红外测温技术在换流阀温度监测中的应用

李世平 吕海东 李煜鹏 肖 亚

（国网四川省电力公司特高压直流中心，宜宾 644600）

在现代电力系统中，换流阀作为核心组件，承担着调节电流流向和大小的重要任务。随着系统负荷的增加，换流阀在长时间运行中易受温度的影响，可能出现性能下降甚至故障。因此，准确监测换流阀的温度变化，对于确保电力系统的稳定运行和减少非计划性的维护成本具有重要意义。传统的温度监测方法虽然能够提供一定的数据支持，但是在实时性、准确性和非接触式监测方面存在限制。

红外测温技术作为一种非接触式温度测量方法，近年来在工业领域显示出巨大的应用潜力。该技术通过检测目标物体表面发出的红外辐射来测量温度，可实现远距离、高精度的温度监测。在换流阀的温度监测中，红外测温技术不仅能提供连续的温度数据，还能识别潜在的故障点，从而在问题发生前进行预防性维护。

本文旨在探讨红外测温技术在换流阀温度监测中的应用，分析其在不同工业环境中的性能表现，并评估其对提升电力系统稳定性和降低维护成本的间接作用。通过对比分析和案例研究，阐释红外测温技术在电力系统中的实际应用价值，为未来的技术优化和应用扩展提供参考。

1 红外测温技术概述

1.1 红外测温技术的原理

红外测温技术基于物体辐射能量的原理，即任何物体在高于绝对零度时都会发出红外辐射能量。这种技术利用红外传感器捕捉物体表面发出的红外辐射能量，并将其转换为温度值。传感器通常包含1 个光学系统和1 个检测器。其中，光学系统用于聚焦红外辐射能量，检测器用于将红外能量转换为电信号。电信号经过放大和处理后，可以转换为温度值。红外测温技术的关键在于准确测量辐射能量，并根据物体的发射率将其转换为温度读数。

1.2 红外测温技术的优势及局限

红外测温技术的主要优势包括非接触性测量、快速响应和避免干扰被测物体。非接触性测量使得该技术特别适用于检测高温、危险或难以接近的对象[1]。由于不需要与物体接触，红外测温技术可以在不影响或不改变被测物体状态的情况下进行测量。此外，红外测温技术能够快速响应和提供实时数据，这对于监控动态变化的工业过程至关重要。红外测温技术还允许扫描和监测较大区域的温度，可以快速识别异常热点，这对于预防设备故障和优化维护计划具有重要意义。

尽管红外测温技术具有显著优势，但也存在一些局限性，其中之一就是对物体表面特性具有敏感性。物体的发射率不同，会影响测量的准确性。例如，光滑的金属表面发射率低，难以准确测量其温度。环境因素如灰尘、烟雾或水蒸气，也可能干扰红外传感器的准确性。因此，需要根据具体应用环境调整设备和测量参数，以获得准确的读数。此外，高质量的红外测温设备通常成本较高，不适用于一些小型企业或低预算项目。

2 换流阀温度监测的重要性

2.1 换流阀的功能

换流阀在电力系统中具有调节和控制电流流向的作用，通常用于高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）系统。在HVDC 系统中，换流阀负责将交流电转换为直流电。

2.2 温度对换流阀的影响

温度对换流阀的性能和寿命有着直接影响。过高的温度会导致阀门内部的半导体材料性能退化，降低换流阀效率，增加故障风险。换流阀在不同温度下的性能如表1 所示。由表1 中的数据可知，当温度升高时，换流阀效率降低，故障率显著增加。因此，准确监测换流阀的温度至关重要，应确保其在最佳性能范围内运行。

表1 换流阀在不同温度下的性能

2.3 现有温度监测方法的问题

目前，换流阀的温度监测主要依赖于传统的热电偶或热阻式温度传感器。这些方法虽然能够监测温度，但是存在一些限制。首先，这些传统方法通常需要与被测物体直接接触，可能影响测量的准确性，并增加设备磨损[2]。其次，对于大型换流阀而言，这些方法难以实现全面覆盖，可能导致部分区域的温度变化未被及时发现。最后，这些方法在数据更新频率和实时监测能力上存在局限性，无法及时响应温度变化。

与传统方法相比，红外测温技术提供了非接触式的温度监测，能够实现更大的覆盖范围和更高的数据更新频率。红外测温可以快速识别并记录换流阀表面的温度分布，有效捕捉局部过热区域，这对于预防故障和优化维护策略至关重要。此外，红外测温技术的非接触性，减少了其对设备的物理干扰和磨损，有助于延长换流阀的使用寿命。因此，红外测温技术在换流阀温度监测中显示出巨大的应用潜力，能够提高电力系统的可靠性和效率。

3 红外测温技术在换流阀温度监测中的应用

3.1 应用方案设计

红外测温技术在换流阀温度监测中的有效应用得益于合理的方案设计。在方案设计过程中，选择适宜的红外摄像头和传感器至关重要。考虑换流阀在电力系统中的重要性，需要保证监测方案能够全面覆盖换流阀的每个关键部位。这不仅涉及对摄像头参数的选择，如分辨率和感应范围，还涉及摄像头在空间中的具体布局。摄像头的布局要充分考虑换流阀的物理尺寸、形状和所处的环境条件，确保能够从多个角度捕捉到准确的热图像。

在工业环境下，换流阀周围的环境因素包括温度、震动、灰尘和湿气等，影响红外摄像头的性能。因此，在设备选择上，需要着重考虑耐用性和在各种环境下的稳定性。此外，为了提高系统的灵活性和适应性，可以采用模块化设计，使得系统在未来可以根据需要进行调整或升级。

3.2 技术应用过程

红外测温技术的应用是一个包含多个阶段的复杂过程。首先，仔细评估换流阀及其周边环境，确定安装红外摄像头的最佳位置。评估内容不仅包括对空间布局的分析，还包括对潜在干扰因素的识别，如电磁干扰、环境光线变化等。确定安装位置是确保摄像头能够有效捕捉目标区域温度的关键环节[3]。

其次，精密地调试和优化系统。精确调整摄像头的焦距和角度，确保其可以捕捉到清晰的热图像。

最后，进行一系列的功能测试和校准工作，以验证系统的性能是否符合预期。测试包括设备的硬件性能测试和软件的数据处理能力验证。

3.3 数据收集与处理

在换流阀的实时监测中，红外摄像头的作用不仅仅是捕捉热图像，更重要的是将热图像转换成温度数据。这些数据能够实时反映换流阀表面的温度状况，为维护人员提供实时反馈。例如，在一个典型的监测周期内，系统会记录到换流阀表面温度随时间的变化趋势。这种趋势的监测对于及时识别过热问题至关重要，有助于预防因温度异常导致的设备故障。

使用专用的分析软件处理收集到的数据。分析软件能够快速分析大量温度数据，识别出温度异常和潜在的故障。它通常具备强大的数据处理能力，能够生成详细的报告和图表，帮助维护人员更好地了解换流阀的运行状态。此外，软件还包含预测性维护工具，可以基于历史数据和实时数据预测未来可能出现的问题。

将红外测温技术应用于换流阀温度监测，能够为电力系统的运行和维护提供全面、实时且准确的温度信息。这不仅提高了设备的运行效率和安全性，还有助于降低维护成本，预防因温度异常导致的故障。

4 案例分析

4.1 具体案例

在针对换流站的红外测温监测项目中，选取位于山区的一座重要换流站作为研究对象。该站地理位置特殊，环境温度变化大，给换流阀的温度控制带来了较大挑战。通过部署红外测温系统，实时监测换流阀的运行温度，并与传统的接触式温度测量方法进行对比。结果显示，红外测温技术能够更快地反映温度变化，且无须直接接触换流阀，有效减少了维护风险和成本。在夏季高温期间，红外测温技术成功预警了数次可能导致设备过热的情况，为及时调整运行状态和保护设备安全提供了可靠依据。

4.2 应用成果分析

案例中，红外测温技术在换流阀温度监测方面显示出了显著优势。通过详细分析红外测温装置收集到的数据，能够更准确地了解换流阀在不同工作条件下的温度表现。在高负荷条件下监测特定换流阀的温度变化，结果如表2 所示。

表2 高负荷条件下换流阀温度变化

从表2 可以看出，在高负荷运行期间，换流阀的最高温度逐渐上升，平均温度也呈现上升趋势。在2023 年6 月5 日，换流阀的最高温度达到52 ℃，远超正常运行的温度范围。该温度峰值出现在15：10，可能是因为日照强度和电网负荷增加。

通过红外摄像头采集的数据，可以观察到换流阀表面某些区域的温度显著高于其他区域。这种不均匀的温度分布提示换流阀可能存在潜在的硬件问题，如散热不良或内部元件损坏等。这些发现为变电站的维护人员提供了宝贵的信息，通过及时进行有针对性的维护和修复，避免了更严重的故障发生。此外，长期的数据分析揭示了温度变化的季节性模式，有利于维护人员优化季节性维护计划和冷却策略[4]。

通过上述分析，可以看到红外测温技术在实时监测和预防维护方面具有巨大的潜力。它不仅提高了换流阀的运行可靠性，还有助于减少由温度异常带来的停机时间和维护成本。

5 技术改进与展望

5.1 当前技术的局限性

虽然红外测温技术在换流阀温度监测中显示出显著优势，但是也存在一定局限性。首先，红外测温设备受环境因素影响较大，如灰尘、湿度和其他阻碍视线等因素可能会影响测量准确性。其次，对于表面具有高反射性的物体，如金属，红外测温设备可能会受到表面反射的影响，导致读数有偏差。最后，红外测温技术主要测量物体表面的温度，并非内部温度，一定程度上限制了其在某些场景中的应用。

5.2 改进建议

针对这些局限性，未来可以在如下方面进行技术改进。首先，研发更先进的传感器，以提升红外测温设备对复杂环境和不同材料表面的适应性。例如，开发能够自动校准和补偿环境干扰的智能传感器。其次，与其他类型的监测设备相结合，如热电偶传感器或光学纤维传感器，以提供更全面的温度监测功能。最后，利用数据融合技术和人工智能算法，更深入地分析收集到的数据，从而提高预测维护的准确性和效率。

5.3 未来发展趋势

未来，红外测温技术在工业领域中的作用将进一步深入。随着传感器技术的进步和应用成本的降低，将有更多工业设施采用红外测温技术来提高设备的运行效率和安全性。在智能制造和工业4.0 的背景下，结合物联网技术的红外测温系统将提供更加智能和自动化的监测解决方案。此外，随着人工智能和机器学习技术的发展，温度数据的分析和红外测温技术的应用将更加高效和精准，从而为预防性维护和资源优化提供强大的支持[5]。

6 结语

深入探讨和分析红外测温技术在换流阀温度监测中的应用，突出了该技术在提高电力系统运行稳定性和效率方面的重要作用。通过案例研究，证实了红外测温技术在实时监测温度变化、提前识别潜在故障点以及优化维护计划上的有效性。尽管存在一些技术和环境的限制，但通过不断的技术改进和创新，红外测温技术有望在未来的工业领域中发挥更大的作用。总体来说，红外测温技术在现代工业领域中具有巨大的潜力和重要的价值。