系统不提供任何提示。学员通过佩戴VR眼镜进入虚拟环境，模拟操作红外测温仪。操作完成后提交操作过程，系统自动进行评分，考核结束后展示错误操作。

3 结语

该系统从电力设备红外检测培训的需要出发，提出通过使用VR 技术创建虚拟的培训环境，通过温度场的有限元分析，模拟电力设备正常发热和故障发热状况，建立集培训、练习、考核于一体的培训系统，解决了实物模拟发热故障种类少、准备时间长的缺点，可以提高培训的效率和质量。相较于实物模拟发热故障培训系统，基于VR 的电力设备红外检测培训系统具有成本低、效率高、安全可靠的特点，应用前景非常广阔。