基于 VR的电力设备红外检测培训系统设计的研究

基于 VR的电力设备红外检测培训系统设计的研究

李芳

国网山西技培中心大同分部 山西大同 037039

摘要：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。

关键词：VR；电力设备红外检测培训系统设计；研究

引言

红外热像技术是基于红外辐射原理，通过扫描、记录或观察被检测工件表面由于缺陷或者内部结构不连续所引起的热量向深层传递的差别而导致表面温度场发生变化，从而实现检测工件表面及内部缺陷或分析内部结构的无损检测方法。红外热像技术之所以成为目前设备温度检测中使用频率较高技术之一，主要是因为：第一，响应速度快，与传统的热电偶（响应时间为1s）相比，热像仪的响应时间为ms或μs，单位时间内更能够清晰反应设备的温度变化情况；第二，测温范围宽，与玻璃温度计测温范围－200～600℃，热电偶测温范围为－273～2750℃相比，红外能够测量温度范围为－273～6000℃；第三，非接触测量，红外热像技术主要是提取设备表面的辐射能，不直接接触被测物体，最大限度地保证了测试者的安全；第四，测量结果直观，红外热像技术展示给检测者的是非常直观的双色图，能够清晰地观察被测点与其附近温度的差异；第五，无损检测，红外热像检测过程中不接触被测设备，且红外线不会对被检测设备造成损伤。因此，红外热像技术不仅在军事上得到了广泛地应用，而且在材料缺陷检测、建筑、过程监控、自动测试等方向也得到了广泛地应用，并且充分展示出了其优越性。

1电力设备红外检测基本原理

电力设备在正常运行的过程中，因为电流和电压的影响，将会产生发热等问题，设备发热产生的温度与红外辐射出的能量成一定的函数关系，辐射出的能量通过该红外检测仪器可以将肉眼不可见的辐射能转变成可视的图像，通过镜头的作用聚焦在探测器上，探测器便生成电信号，该电信号经过放大且数字化转到红外热像仪的信号处理单元，最终转变成可以在显示器上可视的红外成像。电力设备造成发热的原因大致有三种：电阻损耗引起的发热、铁损引起的发热、介质损耗引起的发热。这三种因素的发热，在正常运行中的电气设备中也会存在，表现为正常的热分布。一旦当电气设备出现异常时，这些发热现象就会加剧或者出现分布异常的状况，其热分布图像也会与正常温度时不同，经验丰富的运维人员会很容易观察到。电力设备的发热故障问题，从红外检测的角度分析来看，大致能分为两种，即外部故障和内部故障。外部故障是指暴露在设备表面的各部位发生的故障。从该设备的热像图中可以很直接地看到是否存在热故障问题，进而再根据温度分布的成像即能准确地定位出故障位置及其严重程度。造成缺陷可能的原因有：不可抗外力下部件的连接松动；设备设计方面存在一定的不合理因素；恶劣环境污染和侵蚀，造成接头表面材料氧化；安装施工不严格，不符合工艺要求；长期运行引起弹簧老化等等。内部故障则是指封闭在油绝缘、固体绝缘及设备壳体内的种种缺陷。因为这种故障位置受到绝缘介质或设备壳体的阻挡，具有一定的隐蔽性，不容易被发现，故一般情况下很难像外部故障那样简单直接的获得缺陷信息。但是，可以依据电气设备的内部结构图，并根据传热学相关理论，经综合分析辐射、传导和对流三种热量交换的传热规律，再联系现场检测实例的统计分析，最后解体进行验证，也能够得出电气设备的内部缺陷在设备表面呈现出来的温度分布热像图，从而可以得出设备内部故障的性质、部位及严重程度的分析。例如，电力设备内部电气连接不良或触头接触不良；涡流损耗增大性故障；绝缘老化，开裂或脱落；电压分布不均匀或泄漏电流过大性故障；缺油故障；介质劣化损耗增加而发热等。

2基于VR的电力设备红外检测培训系统设计的研究

2.1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。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。通过ANSYS软件对绕线式异步电动机进行了温度场仿真分析。对湿污绝缘子表面发热与温度场进行了研究。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。

2.2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。

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。

参考文献

[1]国网技术学院.红外热成像检测[M].北京：中国电力出版社，2015.

[2]张冠生.电器理论基础（修订本）[M].北京：机械工业出版社，1989.

[3]王蓉雪，高振国.高压隔离开关电磁场与温度场仿真分析[J].东北电力技术，2016，37（12）：21-24.