20061129红外检测诊断技术在电力系统的应用

1一、电力设备故障红外检测诊断原理二、电力设备发热机理三、故障发热对电力设备的危害四、电力设备故障红外检测诊断方法五、电力设备红外检测注意事项六、电力设备红外检测典型图谱实例七、红外检测诊断技术的局限性2一、电力设备故障红外检测诊断原理31.1电力设备故障红外检测与诊断概念理论分析和实验研究表明，任何温度高于绝对零度（－273℃）的物体，表面都在不断地辐射红外线。红外线的电磁波长范围为0.78～1000µm。许多对可见光（电磁波长范围为0.38～0.78µm）透明的介质，对红外线却不透明。红外成像设备是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。其图象反映物体表面的红外辐射场，即温度场。电力设备的许多故障表现为设备热状态异常。红外检测与诊断就是利用红外成像设备探测被诊断设备表面的红外辐射信号，获得设备的热状态特征，并根据这种热状态特征及适当的判断依据，做出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。41.2红外辐射的发射及其规律1.2.1黑体的红外辐射规律“黑体”就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1（即全部吸收）的物体。自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以，黑体只是一种理想化的物体模型。但是黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外辐射随温度及波长而变化的定量关系。下面介绍其中的四个基本定律。51.2.1.1黑体辐射的光谱分布规律－普朗克辐射定律一个绝对温度为T（K）的黑体，其单位表面积在波长λ附近的单位波长间隔内，向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλb（T）与波长λ、温度T满足下列关系125152]1)/[exp(1)/exp(12)(TCCkThchcTMb式中，c为真空中的光速，c=108m/s；h为普朗克常数，h=6.6256x10－34W/s2；k为玻耳兹曼常数，k=1.38054x10－23Ws/K；C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数该定律给出了黑体在温度为T（K）时的辐射光谱分布特征。61.2.1.2黑体辐射功率随温度的变化规律－斯蒂芬-玻耳兹曼定律该定律描述黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb（T）（简称全辐射度）随其温度的变化规律，其数学形式可由普朗克辐射定律对波长在0~∞范围内积分得到。444210415)()(TTCCdTMTMbbσ称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，σ＝5.6697x10-8W/(m2K4)。该定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体，都会自发向外辐射红外热辐射，而且黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比，当温度有较小变化，将会引起物体发射的辐射功率有很大变化。71.2.1.3辐射的空间分布规律－朗伯余弦定律该定律指出，黑体在任意方向上的辐射强度和该方向与辐射表面法线夹角的余弦成正比，即cos0IIIθ为在与辐射表面法线夹角为θ方向上的辐射强度，I0为θ＝0时的辐射强度。该定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。在实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向进行。如果在与法线成θ角方向检测，则接受到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的cosθ倍。81.2.1.4辐射光谱的移动规律－维恩位移定律为了确定黑体光谱辐射度极大值相对应的波长λm（也称峰值辐射波长）与温度之间的关系，可将普朗克辐射定律对波长λ求微商，并令其为零，可解得到)(8.2897mTm该定律表明，物体越热，其最大辐射波长越短。91.2.2实际物体的红外辐射规律黑体的辐射光谱和强弱只与温度和波长有关，然而实际物体辐射量除依赖于温度和波长外，还与其材料性质和表面状态等因素有关。但只要引入一个随材料性质和表面状态变化的辐射系数，则黑体辐射的4个基本定律可应用于实际物体，从而使得对实际物体辐射规律的研究大大简化。这个辐射系数称为该实际物体的发射率（又常称为黑度），定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。这样，实际物体的辐射规律可表示为如下形式：实际物体在T(K)温度下的光谱辐射度Mλ(T)为1251]1)/[exp(),()(),()(TCCTTMTTMb10实际物体在T(K)温度下的全辐射度M(T)为4)()()()(TTTMTTMb全发射率。时的光谱发射率和分别为该实际物体在和)()(),(KTTT通常，根据光谱发射率随波长的变化形式，可把实际物体分成两类：灰体－光谱发射率与全发射率相等；选择性辐射体－光谱发射率随着波长的变化而变化。111.3发射率及其对设备状态信息检测的影响由于不同物体的光谱发射率ε（λ，T）和全发射率ε（T）值不尽相同，即使在温度和表面积都一样的情况下，它们的辐射功率也并非相同。这给应用红外辐射测温和设备状态信息红外监测带来不确定性。为了解决这个问题，必须了解被测设备表面的发射率，以便对检测结果进行修正。被检测设备表面的发射率可用实验方法直接测得。一般是从文献中查找相应的发射率参考值，但要注意表面状态对发射率的影响。下面定性介绍影响发射率大小的各种因素。121.3.1不同材料性质的影响不同性质的材料因对辐射的吸收或透射性能各异，因此它们的发射性能也应不同。这里讲的不同性质的材料，不仅指材料的化学组分和化学性质的差异，也包括材料的物理性质和内部结构（如表面层结构和结晶状态等）的差异。例如绝大多数纯金属表面的发射率都很低，而绝大多数非金属材料（尤其是金属氧化物）红外光谱区的发射率都很高。当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于0.8。131.3.2表面状态的影响任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度，这将对发射率造成影响，这种影响的大小同时取决于材料的种类。例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是，对于金属材料，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；而表面抛光，温度为310K时，发射率就仅为0.28。另外，一些人为因素，如施加润滑油及其它沉积物（如涂料等），都会明显影响物体的发射率。对于电力设备，由于表面氧化、表面标识、灰尘吸附等原因，其发射率一般在0.85~0.95之间。141.3.3温度的影响温度对不同性质物体的影响是不同的，很难做出定量分析。实验表明，所有金属材料表面的发射率随温度增加而增加，非金属材料表面的发射率则随温度的增加而减小。151.4背景辐射对设备状态信息检测的影响电力设备运行状态在线红外监测过程中，检测仪器接收到的红外辐射，除包括目标自身发射的红外辐射外，还包括设备其它部位及周围环境的辐射，以及目标对太阳和环境辐射的反射与散射。所有这些干扰均称为背景辐射。由于被检测目标的平衡温度除热传导外，还取决于它与周围环境的对流和辐射热交换，所以在进行设备运行状态的红外检测时，必须考虑环境背景辐射的影响。为了减小背景辐射的影响，除应选择无阳光照射的时间进行检测和采取遮挡等措施避开周围背景辐射以外，更为有效的主动措施是选择合适的检测距离和仪器视场角进行检测。16实际检测中，给定的红外仪器（无论是红外测温仪还是热像仪）其视场角是固定不变的（除非更换镜头）。在这种情况下唯一的办法就是选择合适的检测距离，在保证安全的情况下，应按以下准则来确定检测距离：0tgdLL为检测距离（红外仪器与检测目标之间的距离），d为被检测目标最小方向尺寸（如接头或套管目标的直径），θ0为红外仪器视场角。通常为了更可靠起见，一般按照下式确定检测距离：03tgdL应选择高空间分辨率（小瞬时视场角）的红外热像仪。171.5红外辐射的大气衰减及其对热状态信息检测的影响大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程，对物体的辐射强度会有衰减作用，这种现象可称之为“消光”。大气的消光作用与波长有关，有明显的选择性。红外在大气中有三个波段区间能基本完全透过，称为“大气窗口”，分别为近红外（1～2.5μm）、中红外（3～5μm）和远红外（8～14μm）。对于电力设备，其大部分温度较低，集中在300K～600K左右。在这一温度区间，设备发射的红外辐射信号，在远红外区间内所占的百分比最大。因此，大部分电力系统的红外检测仪器工作在8～14μm的波长范围内。同时，由于该波长范围远离可见光波段，因此，红外成像设备可以在白天工作，受可见光影响较小。不过，即使工作在大气窗口，大气对还是有消光作用。尤其是大气中的水蒸气对红外辐射影响最大。因此，在检测时，最好湿度小于85％，距离则越近越好。181.6红外成像设备工作原理电力设备运行状态的在线红外检测或故障检测，实质就是对设备（目标）发射的红外辐射进行探测及显示处理的过程。设备发射的红外辐射功率经过大气传输和衰减后，由检测仪器光学系统接收并聚焦在红外探测器上。在此，把目标的红外辐射信号功率转换成便于直接处理的电信号，经过放大处理，以数字或二维热图象的形式显示目标设备表面的温度值或温度场分布。在设备热状态信息的红外探测过程中，最关键的环节是把代表设备热状态信息的红外辐射功率信号转换成电信号，这个功能由红外探测器完成。19设备热状态信息红外探测原理示意图被测设备表面光学系统红外探测器放大温度（场）显示装置红外辐射聚焦红外测温仪——数字化平均温度显示红外热像仪或热电视——黑白灰度或伪彩色化热图像显示20现已研制出的红外探测器，品种繁多，而且结构新颖、灵敏度高、响应速度快。按工作温度可分为低温探测器（需要用液氦、氖、氮或氩气制冷）、中温探测器（用热电制冷，在195~200K温度范围工作）和室温探测器（不制冷）；按响应波长范围可分为近红外、中红外和远红外探测器；按结构和用途可分为单元探测器、多元列阵探测器和焦平面成像探测器。按对辐射的不同响应方式，可分为光电探测器和热敏探测器。21红外测温仪器的另一个重要部分是红外光学系统。红外光学系统用于汇聚被测目标的辐射通量，并将其传输到红外探测器上，它与探测器一起决定该仪器的视场和空间分辨率。22二、电力设备发热机理23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。当电力设备缺陷或故障时，缺陷部位的温度将产生异常变化。对于电力设备到处可见的导线和连接件以及很多裸露工作部件，由于在成年累月的运行中，受环境温度变化、污秽覆盖、有害气体腐蚀、风雨雪雾等自然力的作用，再加上人为设计、施工不当等因素，均会造成设备老化、损坏和接触不良，导致介质损耗、泄漏电流和接触电阻的增大，从而引起相应的局部发热而温度升高，若未能及时发现和制止这些隐患的发展，其结果会是这些缺陷或故障恶性循环发展而引发连接点熔焊、导线断裂、甚至设备爆炸起火等事故。242.1电力设备故障分类电力设备故障可分为外部故障和内部故障两大类，其基本特征如下：1）外部热故障的特征它以局部过热的形态向其周围辐射红外线，各种裸露接头、连接件的热故障，其红外热像图显现出以故障点为中心的热场分布。从设备的热图像中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布可准确地确定故障的部位及故障严重程度。2）内部热故障的特征它的发热过程一般都较长，且为稳定发热，与故障点接触的固体、液体和气体，都将发生热传导、对流和辐射，从而有许多与设备外壳相距不很远的内部故障所产生的热量，能不断地传输到达外壳，改变了设备外表面的热场分布。252.2电力设备内部热故障种类1）电阻损耗增大引起的发热它属于电流效应引起的发热。一般由于导电回路的接头、连接件和触头接触不良，造成接触电阻增大，引起发热。其发热功率为：P=I2R,R为接触电阻。2）介质损耗增大引起的发热它属于电压效应引起的发热。一般由于绝缘介质的劣化、老化、受潮等因素，引起介质损耗增大，产生发热。其发热功率为：P=U2ωCtgδ，其中C为介质两端的等值电容。3）铁芯和可导磁部位故障引起的发热一般表现为磁回路不正常，及由此引起的磁滞涡流损耗增大发热等。主要是由于绝缘不良、设计不当等，而造成局部