紅外檢測技術初探

紅外檢測技術初探邵必飛（蘭州供電公司，甘肅蘭州730050）摘要本文對紅外技術的基本工作原理，紅外檢測設備種類及其特性比以及紅外診斷技術的故障判別方法進行討論，對影響紅外診斷的因素進行了分析并提出了解決對策，并從實際應用角度出發(fā)對高壓設備易發(fā)生故障部分進行了實例判斷及因素分析。關鍵詞紅外檢測高壓設備故障診斷1前言隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步，發(fā)供電的安全性及可靠性具有極為重要的作用。然而，電力系統(tǒng)的設備是處在高電壓、大電流、高溫的工作狀態(tài)下，同時還受到日曬、雨淋、潮濕、長期連續(xù)運營等惡劣運營環(huán)境和條件的損害。并且電力生產(chǎn)從發(fā)電、輸電、變電到用電環(huán)節(jié)繁多所涉及和使用的設備數(shù)量龐大。因此設備經(jīng)常容易發(fā)生故障缺陷甚至形成事故。為了保證電網(wǎng)的安全可靠運營，必須大力開展設備的故障檢測和故障診斷，特別是在線形式故障診斷技術。而紅外檢測具有遠距離、不斷電、不接觸、不解體等特點，給電力系統(tǒng)電氣設備狀態(tài)檢測提供了一種先進手段，但是目前我國對帶電設備的檢測經(jīng)驗還較少，缺少完備的國家標準。為此，本文對紅外檢測技術的基本原理及及故障判別方法進行了探討，同時結合實際實驗情況對帶電設備缺陷情況進行了分析。紅外檢測技術基本原理紅外技術的原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時，這種紅外線輻射都載有物體的特性信息，這就為運用紅外技術探測和判別各種被測目的的溫度高低與熱分布場提供了客觀的基礎。紅外線是波長在0.76～1000μm之間的一種電磁波，按波長范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，它在磁波連續(xù)頻譜中的位置是處在無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射在真空中的傳播速度C＝m/scm/s紅外輻射的波長式中：C:速度：波長：頻率紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不斷的輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。其中黑體頻譜輻射能流密度對紅外輻射波長的關系，根據(jù)普郎克定律：（瓦·厘米·微米）式中：—波長，熱力學溫度為T時，黑體的紅外輻射功率?！馑俣龋╟m/s）—第一輻射常數(shù)=（瓦厘米微米）—波長（微米），T熱力學溫度（K）溫度輻射的能量密度峰值相應的波長，隨物體溫度的升高波長變短。根據(jù)維思定律：（μm）式中：—峰值波長，單位：μmT—物體的絕對溫度單位K物體的紅外輻射功率與物體表面絕對溫度的四次方成正比，與物體表面的發(fā)射率成正比。物體紅外輻射的總功率對溫度的關系，根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律：P=（W/）式中：T—物體的絕對溫度P—物體紅外輻射功率（輻射能量）—物長表面紅外發(fā)射率（輻射系數(shù)）R—斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)（J/K）物體表面絕對溫度的變化，使的物體發(fā)熱功率的變化更快。物體產(chǎn)生的熱量在紅外輻射的同時，還形成物體周邊一定的表面溫度分布場這種溫度分布場取決于物體材料的熱物性，物體內部的熱擴散和物體表面溫度與外界溫度的熱互換。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一相應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)解決，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。紅外線輻射的特點，除了具有電磁波的本質特性外，還同時具有兩個重要的特性。其一，物體表面紅外線輻射的峰值波長與物體表面分布的溫度有關，峰值波長與溫度成反比。溫度越高，輻射的波長越短；溫度越低，輻射的波長越長。與紅外線輻射峰值波長相應的溫度見表。表1—1與紅外線輻射峰值波長相應的溫度類別峰值波長范圍μm溫度℃近紅外0.76～1.53540～165中紅外1.5～151658～-80遠紅外15～750-80～-269極遠紅外750～1000-269～-270因此，物體紅外輻射的能量大小及波長分布與表面溫度有十分密切的關系。根據(jù)紅外線輻射的這一特性，通過對被測物體紅外輻射的探測，便能實現(xiàn)對目的進行遠距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫并進行分析判斷。其二，紅外輻射電磁波在大氣中傳播要受到大氣的吸取而使輻射的能量被衰減，但空間的大氣、煙云對紅外輻射的吸取限度與紅外線輻射的波長有關，特別對波長范圍在（2～2.5μm）,（3～5μm）及（8～14μm）的三個區(qū)域相對吸取很弱,紅外線穿透能力較強,透明度較高,這三個區(qū)域被稱之為“大氣窗口”,“大氣窗口”以外的紅外輻射在傳播過程中由于大氣、煙云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸氣等物質的分子具有強烈吸取作用而被迅速衰減，運用紅外輻射中“大氣窗口”的特性，使紅外輻射具有了夜視功能，并能實現(xiàn)全天候對目的的搜索和觀測。紅外檢測設備種類及其特性比紅外輻射的探測是將被測物體的輻射能轉換為可測量的形式，對被測物體的熱效應進行熱電轉換來測量物體紅外輻射的強弱，或運用紅外輻射的光電效應產(chǎn)生的電性質的變化來測量物體紅外輻射的強弱，由于電量的測量最方便、最精確，因此一般紅外輻射的探測總是把紅外輻射量轉換成電量進行測量，而紅外輻射的探測是通過紅外探測器來實現(xiàn)的。紅外探測器種類繁多，根據(jù)不同的功能已覆蓋整個紅外波段，按其性質可分為兩大類：其一是依據(jù)物體輻射特性進行測量和控制，其二是依據(jù)材料的紅外光學特性進行分析和控制。目前，我國電力行業(yè)所使用的紅外探測器可分為紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀三種，以下是三種紅外設備的基本工作原理及其性能比：3.1紅外測溫儀的基本工作原理紅外測溫儀的基本原理是將目的的紅外輻射能量經(jīng)儀器透鏡會聚，并通過紅外濾光片進入探測器，探測器將輻射能轉換成電能信號，經(jīng)放大器放大電子電路解決，由液晶顯示器顯示出被測物體的表面溫度。3.2紅外熱電視的基本工作原理紅外熱電視是通過熱釋電攝像管（PEV）接受被測目的物體的表面紅外輻射，并把目的內熱輻射分布的不可見熱圖像轉變成視頻信號,最后經(jīng)信號放大,解決由屏幕顯示出目的熱圖像。3.3紅外熱像儀的基本工作原理紅外熱像儀是運用光學系統(tǒng)收集被測目的的紅外輻射能，經(jīng)光譜濾波、空間濾波、使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，運用光學系統(tǒng)與紅外探測器之間的光機掃描機構對被測物體紅外進行掃描，由探測器將紅外輻射能轉換成電信號、經(jīng)放大解決轉換成標準視頻信號通過電視屏顯示紅外熱像。3.4三種紅外檢測設備的特性比我國目前所使用的紅外檢測設備性能比較見表。表3-1紅外診斷設備的種類與特性機型重要技術特點紅外熱像儀光機掃描式可穩(wěn)定成像，具有彩色、定格、圖像分析功能，測溫準確。圖像質量，溫度分辨力、空間分辨力、幀頻良好。適合外部、內部故障診斷。焦平面式可穩(wěn)定成像，測溫準確。圖像質量，溫度分辨力、空間分辨力、幀頻性能好，功能十分強大。適合外部、內部故障診斷。紅外熱電視平移式工作時必須不斷搖動攝像機。平移有嚴重拖尾信號失真。圖像質量較差、測溫誤差較大，無彩色、定格、圖像分析功能。適合查找接頭過熱，但不適合內部故障診斷。瞬變式平移時仍有拖尾，但瞬變工作時無拖尾。圖像質量略有改善，本機有彩色、定格、圖像分析功能。適合查找接頭過熱，也可用于簡樸的內部故障診斷。折波式工作時無須搖動攝像機即可穩(wěn)定成像。完全無拖尾，圖像質量好、測溫準確。有較強圖像分析功能及彩色、定格、圖像存儲功能。適合外部、內部故障診斷。紅外測溫儀激光瞄準式不能成像、只能測溫、功能簡樸。只能用于接頭過熱故障的監(jiān)視和初略查找。光學望遠瞄準式不能成像、只能測溫、功能簡樸。只能用于接頭過熱故障的監(jiān)視和初略查找。紅外檢測技術故障診斷方法4.1表面溫度判斷法在對設備表面溫度進行判斷時,可將所測表面溫度值,對照《交流高壓電器在長期工作時的發(fā)熱》(GB763-90)3.2條的有關規(guī)定，凡是溫度（或溫升）超過標準的可根據(jù)設備溫度超標的限度、設備負荷率的大小、設備的重要性及設備承受機械應力的大小來擬定設備的缺陷性質，特別是對在小負荷率下溫度超標或設備承受機械應力較大的設備應當嚴格對待。4.2相對溫差判斷法4.2.1對電流致熱型設備,若發(fā)現(xiàn)設備的導流部分熱像異常,可按相對溫差公式算出相對溫差值,同時按表4—2的規(guī)定判斷設備缺陷的性質。相對溫差可用下式求出：％％式中：和—發(fā)熱點的溫升和溫度和—正常相相應點的溫升和溫度—環(huán)境參照體的溫度表4—2部分電流致熱型設備的相對溫差判據(jù)設備類型相對溫差值％一般缺陷重大缺陷視同緊急缺陷SF6斷路器≥20≥80≥95真空斷路器≥20≥80≥95充油套管≥20≥80≥95高壓開關柜≥35≥80≥95空氣斷路器≥50≥80≥95隔離開關≥35≥80≥95其他導流設備≥35≥80≥954.2.2對于負荷率小、溫升小但相對溫差大的設備，可增大負荷電流后進行復測，以擬定設備缺陷的性質。4.3同類比較法4.3.1在同一電氣回路中,當三相電流對稱和三相設備相同時,可以比較三相電流致熱型設備相應部位的溫升值,即可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現(xiàn)異常，可與同回路的同類設備比較。但當三相負荷電流不對稱時，則應當考慮負荷電流的影響。4.3.2對于型號規(guī)格相同的電壓致熱型設備,可以根據(jù)其相應點溫升值的差異來判斷設備是否正常。電壓致熱型設備的缺陷適合用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據(jù)來擬定。在一般情況下，同類溫差超過允許溫升值的30％時，應定為重大缺陷。但當三相電壓不對稱時，則應當考慮工作電壓的影響。4.4熱圖譜分析法在對溫度異常設備進行缺陷判斷時，可根據(jù)同類設備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱像圖的差異來判斷設備是否正常。4.5檔案分析法可以根據(jù)實驗報告來分析同一設備在不同時期的檢測數(shù)據(jù)（例如溫升、相對溫差和熱像圖），找出設備致熱參數(shù)的變化趨勢和變化速率，以判斷設備是否正常。影響紅外診斷的因素及解決對策5.1大氣吸取的影響由于大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷、一氧化碳等氣體分子有選擇性地吸取一定波長的紅外線，紅外線輻射在傳輸過程中總會受到一定的能量衰減，從而導致測量的誤差。因此，在室外進行紅外測溫診斷時應在無雨無霧，空氣濕度最佳低于75%的環(huán)境條件下進行。5.2大氣塵埃及懸浮粒子的影響由于大氣塵埃的懸浮粒子可以吸取紅外能量并重新輻射出去的同時改變了紅外輻射的方向和輻射的偏振度，從而影響測量的精確度。因此，紅外診斷應在無塵或空氣較清新的環(huán)境條件下進行。5.3風力的影響在風力較大的環(huán)境下，由于受風速的影響，存在發(fā)熱缺陷的設備熱量會被風力加速發(fā)散，使得設備的散熱系數(shù)增大，從而使缺陷設備的溫度下降。因此，在室外進行紅外測溫診斷時應在無風或風力很小的條件下進行。5.4太陽光的影響當被測電氣設備處在陽光輻射下時，由于陽光的反射在3～14μm波長區(qū)域這與紅外儀器設定的波長區(qū)域相同而極大地影響儀器的正常工作和準確判斷。所以紅外測溫應當選擇在沒有陽光的天氣條件下進行。5.5被測物體距離和鄰近物體熱輻射的影響當被測物體的距離太遠時，儀器接受到的紅外輻射能減少，從而對溫升小的設備檢測存在一定的誤差。因此在現(xiàn)場測試工作中應當盡量避免由于被測物體距離太遠而導致的測量誤差。當環(huán)境溫度比被測物體的表面溫度高很多或低很多時，或被測物體自身的輻射率很低時，鄰近物體的熱輻射的反射將對被測物體的測量導致影響。高壓設備熱故障實例以及因素分析電力設備的熱故障重要分為外部故障和內部故障兩大類型,外部故障重要是各種電氣引流的裸露接頭,涉及高壓設備或線路中的連接件由于壓接不良、或因受到氧化、腐蝕及灰塵的影響，或因材質不良和加工、安裝工藝的問題、或沖擊負荷、機械振動等因素導致的接觸電阻增大而出現(xiàn)的局部過熱等。而設備內部故障的生成因素有內部導流接點接觸不良導致的過熱缺陷，有內部絕緣材料受潮、老化引起介損值增大導致的發(fā)熱缺陷，有油浸設備缺油導致的發(fā)熱缺陷，有電導電流變化或內部繞組局部短路，磁路的局部故障導致的熱缺陷等。以下是不同設備發(fā)生熱故障實例及因素分析。6.1隔離刀閘與導線連接件接觸不良導致的熱缺陷2023年10月18日我們在古城變紅外測溫時發(fā)現(xiàn)3502丙刀閘母線側引流線C相與刀閘連接處設備線夾溫度為140℃，A、B相溫度均為27℃（當時運營電流是320A），并且發(fā)現(xiàn)C相引流線有斷股和散股現(xiàn)象，并且引線接頭處有燒傷發(fā)紅痕跡，屬設備過熱故障缺陷，緊急停電解決發(fā)現(xiàn)C相導線有2根已燒斷，多根導線已燒傷和散股，隨時有將導線燒斷的也許。（古城變2#主變最大運營電流可以達成400A）6.2T型線夾由于氧化腐蝕導致的熱缺陷2023年5月25日我們在華林變進行紅外測溫發(fā)現(xiàn)1115乙刀閘乙母側T型線夾A相：265.7℃、B相：16.8℃、C相：16℃，經(jīng)停電解決后檢查發(fā)現(xiàn)線夾由于氧化腐蝕使接觸電阻變大，導致局部發(fā)熱缺陷。由于發(fā)現(xiàn)解決及時，避免了事故。6.3隔離刀閘觸頭接觸不良的過熱缺陷2023年7月31日我們在220KV建設坪變電站進行紅外測溫時發(fā)現(xiàn)2214旁刀閘觸頭發(fā)熱A、B、C三相溫度分別103℃、100℃和106℃，當時環(huán)境溫度為31℃觸頭發(fā)熱點外表無異常變化，經(jīng)用令克棒將80℃試溫蠟片觸接觸頭部位發(fā)現(xiàn)蠟片冒煙熔化，判斷為故障缺陷，經(jīng)停電解決發(fā)現(xiàn)發(fā)熱的3只刀閘觸頭的壓力彈簧斷裂或退火已失去彈性而導致接觸不良引起嚴重過熱。6.4電纜頭出線接頭接觸不良產(chǎn)生的過熱缺陷2023年6月11日焦家灣變112出線電纜001#桿電纜頭A相嚴重過熱溫度高達298℃，B相為23.8℃、C相為23℃，現(xiàn)場觀測電纜頭已變色，檢修人員立即進行停電解決，對電纜頭進行重新包扎，避免了因電纜頭起火而引起的事故。6.5避雷器內部絕緣不良的發(fā)熱缺陷2023年3月20日我們在龔家灣變測溫發(fā)現(xiàn)1#主變220KV側避雷器上節(jié)（型號：FCZ3—220，西安生產(chǎn)），B相避雷器從上往下第六裙處局部有明顯發(fā)熱現(xiàn)象,三相溫度分別為A相13.49℃、B相19℃、C相13.43℃，隨后對該避雷器退出運營,解體發(fā)現(xiàn)該避雷器閥片有貫穿性受潮痕跡,并聯(lián)電阻連接處銅片長期發(fā)熱使銅片顏色發(fā)紅,內部元件與瓷套絕緣層大約5—6裙處有兩處12×9cm的樹狀燒傷痕跡，屬典型設備嚴重受潮缺陷。我們在建設坪變測得3#所用變的磁吹避雷器A相較B、C兩相高4.5℃，局部過熱，停電做電氣實驗，泄漏電流已超過1000μA，解體發(fā)現(xiàn)內部受潮，屬設備受潮發(fā)熱缺陷。6.6避雷器內部元件損壞的故障我們在淌溝變測得35KV乙母避雷器B相熱像較A、C相暗淡，經(jīng)實驗證實該相并聯(lián)電阻斷線，屬設備元件故障缺陷。6.7套管端部絕緣不良導致的過熱缺陷2023年10月16日我們在建設坪變測得3#主變220KV側B相套管將軍帽溫度達70℃。在停電檢查時發(fā)現(xiàn)將軍帽內引線連接絲扣殘缺，導電回路接觸面積太小導致發(fā)熱，且由于穿纜引線未包絕緣層，在引線與銅管內壁相碰處有分流，多處發(fā)熱，燒斷引線多股，屬典型的制造不良缺陷。6.8電流互感器內部接頭接觸不良導致的發(fā)熱缺陷2023年5月20日我們在宣家溝變測溫發(fā)現(xiàn)2#主變10KV側102C相CT本體熱像異常溫度為28℃,A、B相溫度分別為19.24℃和19.16℃，當時運營電流70A，由于相間比較溫度不高未能引起運營單位重視。2023年6月8日2#主變由于102電流互感器C相二次繞組接地，導致差動保護動作三側開關跳閘，事故檢查發(fā)現(xiàn)該CT二次繞組絕緣電阻對地為零，分析認為由于該CT二次接頭接觸不好導致二次繞組長期發(fā)熱，破壞了二次絕緣強度，導致了事故的發(fā)生。經(jīng)濟效益分析我局自1995年購進日本航空電子公司生產(chǎn)的TVS—2100型紅外熱像系統(tǒng)，通過理論分析并結合電氣設備測試的特點，對全局330KV、220KV、110KV、35KV四個電壓等級共53座變電站進行了全面的紅外普測工作，在七年的檢測工作中共發(fā)現(xiàn)各類缺陷2212處，其中重大缺陷357處，緊急缺陷171處，一般缺陷1684處，在大量的檢測工作中共發(fā)現(xiàn)設備故障2312處、其中外部故障2080處，內部故障232處。缺陷按內外部故障分類見表7—1分類年度外部故障內部故障總計19956268270819962975134819974073143819983484839619992041221620231988206缺陷按溫度等級分布情況見表7—2分類年度80℃及以下80～100℃100℃及以上總計1995548119417081996264562834819972664725338199829269353961999156382221620231582820206在蘭州電網(wǎng)紅外普測的同時，我們有選擇地對重點區(qū)域進行了連續(xù)紅外檢測診斷，檢修單位對檢測出的熱缺陷故障及時進行了認真解決，使電氣設備過熱故障逐年下降，同時檢修效率及質量也有了顯著提高，由于對檢測出的熱態(tài)異常處認真分析、對的分級，根據(jù)不同過熱等級，分別采用加強監(jiān)督、安排計劃、申請停電等不同的解決方式，優(yōu)化安排檢修計