红外检测技术初探

1、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原因分析。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于高电压、大电流、高温的工作状态下，同时还受到日晒、雨淋、潮湿、长期连续运行等恶劣运行环境和条件的损害。而且电力生产从发电、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行，必须大力开展设备的故障检测和故障诊断，尤其是在线形式故障诊断技术。而红外检测具有远距离、不停电、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，缺乏完备的国家标准。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，同时结合实际试验情况对带电设备缺陷情况

2、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征信息，这就为利用红外技术探测和判别各种被测目标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 0.761000m 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于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C299792458m/scm/s103红外辐射的波长 c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，并不停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 ）eCpTTc21521式中：波长 ，热力学温度为 T 时，黑体的红外辐射功率。pT光速度（ cm/s）C1103第一辐射常数= （瓦厘米 微

3、米 ）2 475.2波长（微米） ，T 热力学温度（K）温度辐射的能量密 度峰值对应的波长，随物体温度的升高波长变短。根据维思定律： （m）89式中：峰值波长，单位：mT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/ ）4R2m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）231086.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，还形成物体周围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交换。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对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，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

4、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对应的温度见表。表 11 与红外线辐射峰值波长对应的温度类别 峰值波长范围 m 温度 近红外 0.761.5 3540165中红外 1.515 1658-80远红外 15750 -80-269极远红外 7501000 -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，便能实现对目标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收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收程度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（22.5m）, （35m）及（814m）的三个区域相对吸收很弱,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收作用而被迅速衰减，利用红外辐射中“大气窗口”的特性，使红外辐射具备了夜视功能，并能实现全天候对目标的

5、搜索和观察。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，或利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标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处理，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）接收被测目标物体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号,

6、最后经信号放大,处理由屏幕显示出目标热图像。3.3 红外热像仪的基本工作原理红外热像仪是利用光学系统收集被测目标的红外辐射能，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，利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、经放大处理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 主要技术特点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。红外热像仪 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。平移式工作时必须不停摇动摄像机。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。红外热电视 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

7、查找接头过热，也可用于简单的内部故障诊断。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。激光瞄准式 不能成像、只能测温、功能简单。只能用于接头过热故障的监视和初略查找。红外测温仪 光学望远瞄准式 不能成像、只能测温、功能简单。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程度、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确定设备的缺陷性质，尤其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 42 的规定判断设备缺陷的性质。相对温差 可用下式求出：t 102t 102T式中： 和 发热点的温升和温度1和 正常相对应点的温升和温度

8、2环境参照体的温度0T表 42 部分电流致热型设备的相对温差判据相对温差值设备类型一般缺陷 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 80 954.2.2 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，以确定设备缺陷的性质。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对应部位的温升值,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,可以根据其对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确定。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

9、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 可以根据试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 大气吸收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收一定波长的红外线，红外线辐射在传输过程中总会受到一定的能量衰减，从而造成测量的误差。因此，在室外进行红外测温诊断时应在无雨无雾，空气湿度最好低于 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收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于阳光辐射下时，由于阳光的反射在 314m 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，仪器接收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造成的测量误差。当环境温度比被测物体的表面温度高很多或低很多时，或被测物体本身的辐射率很低时，邻近物体的热辐射的反射将对被测物体的测量造成影响。6 高压设备热故障实例以及原因分析电力设备的热故障主要分为外部故障和内部故障两大类型,外部故障主要是各种电气引流的裸露接头,包括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

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