红外检测技术初探.doc

红外检测技术初探
邵必飞
（兰州供电公司，甘肃 兰州 730050）
摘 要 本文对红外技术的基本工作原理，红外检测设备种类及其特性比以及红外诊断技术的故障判别方法进行讨论，对影响红外诊断的因素进行了分析并提出了解决对策，并从实际应用角度出发对高压设备易发生故障部分进行了实例判断及因素分析。
关键词 红外检测 高压设备 故障诊断

1 前 言
随着社会经济的不断发展和进步，发供电的安全性及可靠性具有极为重要的作用。然而，电力系统的设备是处在高电压、大电流、高温的工作状态下，同时还受到日晒、雨淋、潮湿、长期连续运营等恶劣运营环境和条件的损害。并且电力生产从发电、输电、变电到用电环节繁多所涉及和使用的设备数量庞大。因此设备经常容易发生故障缺陷甚至形成事故。为了保证电网的安全可靠运营，必须大力开展设备的故障检测和故障诊断，特别是在线形式故障诊断技术。而红外检测具有远距离、不断电、不接触、不解体等特点，给电力系统电气设备状态检测提供了一种先进手段，但是目前我国对带电设备的检测经验还较少，缺少完备的国家标准。为此，本文对红外检测技术的基本原理及及故障判别方法进行了探讨，同时结合实际实验情况对带电设备缺陷情况进行了分析。
2 红外检测技术基本原理
红外技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时，这种红外线辐射都载有物体的特性信息，这就为运用红外技术探测和判别各种被测目的的温度高低与热分布场提供了客观的基础。
红外线是波长在0.76～1000μm之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在磁波连续频谱中的位置是处在无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射在真空中的传播速度
C＝m/s
cm/s
红外辐射的波长

式中：C:速度
：波长
：频率
红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不断的辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。其中黑体频谱辐射能流密度对红外辐射波长的关系，根据普郎克定律：
（瓦·厘米·微米）

式中：
—波长，热力学温度为T时，黑体的红外辐射功率。
—光速度（cm/s）
—第一辐射常数=（瓦厘米微米）
—波长（微米），T热力学温度（K）温度辐射的能量密
度峰值相应的波长，随物体温度的升高波长变短。
根据维思定律：（μm）
式中：
—峰值波长，单位：μm
T—物体的绝对温度单位K
物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。物体红外辐射的总功率对温度的关系，根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：
P=（W/）
式中：
T—物体的绝对温度
P—物体红外辐射功率（辐射能量）
—物长表面红外发射率（辐射系数）
R—斯蒂芬—波尔兹曼常数（J/K）
物体表面绝对温度的变化，使的物体发热功率的变化更快。物体产生的热量在红外辐射的同时，还形成物体周边一定的表面温度分布场这种温度分布场取决于物体材料的热物性，物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热互换。
通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一相应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统解决，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。
红外线辐射的特点，除了具有电磁波的本质特性外，还同时具有两个重要的特性。
其一，物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反比。温度越高，辐射的波长越短；温度越低，辐射的波长越长。
与红外线辐射峰值波长相应的温度见表。
表1—1与红外线辐射峰值波长相应的温度
类别
峰值波长范围 μm
温度 ℃
近红外
0.76～1.5
3540～165
中红外
1.5～15
1658～-80
远红外
15～750
-80～-269
极远红外
750～1000
-269～-270

因此，物体红外辐射的能量大小及波长分布与表面温度有十分密切的关系。
根据红外线辐射的这一特性，通过对被测物体红外辐射的探测，便能实现对目的进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。
其二，红外辐射电磁波在大气中传播要受到大气的吸取而使辐射的能量被衰减，但空间的大气、烟云对红外辐射的吸取限度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（2～2.5μm）, （3～5μm）及（8～14μm）的三个区域相对吸取很弱,红外线穿透能力较强,透明度较高,这三个区域被称之为“大气窗口”, “大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中由于大气、烟云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸气等物质的分子具有强烈吸取作用而被迅速衰减，运用红外辐射中“大气窗口”的特性，使红外辐射具有了夜视功能，并能实现全天候对目的的搜索和观测。
3 红外检测设备种类及其特性比
红外辐射的探测是将被测物体的辐射能转换为可测量的形式，对被测物体的热效应进行热电转换来测量物体红外辐射的强弱，或运用红外辐射的光电效应产生的电性质的变化来测量物体红外辐射的强弱，由于电量的测量最方便、最精确，因此一般红外辐射的探测总是把红外辐射量转换成电量进行测量，而红外辐射的探测是通过红外探测器来实现的。红外探测器种类繁多，根据不同的功能已覆盖整个红外波段，按其性质可分为两大类：其一是依据物体辐射特性进行测量和控制，其二是依据材料的红外光学特性进行分析和控制。目前，我国电力行业所使用的红外探测器可分为红外测温仪、红外热电视、红外热像仪三种，以下是三种红外设备的基本工作原理及其性能比：
3.1红外测温仪的基本工作原理
红外测温仪的基本原理是将目的的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通过红外滤光片进入探测器，探测器将辐射能转换成电能信号，经放大器放大电子电路解决，由液晶显示器显示出被测物体的表面温度。
3.2红外热电视的基本工作原理
红外热电视是通过热释电摄像管（PEV）接受被测目的物体的表面红外辐射，并把目的内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号,最后经信号放大,解决由屏幕显示出目的热图像。
3.3红外热像仪的基本工作原理
红外热像仪是运用光学系统收集被测目的的红外辐射能，经光谱滤波、空间滤波、使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，运用光学系统与红外探测器之间的光机扫描机构对被测物体红外进行扫描，由探测器将红外辐射能转换成电信号、经放大解决转换成标准视频信号通过电视屏显示红外热像。
3.4三种红外检测设备的特性比
我国目前所使用的红外检测设备性能比较见表。
表3-1红外诊断设备的种类与特性
机型
重要技术特点
红外热像仪
光机扫描式
可稳定成像，具有彩色、定格、图像分析功能，测温准确。
图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频良好。
适合外部、内部故障诊断。
焦平面式
可稳定成像，测温准确。
图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频性能好，功能十分强大。
适合外部、内部故障诊断。
红外热电视
平移式
工作时必须不断摇动摄像机。
平移有严重拖尾信号失真。
图像质量较差、测温误差较大，无彩色、定格、图像分析功能。
适合查找接头过热，但不适合内部故障诊断。
瞬变式
平移时仍有拖尾，但瞬变工作时无拖尾。
图像质量略有改善，本机有彩色、定格、图像分析功能。
适合查找接头过热，也可用于简朴的内部故障诊断。
折波式
工作时无须摇动摄像机即可稳定成像。
完全无拖尾，图像质量好、测温准确。
有较强图像分析功能及彩色、定格、图像存储功能。
适合外部、内部故障诊断。
红外测温仪
激光瞄准式
不能成像、只能测温、功能简朴。
只能用于接头过热故障的监视和初略查找。
光学望远瞄准式
不能成像、只能测温、功能简朴。
只能用于接头过热故障的监视和初略查找。

4 红外检测技术故障诊断方法
4.1表面温度判断法
在对设备表面温度进行判断时,可将所测表面温度值,对照《交流高压电器在长期工作时的发热》(GB763-90) 3.2条的有关规定，凡是温度（或温升）超过标准的可根据设备温度超标的限度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来拟定设备的缺陷性质，特别是对在小负荷率下温度超标或设备承受机械应力较大的设备应当严格对待。
4.2相对温差判断法
4.2.1对电流致热型设备,若发现设备的导流部分热像异常,可按相对温差公式算出相对温差值,同时按表4—2的规定判断设备缺陷的性质。
相对温差可用下式求出：
％％
式中：和—发热点的温升和温度
和—正常相相应点的温升和温度
—环境参照体的温度
表4—2 部分电流致热型设备的相对温差判据
设备类型
相对温差值％
一般缺陷
重大缺陷
视同紧急缺陷
SF6断路器
≥20
≥80
≥95
真空断路器
≥20
≥80
≥95
充油套管
≥20
≥80
≥95
高压开关柜
≥35
≥80
≥95
空气断路器
≥50
≥80
≥95
隔离开关
≥35
≥80
≥95
其他导流设备
≥35
≥80
≥95
4.2.2对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备，可增大负荷电流后进行复测，以拟定设备缺陷的性质。
4.3同类比较法
4.3.1在同一电气回路中,当三相电流对称和三相设备相同时,可以比较三相电流致热型设备相应部位的温升值,即可判断设备是否正常。若三相设备同时出现异常，可与同回路的同类设备比较。但当三相负荷电流不对称时，则应当考虑负荷电流的影响。
4.3.2对于型号规格相同的电压致热型设备,可以根据其相应点温升值的差异来判断设备是否正常。电压致热型设备的缺陷适合用允许温升或同类允许温差的判断依据来拟定。在一般情况下，同类温差超过允许温升值的30％时，应定为重大缺陷。但当三相电压不对称时，则应当考虑工作电压的影响。
4.4热图谱分析法
在对温度异常设备进行缺陷判断时，可根据同类设备在正常状态和异常状态下的热像图的差异来判断设备是否正常。
4.5档案分析法
可以根据实验报告来分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热像图），找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。
5 影响红外诊断的因素及解决对策
5.1大气吸取的影响
由于大气中的水蒸气、二氧化碳 、臭氧、氧化氮、甲烷、一氧化碳等气体分子有选择性地吸取一定波长的红外线，红外线辐射在传输过程中总会受到一定的能量衰减，从而导致测量的误差。因此，在室外进行红外测温诊断时应在无雨无雾，空气湿度最佳低于75%的环境条件下进行。
5.2大气尘埃及悬浮粒子的影响
由于大气尘埃的悬浮粒子可以吸取红外能量并重新辐射出去的同时改变了红外辐射的方向和辐射的偏振度，从而影响测量的精确度。因此，红外诊断应在无尘或空气较清新的环境条件下进行。
5.3风力的影响
在风力较大的环境下，由于受风速的影响，存在发热缺陷的设备热量会被风力加速发散，使得设备的散热系数增大，从而使缺陷设备的温度下降。因此，在室外进行红外测温诊断时应在无风或风力很小的条件下进行。
5.4太阳光的影响
当被测电气设备处在阳光辐射下时，由于阳光的反射在3～14μm波长区域这与红外仪器设定的波长区域相同而极大地影响仪器的正常工作和准确判断。所以红外测温应当选择在没有阳光的天气条件下进行。
5.5被测物体距离和邻近物体热辐射的影响
当被测物体的距离太远时，仪器接受到的红外辐射能减少，从而对温升小的设备检测存在一定的误差。因此在现场测试工作中应当尽量避免由于被测物体距离太远而导致的测量误差。
当环境温度比被测物体的表面温度高很多或低很多时，或被测物体自身的辐射率很低时，邻近物体的热辐射的反射将对被测物体的测量导致影响。
6 高压设备热故障实例以及因素分析
电力设备的热故障重要分为外部故障和内部故障两大类型,外部故障重要是各种电气引流的裸露接头,涉及高压设备或线路中的连接件由于压接不良、或因受到氧化、腐蚀及灰尘的影响，或因材质不良和加工、安装工艺的问题、或冲击负荷、机械振动等因素导致的接触电阻增大而出现的局部过热等。而设备内部故障的生成因素有内部导流接点接触不良导致的过热缺陷，有内部绝缘材料受潮、老化引起介损值增大导致的发热缺陷，有油浸设备缺油导致的发热缺陷，有电导电流变化或内部绕组局部短路，磁路的局部故障导致的热缺陷等。以下是不同设备发生热故障实例及因素分析。
6.1隔离刀闸与导线连接件接触不良导致的热缺陷
2023年10月18日我们在古城变红外测温时发现3502丙刀闸母线侧引流线C相与刀闸连接处设备线夹温度为140℃，A、B相温度均为27℃（当时运营电流是320A），并且发现C相引流线有断股和散股现象，并且引线接头处有烧伤发红痕迹，属设备过热故障缺陷，紧急停电解决发现C相导线有2根已烧断，多根导线已烧伤和散股，随时有将导线烧断的也许。（古城变2#主变最大运营电流可以达成400A）
6.2 T型线夹由于氧化腐蚀导致的热缺陷
2023年5月25日我们在华林变进行红外测温发现1115乙刀闸乙母侧T型线夹A相：265.7℃、B相：16.8℃、C相：16℃，经停电解决后检查发现线夹由于氧化腐蚀使接触电阻变大，导致局部发热缺陷。由于发现解决及时，避免了事故。
6.3隔离刀闸触头接触不良的过热缺陷
2023年7月31日我们在220KV建设坪变电站进行红外测温时发现2214旁刀闸触头发热A、B、C三相温度分别103℃、100℃和106℃，当时环境温度为31℃触头发热点外表无异常变化，经用令克棒将80℃试温蜡片触接触头部位发现蜡片冒烟熔化，判断为故障缺陷，经停电解决发现发热的3只刀闸触头的压力弹簧断裂或退火已失去弹性而导致接触不良引起严重过热。
6.4电缆头出线接头接触不良产生的过热缺陷
2023年6月11日焦家湾变112出线电缆001#杆电缆头A相严重过热温度高达298℃，B相为23.8℃、C相为23℃，现场观测电缆头已变色，检修人员立即进行停电解决，对电缆头进行重新包扎，避免了因电缆头起火而引起的事故。
6.5避雷器内部绝缘不良的发热缺陷
2023年3月20日我们在龚家湾变测温发现1#主变220KV侧避雷器上节（型号：FCZ3—220，西安生产），B相避雷器从上往下第六裙处局部有明显发热现象,三相温度分别为A相13.49℃、B相19℃、C相13.43℃，随后对该避雷器退出运营,解体发现该避雷器阀片有贯穿性受潮痕迹,并联电阻连接处铜片长期发热使铜片颜色发红,内部元件与瓷套绝缘层大约5—6裙处有两处12×9cm的树状烧伤痕迹，属典型设备严重受潮缺陷。
我们在建设坪变测得3#所用变的磁吹避雷器A相较B、C两相高4.5℃，局部过热，停电做电气实验，泄漏电流已超过1000μA，解体发现内部受潮，属设备受潮发热缺陷。
6.6避雷器内部元件损坏的故障
我们在淌沟变测得35KV乙母避雷器B相热像较A、C相暗淡，经实验证实该相并联电阻断线，属设备元件故障缺陷。
6.7套管端部绝缘不良导致的过热缺陷
2023年10月16日我们在建设坪变测得3#主变220KV侧B相套管将军帽温度达70℃。在停电检查时发现将军帽内引线连接丝扣残缺，导电回路接触面积太小导致发热，且由于穿缆引线未包绝缘层，在引线与铜管内壁相碰处有分流，多处发热，烧断引线多股，属典型的制造不良缺陷。
6.8电流互感器内部接头接触不良导致的发热缺陷
2023年5月20日我们在宣家沟变测温发现2#主变10KV侧102C相CT本体热像异常温度为28℃,A、B相温度分别为19.24℃和19.16℃，当时运营电流70A，由于相间比较温度不高未能引起运营单位重视。2023年6月8日2#主变由于102电流互感器C相二次绕组接地，导致差动保护动作三侧开关跳闸，事故检查发现该CT二次绕组绝缘电阻对地为零，分析认为由于该CT二次接头接触不好导致二次绕组长期发热，破坏了二次绝缘强度，导致了事故的发生。
7 经济效益分析
我局自1995年购进日本航空电子公司生产的TVS—2100型红外热像系统，通过理论分析并结合电气设备测试的特点，对全局330KV、220KV、110KV、35KV四个电压等级共53座变电站进行了全面的红外普测工作，在七年的检测工作中共发现各类缺陷2212处，其中重大缺陷357处，紧急缺陷171处，一般缺陷1684处，在大量的检测工作中共发现设备故障2312处、其中外部故障2080处，内部故障232处。

缺陷按内外部故障分类见表7—1

分类
年度
外部故障
内部故障
总计
1995
626
82
708
1996
297
51
348
1997
407
31
438
1998
348
48
396
1999
204
12
216
2023
198
8
206

缺陷按温度等级分布情况见表7—2

分类
年度
80℃及以下
80～100℃
100℃及以上
总计
1995
548
119
41
708
1996
264
56
28
348
1997
266
47
25
338
1998
292
69
35
396
1999
156
38
22
216
2023
158
28
20
206

在兰州电网红外普测的同时，我们有选择地对重点区域进行了连续红外检测诊断，检修单位对检测出的热缺陷故障及时进行了认真解决，使电气设备过热故障逐年下降，同时检修效率及质量也有了显著提高，由于对检测出的热态异常处认真分析、对的分级，根据不同过热等级，分别采用加强监督、安排计划、申请停电等不同的解决方式，优化安排检修计划，并及时停电解决了多起热故障，避免了重大事故的发生，使电网的运营稳定性和可靠性得到了极大提高，取得了显著的经济效益和社会效益。
总之，自我局开展红外测温工作以来，我们发现了大量的设备缺陷和隐患，取得了明显的经济效益和社会效益。通过近几年艰苦细致的测试工作，加上检修质量的不断提高，我局电力设备的热缺陷已经越来越少，供电可靠性越来越高。我们相信，随着电力红外诊断技术自身的不断完善和发展，它一定会在电力系统中发挥越来越重要的作用。
8 结 语
a.电力红外诊断技术是一种诊断电气设备和线路热故障的有效的先进技术。红外测温是通过直接接受被测目的发射的能量来实现的，属于一种非接触式的检测手段。一方面它在设备运营下进行，减少了停电时间；另一方面它对设备不会产生任何损害，并且可以掌握设备热状态变化，合理拟定检修时间。
b.红外检测速度快，工作效率高，并且可以清楚的显示故障部位和故障的严重限度，比传统的防止性实验更能有效的检测出运营电压、负荷电流有关的设备缺陷。
c.红外检测技术不仅可以发现设备外部过热，还可以检测出设备内部缺陷发热点从而填补了常规实验的局限性。
d.红外诊断技术可以通过检测设备的温度来判断设备的运营状态有无异常，为防止事故的发生和状态检修提供了有利的科学依据。
e.红外检测技术应用于电力系统中将大大提高供电可靠性、减少停电次数，有效地将事故消灭于萌芽状态，从而保证了电网的安全稳定运营，取得了显著的经济效益和社会效益。
参 考 文 献
1 吴存衡等·导体接头过热的初期诊断和防治·华东电力，1995，23（11）：24
2 带电设备红外诊断技术应用导则·中华人民共和国电力行业标准·DL/T664—1999
3 电力设备防止性实验规程·中华人民共和国电力行业标准·DL/T596—1996
作 者 简 历
邵必飞：男，1981年生，兰州供电公司，助理工程师，专业领域：输电线路运营与检修，联系地址：兰州市七里河区西津东路629#，邮政编码730050，联系电话