风速对钢心铝绞线红外测温图像质量影响研究_刘智勇.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 3 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.3Mar.2023收稿日期:2022-03-14基金项目:中国南方电网广东电网有限责任公司科技项目(GZHKJXM20180114)作者简介:刘智勇(1972-),男,湖南籍,高级工程师,研究方向为输配电线路设计、电网规划等;蒋兴良(1961-),男,湖南籍,教授,博士,研究方向为能源装备安全与灾害防御等(通信作者)。风速对钢心铝绞线红外测温图像质量影响研究刘智勇1,廖 乙2,李艳飞1,周靖钧1,赵嘉诚2,蒋兴良2(1.南方电网公司广州供电局,广东 广州 510000;2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆 400044)摘要:对钢心铝绞线进行红外热巡检时,红外热像图成像质量会因环境风速不同而变化。为研究钢心铝绞线红外测温时,不同载流量下热像图成像质量与风速的关系,本文利用传热学原理,分析了钢心铝绞线表面辐射及红外热像测温模型,提出应用于钢心铝绞线表面的红外对比度表达式及其影响因素。在实验室对 LGJ-240/30 型钢心铝绞线施加风速为 0.5 5.0 m/s、电流为 240 600 A,通过实验数据绘制三维散点图并拟合,得到对比度与风速、载流量的表达式,并提出利于肉眼观察的“临界对比度”。最后通过设计野外自然实验,验证实验室结果的准确性及可行性。结果表明,实验室得到的对比度表达式与临界值可以有效判断特定条件下,钢心铝绞线红外热像图质量优劣,对架空输电线路红外热巡检工程具有指导意义。关键词:钢心铝绞线;风速;红外测温;热像图质量;对比度DOI:10.12067/ATEEE2203021 文章编号:1003-3076(2023)03-0046-09 中图分类号:TM9241 引言 钢心铝绞线(Aluminum Conductor Steel Rein-forced,ACSR)作为架空输电线路重要组成部分,是连接发电厂、变电站及用户的重要纽带1-3。随着我国输电线路输送电压、输送容量的逐步提高,输电线路导线的安全可靠性要求也随之提高。架空导线温度反映了线路的热动态特性,是输电系统安全运行的重要指标,通过测量导线温度,可为检查线路松股、断股、老化腐蚀等缺陷提供依据4,5。目前,架空输电线路因其走廊长、杆塔高度高等特点,使用携带红外热像仪的无人机巡线方法被逐渐推广,以大幅降低巡检人力与时间成本投入6,7。钢心铝绞线表面温升受线路载流量、阻值及环境因素影响较大,而外掠导体的风速影响尤为显著8,9。在某些极端情况下,如载流量过小、风速过大等,导线温度变化并不明显,导致拍摄的红外热成像图片模糊不清,读数困难;加之导线存在径向温差,表面接触缝隙与凸起处温度存在差异,需要对其读数进行区别,温升过小时,难以分辨绞线的形状轮廓7。一旦出现上述情况,不仅拍摄的热像图几乎没有参考意义和实用价值,同时也浪费了巡检资源。因此,有必要研究钢心铝绞线与环境参数对红外热成像图像质量的影响规律,在巡检前为工作人员提供参考,以判断当前巡检条件能否获得质量较高的热像图片。目前,国内外诸多学者对钢心铝绞线温升及红外热成像进行了研究。胡剑等人10建立了热网络模型,提出了各风速下导线径向和周向温度计算方法。陈郑淦哲等人11提出基于高程风速预测的架空导线温度计算方法。刘刚等人12建立了输电线路电磁-热耦合模型,计算模型在自然对流条件下温度场分布和沿导线径向温度。I.Makhkamova 等人13采用计算流体动力学(Computational Fluid Dy-namics,CFD)方法建立了导线二维模型,并分析了各环境因素和导线电流对模型温升的影响。应展烽、薛海军等人14,15也提出了风速对导线温度场影响的计算模型与方法。但上述研究均未考虑温度场对红外热像图质量影响。此外,张文峰等人7通过自动拼接和帧间差分等后处理方法对无人机红外热刘智勇,廖 乙,李艳飞,等.风速对钢心铝绞线红外测温图像质量影响研究J.电工电能新技术,2023,42(3):46-54.47 像图中导线位置进行了定位。谢庆等人16基于多尺度协作模型的电气设备红外图像超分辨率重建网络,优化了图像特征提取效果。马琼等人17利用局部空间区域内的中心-周围像素灰度加权距离法实现红外图像增强。李静18通过与可见光图像融合的方式对红外图像中信息进行了识别。张则言19提出了基于显著性模型的红外图像识别方法。但上述方法均需要线路巡检人员具有较高的专业水平,并且效率较低,无法在短时间内判断长达数十公里线路的故障,具有一定局限性,也间接增加了巡线成本。为此,本文利用绞线结构引起的内外层温差,提出了红外图像成像质量对比度的定义方法;通过实验室实验,绘制热像图对比度关于风速、载流量的三维图像并拟合得到其函数表达式;根据人工观察的结果提出对比度临界有效值;最后通过自然实验验证分析结果的准确性与有效性。2 钢心铝绞线红外辐射模型2.1 辐射基本定律 一切温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量,电磁波波长不同,单色辐射力也不同。对于发射率为 1 的黑体,其单色辐射力可由普朗克定律计算得20:Eb=c1-5ec2/(T)-1(1)式中,Eb为黑体单色辐射力,W/(m2m);为辐射波长,m;T 为黑体热力学温度,K;c1为普朗克第一常数,c1=3.742108Wm4/m2;c2为普朗克第二常数,c2=1.438 8104mK。黑体全波长总辐射力 Eb根据斯特藩-玻尔兹曼定律求出20,如下所示:Eb=0Ebd=0c1-5ec2/(T)-1d=0T4(2)式中,0为 斯 特 藩-玻 尔 兹 曼 常 数,其 值 为5.6710-8W/(m2K4)。在红外热成像应用中,热像仪仅接收部分红外波段辐射力,不同红外探测器所对应的探测波段也不同,红外热像仪接收的黑体波段辐射函数如下20:Eb=21Ebd(3)式中,Eb为黑体波段辐射力,W/m2;1、2分别为红外探测器探测波长范围限值,m。工程中,实际物体辐射 E 与黑体辐射不同,相同热力学温度下,其比值定义为物体黑度或发射率20,即:=EEb(4)发射率与实际物体材质、组分、表明粗糙度、污秽度及温度等因素有关,其值测量过程复杂,一般选择在实验室进行取样检测或根据测量经验选择21。2.2 红外热像测温模型 钢心铝绞线一般由多层导线绞合而成,除最里层钢心为直圆柱导体外,其余各层均按一定螺距绞合,且相邻层之间绞合方向各异,如图 1 所示,为LGJ-240/30 钢心铝绞线实物截面图。图 1 LGJ-240/30 实物图Fig.1 Figure of LGJ-240/30 ACSR根据热辐射原理,当红外热像仪探测镜面平行于绞线轴线时,其辐射测温物理模型如图 2 所示,探测器镜头聚焦于绞线外层表面凸起中心(A)处。图 2 钢心铝绞线红外辐射测温模型Fig.2 Infrared radiation temperaturemeasurement model of ACSR图 2 中,i为绞线表面不同位置所对应的发射率;为大气透射率;T0为绞线表面实际温度;Ta为大气温度;Ts为绞线周围环境温度;Ei为绞线表面发射率为 i所对应区域的红外热辐射;Es为由绞线表面反射的环境辐射;Ea为红外热像仪接收到的大气辐射。图 2 中,红外热像仪接收的总热辐射为21:48 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期Eal=Ni=1iEi+1-Ni=1i()Es+(1-)Ea(5)式中,N 为绞线表面进入热像仪视场且具有相同发射率区域的数量,对于表面性质相同的物体,N=1,但对于图 2 所示的绞线,由于外层导线间接触位置存在复杂的辐射折反射,并且散热能力小于凸起面,使绞线表面发射率并不唯一。此外,绞线一般作为架空输电线路而长期暴露在室外,其表面难免存在不同程度的污秽与老化且不同位置的积污能力、老化程度亦有差异,进而使绞线表面发射率取值更多,即 N 1。为了消除上述差异性带来的影响,在使用热像仪拍摄绞线温度分布时,应仅选择某一固定位置作为观测点进行数据读取。本文中选择表面凸起中心(A 点)处为观测点。2.3 成像质量优劣判据及对比度表达式定义 对于红外热像图,实际应用中总希望其画面清晰,检测数据准确。由于架空输电线路表面发射率影响因素复杂,在使用红外热像仪拍摄时,无法为每一个测量单元设置对应的发射率21,因此只能选择某一个具有代表性的观测点作为研究对象。对于第 2.2 节所述的观测点 A,当导线已运行一段时间,可将其发射率设置为 IEEE 标准推荐的 0.822。又因为导线表面氧化、腐蚀等原因,其径向平均导热系数远小于单纯铝或钢股线导热率22,故导线通流升温后,外层绞线间接触缝隙(图 2 中 B 点)温度将受内层导线影响而明显大于上述观测点温度,这种温度差异将反映在热像图伪彩色上。对于松散的导线,接缝温度直接反映内层导线的温度,与外层温度差异将进一步扩大。因此,由导线径向温度差引起的伪彩色差异可作为红外图像质量的判据之一。此外,导体实际温度与环境温度的差异在热像仪图像上也有类似作用,而自然风可显著降低导体温升,减小这种差异,使图像可识别信息减少,质量降低。为了量化风速对红外热像质量的影响程度,可定义温度对比度以表征不同测点之间的温度差异比,反映图像的清晰度23。同一时刻、同一截面温度对比度 c(t)具体定义如下:c(t)=B(t)-A(t)B(t)-E(t)=1(t)2(t)(6)式中,A(t)为热像仪正对导线且观测点位于视场中心处时温度;B(t)为同截面观测点邻近的导线股间接触点处的最高温度;E(t)为环境温度;温度差 1(t)=B(t)-A(t),2(t)=B(t)-E(t)。钢心铝绞线红外对比度测点示意如图 3 所示。图 3 对比度测点示意图Fig.3 Contrast measurement points diagram对钢心铝绞线在实验室条件下进行热循环实验并使用红外热像仪拍摄温度场后,将导线载流量、环境风速与对比度进行拟合,即可得到三维函数表达式;再通过肉眼对图像的观测,确定能获得清晰热像图的合适对比度限值;最后通过自然实验验证表达式的准确性。3 风速对钢心铝绞线温升影响3.1 热平衡方程 钢心铝绞线在运行时,导体内部温度因焦耳热而逐步上升,但由于热辐射及热对流存在,其温度最终将趋于稳定,其稳态热平衡方程24为:P1+hS(Tw-T)=I2R(Tavg)+P2(7)式中,I 为载流量,A;R(Tavg)为股线平均温度下的导线阻值,;P1为辐射散热,W;P2为日照吸热,W;h 为导体表面平均对流换热系数,W/(m2K);S 为表面散热面积,m2;Tw为导体表面温度,K;T为环境温度,K。式(7)表明,绞线吸收的总热量一部分转化为自身温升,另一部分通过由热辐射及风场影响的对流换热散失。3.2 强迫对流准则关系式 当钢心铝绞线处于自然环境中,其表面温度受导线载流量、材料、运行年限、环境风速、温度、海拔及日照影响,对于状态确定的导线,风速对温度分布的影响所占比重极大8,因此有必要将其单独分析。假设外掠绞线的空气流场流速和方向稳定,并且忽略因各单股绞线绞合而形成的“花瓣”状截面,将导体视作圆柱体,其外表面符合强迫对流换热 A.Zhukauskas 准则关系式25。Nu=CRenPrmPrPrw()0.25(8)刘智勇,廖 乙,李艳飞,等.风速对钢心铝绞线红外测温图像质量影响研究J.电工电能新技术,2023,42(3):46-54.49 Nu=hl(9)Re=vl(10)式中,Nu 为努塞尔数;Re 为雷诺数;Pr 为普朗特数,20 下空气的 Pr=0.703,Prw为定性于柱体壁温的普朗特数;C、n、m 为与 Re、Pr 相关的常数,取值见表 1;l 为导体特征长度,m;为外部空气传热系数,20 条件下为 0.025 9 W/(mK);为空气运动黏度,m2/s;v 为外掠导线