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1、红外热成像技术及其在电力设备检测与诊断中的应用引言太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看 不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。这种红外线，又称红外辐射，是 指波长为0.781000m的电磁波。其中波长为0.781.5m的部分称为近 红外，波长为1.510um的部分称为中红外，波长为101000 um的部分称为 远红外线。而波长为2.01000 m的部分，也称为热红外线。红外线辐射是自 然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无 线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是，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
2、，并不停地辐射出热红外能量。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。红外热成像技术的发展从1800年，英国物理学家赫胥尔发现了红外线后，开辟了人类应用红外技 术的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管，研制出了主动式夜 视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础。二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司（TI）在1964年首次开发 研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR）。 它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外 辐射，经光电转
3、换及处理，最后形成热图像视频信号，并在荧屏上显示。六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典国家电力局，在红外寻视装置的基础上， 开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称 为热像仪。七十年代，法国汤姆荪公司又研制出，不需致冷的红外热电视产品。1986年，瑞典研制出工业用的实时成像系统，它无须液氮或高压气，而以 热电方式致冷，可用电池供电；1988年又推出全功能热像仪，它将温度的测量、 修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7kg，使仪器的功能、精度和 可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代 红外热像仪，它是属焦
4、平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加先进， 现场测温时只需对准目标摄取图像，并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定， 可回到室内用软件进行修改和分析，最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的 机械扫描，仪器重量已小于2kg，如同手持摄像机一样，单手即可操作使用。七十年代，中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究。八十年代末， 中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水 平。进入九十年代，中国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器，微型 致冷器等关键技术方面有了发展，并且从实验走向应用。如用于部队的便携式野 战热像仪，反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰
5、火炮等。近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐 步缩小，有些设备的先进性也可同西方同步。如目前己能生产面积小于30um2 的1000X1000像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化金因的新器件，目前己达 到了分辨率小干0.01C的温差，使对目标的识别达到更高的水平。红外热成像仪，可以分为致冷型和非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷 焦平面热成像仪是非致冷型产品，其他为致冷型红外热成像仪。前一代的热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等 部件组成，已经成功装备部队，并己用于夜间的地面观察、空中侦查、水面保险 等方面。目前，新的热成像仪主要采用非致冷焦平
6、面阵列技术，集成数万个乃至数十 万个信号放大器，将芯片置于光学系统的焦平面上，无须光机扫描系统而取得目 标的全景图像，从而大大提高了灵敏度和热分辨率，并进一步地提高目标的探测 距离和识别能力。红外热成像技术原理依据红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理是基于自然界中一切温度 高于绝对零度（-273C ）的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐 射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和 热分布场提供了客观的基础。利用这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部 位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面 温度的空间分布，最后经系
7、统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就 得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。他所参照的依据有：著名的普朗克定律表明温度、波长和能量之间存在一 定的关系，红外总能量随温度的增加而迅速增加；峰值波长随温度的增加向短波 移动。根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，当温度变化时，红外总能量与绝对温度的四 次方成正比，当温度有较小的变化时，会引起总能量的很大变化。红外热成像技术在电力设备的温度监测与诊断中的应用一、故障分类正常运行的电力设备，由于电流、电压的作用将产生发热.主要包括电流效 应引起的发热和电压效应引起的发热。当电力设备存在缺陷或故障时，缺陷或故 障部位的温度就会产生异常变化。从而引
8、起设备的局部发热，假设未能及时发现 并及时制止这些隐患的发展，最终会促成设备故障或事故的发生，严重的会扩大 成电网事故。电力设备发热故障基本上可分为两大类，即外部故障和内部故障， 其基本特征如下：1）外部发热故障:它以局部过热的形态向其周围辐射红外线，各种裸露接头、 连接体的热故障，其红外热图显现出以故障点为中心的热场分布。所以，从设备 的热图中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布可以准确地确定故障的部 位及故障严重程度。2）内部发热故障：它的发热过程一般较长，且为稳定发热，与故障点接触的 固体、液体和气体，形成热传导、对流和辐射，并以这样的方式将内部故障所产 生的热量不断地传递至设备外壳
9、，从而改变设备外表面的热场分布情况。二、红外热成像仪常用检测分析方法1）表面温度判断方法。根据测得的设备表面温度值，对照有关电力设备检测 规范的相关规定，可以确定一部分电流致热型设备的缺陷。2）相对温差判断法。电力设备在正常运行时都会发出一定热量，而这种热量 按设计要求是允许的。若用热像仪对全部运行设备进行扫描检查时，发现存在异 常温度点，然后对温度异常的部位进行重点检测，测出异常点的温度。为了判断 是否为故障，应将异常点温度与正常运行时的温度进行比较，同时考虑周围环境条件的影响，最后根据设备的相对温差以及是否超出规定值，来确定设备故障与 否。3）同类比较法。包括：三相之间的横向比较和相同各部
10、位的纵向比较。 三相之间温度比较：在发电、输电、变电、供电回路中，大部分以三相形式输送电能，用于三相 连接的金属材料是相同的，一般讲三相上升的温度是均衡的，则设备正常运行。 当三相中的某一相或两相出现温度过高现象，可以判定温度高的相存在缺陷，图 13是平果变电站中压套管B相温度异常，用热像仪检测时的热图像。其连接处可 能存在松动、生锈，使其接触电阻增加，引起电流过大，导致故障。而电流大又 会导致接触电阻增大势必形成恶性循环，出现严重后果。同一部件的温度比较同一部件的材料、流过的电流都相同，正常情况下整个部件上升的温度应该 是一样的。然而由于某些产品由于材质上存在缺陷，如材料存在杂质、气泡，使
11、材料特性发生变化，当电流通过时，会产生不同的热量，表现出部件局部发热。 如绝缘子串的局部发热，避雷器的局部发热，导线电缆的局部发热等。4）热图谱分析法。根据同类设备在正常状态和异常状态下的热图谱的差异来 判断设备是否正常。5）档案分析法。分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差 和热谱图），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。6）运行负荷比较法。系统设备运行时的温度和运行负荷有着直接关系，众所周知，电流越大，持 续时间越长，设备累积的温度越高。当用红外热像仪进行检测时，发现设备某个 部件，或线路的某一相温度出现异常，这时要检查设备运行负荷的大小，来判断 设备是
12、否会出现故障。若当时负荷已很大，而发热部件温度又不是很高，则不会 发生故障。反之，当检测时，负荷很小，设备部件已发热，那么一当负荷增加， 发热部件的温度会急剧增加，从而导致故障的发生。所以测试时，一定要注意设 备运行的负荷大小，然后再诊断系统和设备可能出现的故障。实例1.邹县发电厂2000年邹县发电厂利用远红外热成像仪，发现了大量设备缺陷，避免了许 多设备事故的发生，减少损失上百万。该仪器在状态检修工作中发挥的作用，是 实现状态检修以来最明显和最成功的。发现的设备缺陷类型主要有：高压设备 接头发热、变压器箱体涡流损耗、锅炉汽机方面的问题、阀门保温、高压电机引 线发热、端子排端子发热、电路板发热
13、、电缆鼻子发热等。另外热成像仪的应用， 解决了高压绝缘子的检零、避雷器在线检测、开关内部触头的间接检测等问题。 下面举几个典型的应用实例。锅炉方面的应用三期5号炉投产以来，5B上轴承漏灰、漏热严重。2000年6月，5号炉 临修前，使用远红外热成像仪从多个角度检查漏风情况并做详细记录，找到了确 切的漏点，临修后上轴承温度由80C下降到47C，解决了存在几年的遗留问题。 高压电机引线方面的应用采用远红外热成像仪对电机接线盒外三相电缆和接线盒温度进行定期检测 后，把电机接头过热事故减少到了最低程度。如1号炉甲排电机接线盒外电缆温 度达到130C以上，由于及时发现，及时停电检修，避免了一次重大事故。
14、高压设备电气接头方面的应用定期用远红外热成像仪检测所有高压电气设备，可及时发现并消除设备隐 患，避免异常事故的发生，为开关实行状态检修提供有力的依据。端子排、电路板方面的应用定期用远红外热成像仪检查端子排、电路板，可及时发现隐患，避免因端子 排端子过热引起跳闸事故和很多重要电路板的损坏及设备的跳闸。变压器方面的应用使用远红外热成像仪发现了变压器上下节油箱的部分连接螺栓发热的缺陷， 个别螺栓温度已经达到120C以上，严重威胁了变压器的安全运行。而因漏磁通 产生的涡流损耗，引起的螺栓发热缺陷平时是很难发现的。低压电气设备方面的应用发现了大量的低压电气设备接头过热、母排接头过热、刀闸过热、保险口过
15、热、接地线过热等缺陷。如发现400 V一接地螺栓严重过热（130C）,原因是接 地扁铁未正确连接在地网上。而这样的缺陷平时很难发现，也容易造成人身伤害。 电缆接头方面的应用对电缆中间接头进行编号，定期用远红外热成像仪进行监测和分析，把电缆 接头隐患消灭在萌芽状态，因而再也没有发生过电缆中间接头过热事故。保温方面的应用用远红外热成像技术完全可以检查出大面积保温的薄弱环节，大修时可以 只拆除保温薄弱的地方，既解决了问题，也节省了大量费用。阀门内漏方面的应用只要管道内介质与环境温度存在一定的差值，通过远红外热成像仪能对阀 门进行红外检测和分析，确认内漏的阀门及内漏的程度。但由于阀门、管道有保 温、铁
16、皮，给分析内漏的程度和原因带来了一定的困难。如果阀门、管道上没有 保温，内漏的阀门就容易判断出来。特别是很多管子的阀门接到总管很难确定哪 个阀门泄露时，使用远红外热成像仪能很快查出泄露的阀门并加以更换，避免了 工作的盲目性，节省了费用。2.陇南从2004年开始，陇南供电公司给下属各变电运行工区配置了 FLIR型红外热成 像仪，并在早期应用中就发现了江洛变电站1号主变35kV套管接头B相异常发热 的故障，使检测人员对这项检测技术的开展充满了信心。检修人员利用红外热成 像仪对所辖变电站设备进行定期（各站一月一次）常态化的全面测试，并进行不定 期的有针对睦（如设备重负荷及特殊运行方式时期）的跟踪监测，能够及时发现设 备接头的发热缺陷，并形成图片报告上报。通过对图片报告分析，公司相关部门 采取及时的、有针对陛的缺陷消除工作。同时，利用
