红外热像仪原理

1、第一章红外的基本原理85%理论分析和实验研究表明，任何温度高于绝对温度（-273 r）的物体，表面都在不断地辐射红 外线。红 外线是电 磁波的一种，可见 光的波长范 围为0.380.78um,红外线的波长范围为 0.781000um。普通玻璃能透过可见光，但 是却几乎不能透过红外线，所以许多可见光透明的介质，对红外线却是不完全透 明。红外成像设备就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。它反映物体表面的红外辐射场，即温度场。并根据物体表面的温度场，定量的测 量物体的某一部分的平均温度。注意:红外成像设备只能反映物体表面的温度场。对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是 通过探

2、测被诊断设备表 面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判 据，作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。为了深入理解电力设备故障的红外诊断原理， 更好的检测设备故障，下面将 讨论电力设备状态与其产生的红外辐射信号之间的关系和规律、影响因素。发射率及其对设备状态信息监测的影响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反射性能各异， 因此它们的发射性能也应 不同。一般当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于 0.8。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。因此, 这种不同的表面状态，将对反射

3、率造成影响，从而影响发射率的数值。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大或无关。但是, 对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。 如熟铁，当表面状况 为毛面，温度为300K时，发射率为0.94;当表面状况为抛光，温度为310K时, 发射率就仅为0.28。另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施加润滑油及其 他沉淀物（如涂料等），都会明显地影响物体的发射率。因此，我们在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下，当我们不了解发射率，可以用相间比较法来判别故障。对于电力设备，由于表面氧化、表面表识、灰尘吸附等原

4、因，其发射率一般 在 0.85-0.95 之间。3. 温度影响温度对不同性质物体的影响是不同的， 很难做出定量的分析， 只有在检测过 程中注意。 所有金属表面的发射率随温度而增加， 非金属表面的发射率已伴随温 度的增加而减少。二. 物体之间的辐射传递的影响由于物体（非透明）对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射，而当达到热平衡后，其吸收的辐射能必然转化为向为发射的辐射能.因此，当我们在一个变电站中， 检测任意一个目标时， 所检测出来的温度， 必然还存在着附近其他物 体的影响（包括灯、太阳等红外发射源） 。因此，我们在检测时， 要注意检测的方向和时间， 使其他物体的影响降到最 小。三. 大气衰减

5、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，我们称之为消光。大气的消光作用与波长相关， 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，我们称之为大气窗口，分为近红外（12.5 um），中红外（35 um），远红外（814 um）。对于电力设备，其大部分的温度较低，集中在300K600K （27r327C） 左右，在这一温度区间内， 根据红外基本定律可以推导出， 设备发射的红外辐射信号，在远红外814 um区间内所占的百分比最大，并且辐射对比度也最大。因此，大部分电力系统的红外检测仪器工作在 814 um的波长之内。同时，工作在 814

6、um的波长之内，由于远离可见光波段，因此，红外成像设备都可以在白天 工作，受可见光影响较小。不过，请注意，即使工作在大气窗口内，大气对红外辐射还是有消光作用。尤其，水蒸气对红外辐射的影响最大。因此，在检测时，最好在湿度小于以下，距离则越近越好。第二章电力设备发热的机理主应引起的正常运行的电力设备，由于电流、电压的作用将产生发热，发热和电压效应引起的发热 要包括电流效。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

7、因素，均会造成设备老化、损坏和接触不 良，必将导致介质损耗增大、 泄露电流增大和接触电阻的增大， 从而引起相应的 局部发热而温度升高， 若未能及时发现而不能及时制止这些隐患的发展， 其结局 会是因恶性循环而引发连接点熔焊、导线断裂、甚至设备爆炸起火等事故。电力设备故障可分为两大类，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。所以，从设备的热图像中可直观地判断是否存在故障， 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

8、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， 能不断地到达外壳， 改变了设 备表面的热场分布。对于处在设备内部的各种部件，如导电回路、绝缘介质和铁芯等， 当它们故 障时会产生不同的热效应，主要包括下面几种：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 P=I2RR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

9、发热。其发热功率 P=U23 CtgS，其中C是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，及引起的磁滞涡流损耗增大发热。主要是由于绝缘不良、设计不当等，而造成局部磁短路 和漏磁，形成局部过热。4.电压分布不匀造成的温度变化。一般由于电压型设备内部元器件的缺陷,引起电压分布异常，造成设备温度分布的异常。FZ-110避雷器由于第二节元件内部受潮，引起各节的电压分布异常，其红外热像图表现为正常元件温度高于正 常温度，受潮元件温度低于正常温度。5. 设备内部缺油造成的温度变化。一般由于设备内部漏油造成油位下降， 会 产生两种不同的热效应。一种是缺油时造成绝缘强度

10、降低， 而引起局部放电，导 致发热；另一种是缺油的油面处，由于上下介质不同，它们的热容系数相差很大 而造成热场分布存在差异。这种状态为红外诊断设备内部的真实油面提供了条 件。具体的电力设备发热的机理1.变压器箱体涡流损耗发热因变压器内部磁通泄漏，产生涡流损耗，引起箱体或部分连接螺杆发热，它 的热像特征是以漏磁通穿过壳体而形成环流的区域为中心的热场分布。2.变压器内部异常发热变压器内部出现异常发热时，有可能引起箱体局部温度升高。但这种热谱图 不具有环流形状。这类缺陷同时伴有变压器内部油的变化， 应该结合色谱分析进 行判断。3. 高压套管缺陷变压器套管的内部缺陷一般有三类，一类是因其绝缘不良而使介

11、损增大，其 热像显示套管整体温度偏高；第二类是导电回路连接件接触不良， 造成接触电阻 过大而过热，其热像显示依发热点为中心的热谱图； 第三类是因套管油泄漏或注油时气未排净而造成的缺油现象，其热像显示是在无油处温度偏低，可显示缺油 界面。4. 变压器冷却系统阻塞变压器冷却系统中阻塞故障，可在图像上直观显示，受阻两侧温度场明显有 异。5. 少油断路器动、静触头接触不良少油断路器动、静触头接触不良，引起发热，其热像特征显示为顶帽下温度Td最高，瓷套下法兰温度Tf的温度次之，瓷套温度Tc最低；在进行相间比较时，若温度比正常相差高 10K 的应判断为有缺陷。6. 少油断路器中间触头接触不良少油断路器中间

12、触头的接触电阻过大，引起发热，其热像特征是其瓷套下法兰温度Tf最高，Tc最低，即表现为Tf?Td?Tc,相间温差也不应大于10K。7. 少油断路器静触头基座接触不良少油断路器的静触头基座与台面接触不良，引起发热，此时热像显示其顶帽 中部温度 Td 最高，而瓷套下法兰与瓷套的温度接近，但仍高于瓷套温度。即为Td?Tf?Tc，相间温差也不应大于10K。8. 多油断路器内部触头接触不良2K。多油断路器内部触头接触不良的热像特征是油箱上部温度高， 且温度从上至 下递减。判定有无缺陷的标准是通过相间图像比较，温差不应大于9. 电磁式电压互感器内部故障电磁式电压互感器内部故障包括铁芯发热（生锈、生产质量不

13、过关为主） 绕组绝缘缺陷等， 随着电压等级的升高， 绝缘介质缺陷比例增大。 必要时应配合 色谱和电气实验结果综合分析，确定缺陷性质和处理意见。10. 电容型电压互感器内部故障电容型电压互感器的内部故障包括电容器内部缺陷和中间变压器内部缺陷。它们正常的热像特征是三相温升与温差都不大， 本体温度分布均匀， 不应有局部 过热现象。 其内部故障的诊断采用相间比较法， 电容器部分可参照耦合电容器的 要求进行， 中间变压器部分可参照上述的电磁式电压互感器， 即相间温差（对于35KV 及以上的设备）不应超过 2K。11. 电流互感器内部故障电流互感器的内部故障主要是内部连接接触不良和绝缘介质缺陷两类。 当设

14、 备正常时， 热像特征是三相温升温差均很小， 当不考虑外部风力对流冷却的作用 时，对于35KV及以上的设备，其整体最大相间温差只在 1.3K左右，而实际运 行的户外设备， 由于微风对流经常存在， 故其相间温差更微小。 故在诊断电流互 感器内部是否存在绝缘缺陷时， 仍采用相间比较法； 若内部连接接触不良时， 可 能引起温升，导致其相应的局部表面过热， 可达数十度， 考虑到互感器顶帽内外部温差可能达3045K,所以判断油浸式互感器内部连件不良的最高温度值应在55C以下。12. 避雷器故障避雷器的型号较多， 但不论是普阀式、 磁吹式还是氧化锌避雷器， 在正常运 行时它们都有轻微发热的元器件， 前两者

15、是间隙并联电阻， 后者是氧化锌元件本 身。但当避雷器元件老化、 受潮或并联电阻断裂， 其内部会产生闪络现象从而引起发热。虽温差只1K左右但在图像上能明显看出发热部位。13. 电力电容器内部故障电力电容器用途多、 种类多， 但按其结构可分为两大类， 一类为铁壳封装的 扁方体，其介质损耗功率较大，表面温升较高，并联电容器属此类型； ；另一类 为瓷套封装的圆形体，介质损耗因数小，温升不高，其最热温度是接近顶部，它 们的温度分布是上节低， 下节高， 判别缺陷的方法用同类设备图像比较法， 它们 相对应部位的温差应在 1.5K 左右或更低，耦合电容器属此类型。14. 电缆内部故障电缆内部缺陷包括绝缘不良和

16、导体连接处接触不良两种， 它们的热像特征都 是缺陷的相应外表面部位过热， 或是整体过热， 或是局部过热。 一般电缆允许的最大温升不得超过40K （铠装的稍高）15. 绝缘瓷故障瓷绝缘一般分为瓷绝缘子和瓷绝缘支柱两类。正常的瓷绝缘子串的发热很小， 它的热分布与其电压分布规律相同， 是不对 称的马鞍形，即在绝缘子串的两端温度较高， 向中间逐渐减低， 温度是连续分布， 相邻绝缘子之间温差极小，不超过 1K ;当绝缘子的性能劣化后，它的绝缘电阻 减小，当绝缘电阻降为10300MQ时，称为“低值绝缘子”；当绝缘子阻降为5M Q以下时，称为“零值绝缘子”。对于低值和零值绝缘子，由于它们的绝缘 电阻值不同，

17、 绝缘子串的电压分布将发生变化， 毫无疑问， 其发热规律也有相应改变。低值绝缘子热像特征显示钢帽温度较高，相邻片间温差不要超过1K;零值绝缘子的热像特征显示钢帽温度偏低；而当绝缘电阻值介于在 510M Q之间时，此时的热像显示往往与正常状态相似，不易区别，因此我们称此时为“检测 盲区"，应引起关注；对于污秽瓷绝缘子，它的热像特征表现为瓷盘表面温度偏 咼。正常瓷绝缘支柱的热像特征是上部温度较高，下部温度较低；当支柱绝缘劣 化时，其热场分布将发生改变，如可能出现上低下高的温度分布。16.导流元件和设备外部故障导通电流用的连接件在电力系统中占有极其重要的地位， 包括各种电力设备 的引出线连

18、接件。导通电流的元件设备也很多，如各种导线、母线、隔离开关、 熔断器、穿墙套管、阻波器等，它们的结构简单，其发热机理主要是由于导体接 触不良引起，绝大部分均属于外部故障，图像上一目了然。此外，设备外部故障还有穿墙套管支撑板设计不佳造成涡流过热、阻波器内 避雷器劣化、电抗器支持瓷柱地线未开口等设计缺陷造成过热。 保护和控制回路中也存在大量因接触不良引起的过热，其热像图显示十分明确。第三章电力红外论断方法发展到目前为止，电力设备采用红外诊断故障的方法， 基本可归结下述5种。1. 温度判断法遵照已有的标准，对设备温度过热的部位按有关规定进行。 根据直接测出的 设备温度，判定设备的故障情况，确定处理意

19、见。2. 相对温差法“相对温差”是指设备状况相同或基本相同（包括设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷电流等）的两个对应测量点之间的温差，与其中较热点 温升的比值的百分数。当环境温度较低，尤其是负荷电流小的情况下，设备的温 升值并没有超过有关规定，但大量事实证明此时的温升值并不能说明该设备没有 缺陷或故障存在，往往在负荷增长之后，或环境温度上升后，就会引发设备事故。主要针对电流型设备要采用“相对温差”法来判别故障是否存在。对于温升小于10K,但相对温差很大的设备缺陷，如有条件改变负荷率，可增大负荷电流后进行复测， 以确定设备缺陷的性质。 如不能增大负荷电流， 可暂 定为一般缺陷，并注意监

20、视。3. 同类比较法同类比较法通常也称做“纵向比较法”和“横向比较法” 。是指在同类设备 之间进行比较， 所谓“同类” 设备的含义是指同一回路的同型设备和同一设备的 三相，即它们的工作状况、 环境温度及背景热噪音相同的同型设备。 具体作法就 是对同类设备的对应部位温度值进行比较， 图像上进行比较就可以容易地判断出 设备是否正常。在进行同类比较时， 要注意不能排除三相设备有同时产生热故障 的可能性。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。4. 热谱图分析法这是一种常见的经验判断法， 能发现一些特殊的设备缺陷。 它根据同型设备 在正常状态和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常。5. 档

21、案分析法档案分析法就是将测量结果与设备的红外技术档案想比较而进行分析，对 重要的、结构复杂的设备进行正确判断。 这种方法的基础是要为被诊断的设备建 立红外检测技术档案， 在诊断设备有无异常时， 可分析该设备在不同时期的红外检测结果，包括温度、温升和温度场分布有无变化，掌握设备发热的变化趋势，同时还应配合其他的检测实验结果，如油色谱分析等，进行综合判断。第四章红外成像设备注意事项. 检测位置的选择1. 位置固定通常应选择一个能在较宽的范围内看到各个被测设备， 并可检测其有关部位温度的适当位置。因为在电气设备运行状态的温度管理中，经常需要把同组设备相同部位在不同时期检测的结果进行比较， 以便掌握设备运行状况及故障隐患的发展变化情况。所以，检测位置最好能固定，这样才能保证不同时期的 检测结果具有可比性。2. 距离适宜由于大气衰减的作用，距离应该越近越好，物体成像大小至少要大于十字测温点的交叉点 4 倍以上。3. 方向合理首先，根据朗伯余弦定律，我们应该首先确定物体的法线方向，尽可能使检测仪器于被测目标辐射表面接近垂直的方向为宜。但是，还要考虑到其他设备的影响。所以，应从多