基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测.pdf

无损检测2023年第45卷第8 期731y试验研究DOI:10.11973/wsjc202308014基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测李波,陈俊卫,刘卓毅,白洁,樊磊,张聪，郭举富，江海军（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳550 0 0 2；2.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海口57 0 2 0 3；3.贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵阳550 0 0 8)摘要：为解决输变电设备外绝缘表面防护涂层质量检测难题，基于锁相红外热成像技术，自主研制了一款锁相红外热成像设备并进行检测试验。研制的系统采用LED(发光二极管)作为热激励源，具有启动时间短、寿命长、加热更均匀等优点。经试验验证，该锁相红外热成像系统可检测出防护涂层内部异物、防护涂层不均匀等问题，同时可以实现防护涂层厚度的测量，有望为防护涂层质量检测提供一种新方法。关键词：锁相红外热波成像；防护涂层；涂层厚度；LED激励中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 8-0 0 7 3-0 6Quality detection of protective coating for power equipment based on lock-in infrared thermograplLI Bo,CHEN Junwei,LIU Zhuoyi,BAI Jie,FAN Lei,ZHANG Cong ,GUO Jufu,JIANG Haijun(1.Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China;2.Electric Power Research Institute of Hainan Power Grid Co.,Ltd.,Haikou 570203,China;3.Guiyang Power Supply Bureau of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550008,China)Abstract:In order to solve the problem of protective oating on the external insulation surface of powertransmission and transformation equipment,lock-in infrared thermography was used for testing.We independentlydeveloped a lock-in infrared thermography device LED as thermal excitation source ha the advantages of short start-up time,long service life,uniform heating.The experimental results showed that the phase-locked infrared thermalwave imaging system can detect the internal foreign matter and uneven protective coating,and the thickness ofprotective coating can be measured.It verified the reliability of lock-in infrared thermography technology for thequality inspection of protective coating,and provided a new method for the quality inspection of protective coating.Key words:lock-in infrared thermography;protective coating;coating thickness;LED excitation输变电设备外绝缘故障是影响设备安全性和运行可靠性的主要因素之一1，近年来输变电设备主要采用喷涂防护涂层方法，防护涂层在喷涂过程中，收稿日期：2 0 2 2-1 0-1 4基金项目：南方电网重大科技专项“高腐蚀环境下电网输变电设备腐蚀机理及防腐延寿关键技术研究与应用示范”作者简介：李波（1 97 0 一），男，本科，高级工程师，主要研究方向为电网设备无损检测、电力设备腐蚀控制、电气与电工材料通信作者：江海军（1 98 8 一），男，硕士，主要研究方向为红外无损检测技术及图像处理，会不可避免地出现漏涂、少涂、堆积、流渍、气泡等涂层质量问题。此外，暴露在户外的设备受环境影响也会出现涂层老化、缺陷等问题2 。当防护涂层喷涂厚度不足、杂质气泡过多或出现老化时3，会引发起皮、龟裂、脱落等不同程度的损伤，降低防护憎水性，增加设备表面积污4-5。对防护防污涂料喷涂施工质量进行有效的检测控制、对长期运行出现老化的防护涂层进行性能修复，对保障输变电设备绝缘子安全可靠运行、预防污闪事故具有重要意义。输变电设备外绝缘表面方式主要为防护涂层的无损检测2023年第45卷第8 期74基于锁相红外热成像技术的电力防护涂层质量检测季波，等：主要检测方法为涂层厚度抽检和外观检查，难以实现量化检测及精细化管理。对于已喷涂防护涂层的服役设备，防护涂层的质量检测只能依靠肉眼观察或者断电的方法进行憎水性检测，但其存在时效性不强、效率低等问题。近年来，大量经过防污改造过的输变电设备防护涂层已开始进人老化阶段6 ，国内运维单位一般需采取繁琐的清理、复涂方法。红外热成像技术作为一种无损检测技术7-9，具有非接触、单次检测面积大、直接成像、检测速度快等优势。红外热成像技术根据热激励方式不同分为脉冲法1 0-1 2 和锁相法1 3-1 6 ,与脉冲红外热成像技术相比，锁相红外热成像技术具有热激励强度低、对表面发射率变化不敏感、抗反射干扰、对表面防反射要求低等优势。锁相红外热成像技术在涂层测厚上的独特优势已被许多国外学者证实1 7 。笔者利用研制的锁相红外热成像设备对变电设备的涂层进行检测，结果表明，该系统可检测出防护涂层内部异物、防护涂层不均匀等问题，同时可以实现防护涂层厚度的测量。1检测原理锁相红外热成像技术采用的热源为周期性热源，热源包括红外灯、卤素灯、激光、LED（发光二极管）等光源，热源以周期性激励的方式照射在试件表面。热激励源一般是以正弦或余弦的形式变化，试件表面温度也会随着热激励源的周期性变化而变化，与热激励源之间存在一个相位差；通过红外热像仪采集试件表面温度信号，组成红外序列图像，再采用傅里叶变换或者相关函数法对红外序列图像进行处理，提取与热激励频率相关的振幅和相位信号，从而可以构成振幅和相位图像。当试件内部存在缺陷或者厚度不均匀时，提取到的振幅和相位将产生差异，通过检测振幅和相位差异的变化即可实现试件内部的缺陷检测或厚度测量。锁相红外热成像技术原理如图1 所示，热像仪控制处理系统JLLLL同步触发器卤素灯/红外灯样品图1锁相红外热成像技术原理示意2数据采集与处理方法2.1数据采集方法锁相红外热成像技术使用的是周期性热激励源，一般为单个频率（即锁相频率），采用锁相的方式将与锁相频率相同的信号从噪声信号中提取出来，以有效提高信噪比。锁相周期一般设置为3 5，检测时使用信号发生器确保热激励和采集之间的同步，即热激励开始的瞬间同步进行采集；热激励前需先采集试件的背景图像，以便在处理红外图像序列时减去背景图像。锁相红外热成像图像采集过程示意如图2 所示背景开始采集多周期采集时间结束采集周期性热激励图2锁相红外热成像图像采集过程示意根据试件材料与缺陷深度的不同，需要采用不同的锁相频率，一般采用仿真或者试验来确定锁相频率。热激励源中，卤素灯和红外灯热启动时间长，加热不均匀，同时调制时需要附加功率控制器，增加了设备集成的复杂度，故文章采用LED灯替代卤素灯或红外灯。LED灯具有热启动快，光源均匀性好的优势，采用LED阵列方式可满足试验对热激励均匀性和总功率的需求，采用风冷或水冷系统对LED灯进行散热可延长其持续工作时间。2.2数据处理方法锁相法采用周期性热激励源，其余弦调制热激励源密度为1q(t;29(1+cos(2元/)(1)式中：q。为热激励源峰值强度；f为热激励源频率，即锁相频率。采用周期性的热激励源加热试件表面，试件表面的每一个点都会产生与锁相频率相同的周期性信基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测季波，等：号 T(t),即T(t)=Acos(2元f+)（2)式中：A为信号幅度；为相位。在实际试验中，信号一般都存在噪声干扰，有用信号为T（t），噪声信号为N（t），则采集到的信号变化为X(t)=T(t)+N(t)(3)采集信号X（t)在锁相频率f下的参考余弦信号S。（t)和正弦信号S,（t)分别为S(t)=cos(2元ft)(4)S,(t)=sin(2元ft)(5)红外热像仪的顿频有限，在采集过程中相当于将温度信号离散化，红外热像仪的采集顿频为。，则单个周期采集的顿数N=fs/f,取m个周期，采集次数M=mXN,采集到的信号序列X（n）为2元X(n)=Asinp)+N(n),Nn=0,1,2,.,M-1(6)对式（6)进行相关函数法运算，将采集到的信号与正弦信号、余弦信号进行点乘，得到R。和R。信号，即AR.(t)cos(2元ft+)(7)12AR,(t)sin(2元ft+)(8)2采用式（7），（8）进行相关操作可以滤除与锁相频率无关的噪声信号，得到振幅和相位信息，即A=2VR?+R?(9)R。g=arctanR(10)红外图像分辨率为40 0 像素3 0 0 像素（长X宽），对图像中每一个像素点都进行上述操作，可以得到振幅值和相位值，进而得到振幅图像和相位图像。与脉冲红外热成像技术相比，锁相红外热成像技术仅输出两张图像，利于后续图像分析和判断。锁相分析过程中以单一频率的余弦波进行分析，试验系统中采用方波信号进行代替，假设方波热源功率为P(t),对 P(t)进行傅里叶变换,进一步得到P。P(t)2222Psinzt-sin3wtsin5wt+(11)3元一元5元式中:w=2元f。从式（1 1）可以看出，采用方波热激励可以等效于直流热源和频率为f，3 f,5f，的交流热源加热，在锁相过程中，直流成分会被抑制掉，仅需要考虑频率为f,3f,5f，的交流成分对结果的影响，且倍频后信号的强度下降速度很快，因此频率为3f5f，的交流信号比频率为f的信号微弱得多；另一方面，用方波代替余弦热激励源可以降低系统热激励源的复杂度，制作标准的余弦热激励源会增加系统复杂度。锁相红外热成像技术采用的是周期性的热激励源，那么试件表面采集到的温度信号也是周期性的信号，试件表面温度信号示例如图3 所示。图3 中蓝色实线为试件表面周期性的温升信号，信号已经减去了背景信息，仅考虑温升；红色虚线为温升信号的直流成分，绿色虚线为原始温升信号减去直流成分后的信号。该曲线采用的是右边坐标轴；其通过相位相关的方法对噪声进行抑制，提取单频热波响应信号，针对性更强，更容易发现试件内部的微小缺陷。17.53015.02512.52010.0157.5105.0原始温升2.55拟合温升原始温升-拟合温升0.0550100150时间/s图3试件表面温度信号示例红外热像仪采集和LED热源激励同步是实现数据采集的关键技术，两者不同步会导致采集数据出现偏差，进而使得后续的振幅和相位图像出现偏差。因此，有必要采用同步采集技术，精确采集到热激励一开始的图像数据。3试验系统锁相红外热成像设备为一款自主研制的红外无损检测设备，该系统包括激励头、冷却系统、图像处理和控制系统等部分，激励头由红外热像仪、LED激励系统组成，LED激励系统采用水冷冷却。锁相红外热成像设备实物如图4所示，该设备集红外图像采集、锁相热激励源控制、红外序列图像处理与分析于一体。红外热像仪为非制冷热像仪，探测波长752023年第45卷第8 期无损检测无损检测2023年第45卷第8 期76基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测季波，等：红外热像仪LED阵列图像处理和控制系统激励头内部激励头冷却系统图4锁相红外热成像设备实物为8.0 1 4.0 m，分辨率为40 0 像素3 0 0 像素（长X宽），噪声等效温差小于50 mK；热激励源为LED阵列，功率为6 0 0 W；系统采用相关函数法对红外图像序列进行处理。锁相红外热波无损检测系统构成如图5所示。锁相红外热成像设备根据系统功能分成多个子系统，包括热像仪系统、数据采集系统、锁相系统等，其系统构成如图5所示。4防护涂层检测结果为了验证锁相红外热成像技术检测效果，笔者采用研制的锁相红外热成像设备对防护涂层内部异物、防护涂层不均匀、防护涂层厚度进行了检测11数据采集热像仪系统锁相系统1系统数据采数据存储数据显示温度控制锁相频率锁相周期集电路模块模块11温度控制低噪声放大触发控制电源管理电路电路模块模块占空比能量控制数据采集控数据通信接FPGA模块1RS232串口制模块口模块红外热像仪同步模块RTV激励锁相红外热波无损检测系统RTV防污闪涂料）涂图5锁相红外热成像系统构成4.1防护涂层内部异物检测制作了一组防护涂层内部异物人工试件，试件基板为瓷砖见图6（a)。在瓷砖上面放置5个异物，然后涂上一层均匀涂层并静置1 2 h，涂层面积为1 50 mm120mm（长宽），涂层厚度约为0.2mm见图6（a)。采用便携式锁相红外热成像设备进行检测，锁相频率为0.3 2 Hz，LE D 激励源功率设置为1 0 0%，检测结果如图6（c)所示，可见5个异物缺陷全部可见，涂层基本均匀。4.2防护涂层不均匀检测制作了一组防护涂层不均匀的人工试件，试件基板为瓷砖，在瓷砖上面涂上一层不均匀的涂层，静置1 2 h，涂层面积为1 50 mm120mm（长宽），涂层厚度为0.1 0.2 mm。采用便携式锁相红外热成像设备进行检测，锁相频率为0.3 2 Hz，LE D 激励源功率设置为1 0 0%，检测结果如图7(b)所示，图中可以清晰看出涂层的不均匀。4.3防护涂层厚度测量在9mm厚的瓷砖正面喷涂9块面积基本相等约3 0 mmX10mm（长宽)，厚度不同的防护涂层，涂敷不同厚度涂层的瓷砖光学图像如图8 所示，防护涂层厚度从右到左依次递增0.1 mm，为0.2 1.0 mm。涂层表面温度跟随周期性热激励变化而变化，检测时，进行傅里叶变换后可以得到不同涂层厚度无损检测2023年第45卷第8 期77图9不同锁相频率下防护涂层的相位图像李波，等：基于锁相红外热成像技术的电力设备防护涂层质量检测（a）刷涂层前光学图像（b）涂层后光学图像(c)检测图像图6防护涂层内部异物检测结果（a）涂层前光学图像(b)检测图像图7防护涂层不均匀检测结果图8涂敷不同厚度涂层的瓷砖光学图像的相位图，不同的锁相频率可以获得不同的相位信息。对不同锁相频率进行试验，得出0.3 2 Hz频率效果最佳，因此选择0.3 2 Hz附近的3 个频率，即0.16,0.32,0.64Hz，对上述不同厚度的防护涂层进行检测，得到的防护涂层相位图像如图9所示。从图9可以看出，锁相频率为0.3 2 Hz时，红外相位图像最清晰，分辨率最高。不同锁相频率下防护涂层厚度-相位曲线如图1 0 所示，可以看出，锁相频率为0.3 2 Hz时，可以分辨出0.2 1.0 mm防护涂层厚度；锁相频率为0.1 6 Hz和0.6 4Hz时，从相位曲线无法有效分辨出0.2 1.0 mm厚度的防护涂层。(a)锁相频率0.1 6 Hz(b）锁相频率0.3 2 Hz(c)锁相频率0.6 4 Hz-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4-1.6$0.16Hz-1.8-0.32Hz-0.64 Hz-2.00.20.40.60.81.0RTV涂层厚度/mm图1 0不同锁相频率下防护涂层厚度-相位曲线从不同锁相频率防护涂层厚度-相位曲线可以看出，防护涂层厚度与相位值基本符合线性关系。对其进行4阶多项式拟合，拟合结果如图1 1 所示，-0.8-1.0pe/-1.2-1.4-1.60.20.40.60.81.0RTV涂层厚度/mm图1 1防护涂层厚度拟合曲线无损检测2023年第45卷第8 期78欢迎订阅欢迎网欢迎刊登投稿基于锁相红外热成像技术的电护涂层质量检测季波，等：可见两者呈线性相关，即可通过相位值求出防护涂层厚度值。5结语针对输变电设备外绝缘表面涂覆防护涂层质量的锁相红外热成像检测，自主研制了一款锁相红外热成像设备，通过该设备对人工制作的3 种试件进行检测。检测结果表明，锁相红外热波成像系统可以检测出防护涂层内部异物、防护涂层不均匀，且可以实现防护涂层厚度的测量，为电力防护涂层检测提供了一种新方法。参考文献：1于霞，张卫民，邱忠超，等.航空发动机涡轮叶片裂纹检测信号特征提取.兵工学报，2 0 1 4,3 5（8)：1 2 6 7-1 2 7 4.2汪政，黄振，彭向阳，等.复合绝缘子护套-芯棒界面异常老化特征及原因分析J.绝缘材料，2 0 2 2,55（3）：1 1 2-1 1 8.3高海峰，贾志东，关志成.运行多年RTV涂料绝缘子表面涂层老化分析研究J.中国电机工程学报，2 0 0 5,2 5（9)：158-163.4李星.RTV涂层损伤对绝缘子交流污闪特性的影响研究D.重庆：重庆大学,2 0 1 5.5陈龙，汪政，罗义，等.运行复合绝缘子表面憎水特性及微观结构研究J.绝缘材料，2 0 2 0,53（4）：1 9-2 6.6毕晓甜，高嵩，刘洋，等.江苏地区不同年限绝缘子RTV涂层运行性能分析LJ.电瓷避雷器，2 0 2 0（5）：2 1 9-2 2 4.7魏嘉呈，刘俊岩，何林，等.红外热成像无损检测技术研究发展现状J.哈尔滨理工大学学报，2 0 2 0，2 5（2）：6 4-7 2.8轩军厂，丛广佩，路笃辉，等.红外热波技术在海上设备涂层维护中的应用刀.石化技术，2 0 1 8,2 5（1 1)：96-98.9江海军，陈力，苏清风，等.激光扫描热波无损检测技术在航空发动机涂层中的应用J.无损检测，2 0 1 8，40（8）：15-19.10孙昊.涂层材料的红外脉冲热波检测与试验研究D.锦州：辽宁工业大学，2 0 1 3.11周杨，蔡静.脉冲红外热波检测技术的影响因素分析门.红外,2 0 1 7,3 8(1 1):2 7-3 3.12金玫秀，朱士虎，王通，等.基于卤素灯激励的红外热成像裂纹无损检测研究.红外技术，2 0 2 2,44(4)：42 1-42 7.13江海军，陈力.锁相热波成像技术对涂层厚度的测量.无损检测，2 0 1 7,3 9(4)：3 8-41,48.14刘俊岩，戴景民，王扬.红外锁相法热波检测技术及缺陷深度测量.光学精密工程，2 0 1 0,1 8(1)：3 7-44.15葛丽，秦雷，朱军辉，等.吸波涂层缺陷的锁相法红外检测J.宇航材料工艺，2 0 1 4，44（4)：8 1-8 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