红外精确测温201304(朱虎) -讲课版

1、红外测温及分析2013.04 红外基础知识简介 红外辐射相关知识 红外测温技术在电力生产方面的应用 红外图谱分析判据 精确测温红外基础知识简介我们身边充满了电磁波射线X射线 紫外 可见光 红外线（红外辐射） 微波 无线电波红外线波长 0.75m1000m波长 0.40m0.75m红外线分类按波长不同分类：按波长不同分类：近红外近红外 0.75 0.75 3 3 m m中红外中红外 3 3 6 6 m m远红外远红外 6 6 15 15 m m极远红外极远红外 15 15 1000 1000 m m红外线的特性任何温度高于绝对零度（-273.15 ）的物体都会发出红外线，比如冰块。 普遍性红外线

2、的特性辐射能量与物体温度的关系 遵从基尔霍夫定律 遵从普朗克定律 遵从斯蒂芬波尔兹曼定律 遵从维恩位移定律大气对红外辐射的影响大气吸收带把红外辐射大致分为三个波段，即大气吸收带把红外辐射大致分为三个波段，即1 12.5m2.5m、 35m35m、 813m813m，可作为透过红外辐射的，可作为透过红外辐射的“大气窗口大气窗口”。红外热成像检测技术，就是利。红外热成像检测技术，就是利用了这些用了这些“大气窗口大气窗口”。红外辐射相关知识物体接收的入射辐射物体接收的入射辐射 辐射辐射物体向外发出自身能量物体向外发出自身能量 吸收吸收物体获得并保存来自外界的辐射物体获得并保存来自外界的辐射 反射反射

3、物体弹回来自外界的辐射物体弹回来自外界的辐射 透射透射来自外界的辐射经过物体穿透出去来自外界的辐射经过物体穿透出去入射辐射 Win反射辐射 W 吸收辐射 W 透射辐射 W W+W+W= Win=100%+=1物体发出的红外辐射物体发出的红外辐射反射辐射源反射辐射 W TTT透射辐射源透射辐射W 自身辐射W物体发出的辐射WexW+W+W= Wex=100%+=1辐射率辐射率又称辐射系数。是衡量物体表面以辐射形式释放能量相对强弱的能力。指物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。辐射率辐射率物体自身的红外辐射是各个方向的，物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量辐射量取决于物取决于物体

4、体自身的温度自身的温度以及它的以及它的表面辐射率表面辐射率. .即使物体温度一样，高辐射率物体的辐射要比低辐射即使物体温度一样，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。率物体的辐射要多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力辐射率辐射率 高高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度, 低低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度 25 20 60 (1)杯中不倒水 (2)杯中倒入20的凉水 (3)杯中倒入60热水影响物体表面辐射率的因素影响物体表面

5、辐射率的因素 材料 表面状态 几何形状 辐射波长 温度影响物体表面辐射率的因素影响物体表面辐射率的因素 几何形状 辐射波长 温度黑体黑体 黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体并不存在黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体并不存在 黑体完全吸收所有的入射辐射，也就是说它既不黑体完全吸收所有的入射辐射，也就是说它既不反射也不穿透任何辐射。即黑体的入射率等于反射也不穿透任何辐射。即黑体的入射率等于1 1 黑体完全辐射自身的能量。即黑体的辐射率等于黑体完全辐射自身的能量。即黑体的辐射率等于1 1其他物体的辐射率介于0和1之间。常见材料辐射率表常见材料辐射率表红外测温技术在电力生红外测温技术在电力生产方面的应

6、用产方面的应用引起电气设备发热的原因引起电气设备发热的原因 回路电阻损耗增大引起发热；回路电阻损耗增大引起发热； 介质损耗增大引起发热；介质损耗增大引起发热； 铁损增大引起发热；铁损增大引起发热； 电压分布异常和泄漏电流增大引起发热；电压分布异常和泄漏电流增大引起发热； 缺油及其它故障引起发热回路电阻损耗增大引起的发热回路电阻损耗增大引起的发热电阻上产生的发热功率为 P= KfI2R式中P 发热功率(W) Kf 附加损耗系数 I 通过的负荷电流(A) R 载流导体的直流电阻值()导致回路电阻增大的原因导致回路电阻增大的原因 导电回路连接结构设计不合理。 安装施工不严格，不符合工艺要求。 导线在

7、外界机械作用下，导致连接松弛。 长期裸露在大气环境中工作，造成接头电接触表面氧化等。 电气设备内部触头表面氧化，多次分合后在触头间存在有机物或碳化物，触头弹簧断裂或退火老化，因触头调整不当或分合时电弧的电腐蚀与等离子蒸汽对触头的磨损及烧蚀，造成触头有效面积减小等。介质损耗增大引起的发热介质损耗增大引起的发热 用作电气内部或载流导体附近电气绝缘的电介质材料，在交变电压作用下引起的能量损耗，称为介质损耗，由此产生的损耗发热功率为CtgUP2 U-施加的电压(V); -交变电压的角频率; C-介质的等值电容(F); tg-绝缘介质损耗因数。引起介质损耗增大的原因引起介质损耗增大的原因 绝缘材料的老化

8、、劣化； 受潮、污秽； 油设备的缺油、油质劣化、老化；铁损增大引起的发热铁损增大引起的发热 对于由绕组或磁回路组成的高压电气设备，由于铁芯的磁滞、涡流而产生的电能损耗称为铁磁损耗。由于交变磁场的作用，电器内部或载流导体附近的非磁性导电材料制成的零部件，产生涡流损耗，因而导致电能损耗增加和运行温度升高。导致铁损增大的原因导致铁损增大的原因 设备结构设计不合理、运行不正常 铁芯材质不良，铁芯片间绝缘受损，出现局部或多点短路可分别引起回路磁滞或磁饱和，或在铁芯片间短路处产生环流，增大铁损并导致局部过热。 如果出现磁回路漏磁，还会在铁制箱体产生涡流发热。电压分布异常和泄漏电流增大引起电压分布异常和泄漏

9、电流增大引起的发热的发热 有些高压电气设备，在正常运行状态下，有一定的电压分布和泄漏电流。当出现故障时，将改变其分布电压Ud和泄漏电流Ig的大小，并导致其表面温度分布异常。其发热功率是由分布电压与泄漏电流的乘积决定，即 P=Ud Ig 式中 Ud 分布电压 Ig 泄漏电流缺油及其他故障引起的发热缺油及其他故障引起的发热 油浸高压电气设备由于渗漏或其他原因造成缺油或假油位，严重时可以引起油面放电，并导致表面温度分布异常。 过负荷、电压变动、设备冷却系统缺陷、散热条件不良等引起的热故障。故障发热对电力设备的危害故障发热对电力设备的危害 电力设备中使用大量的金属材料和绝缘介质材料 金属材料 金属材料

10、在高温状态下将由极微小的变形而逐步累积，渐渐变到一种缓慢稳定的变形，继续发展为加速变形直到断裂破坏。 极微小的变形 缓慢稳定的变形 加速变形 断裂破坏 绝缘介质材料 在高温作用下，绝缘材料的物理和化学特性将发生改变，如变色、变粘、变脆、变硬，甚至开裂、碳化而完全失效。 一般认为，当材料的工作温度超过它的允许温度10左右时，绝缘材料的寿命将降低到原来寿命的一半左右。电气设备热缺陷分析红外判定方法电气设备热缺陷分析红外判定方法 表面温度判断法 同类比较法 图像特征判断法 相对温差法 档案分析法 实时分析法表面温度判断法表面温度判断法 适用范围：电流致热型设备、电磁效应致热型设备 主要依据：GB/T

11、 11022 高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求GB 76390 交流高压电器在长期工作时的发热DL/T 664带电设备红外诊断应用规范附录C表面温度判断法举例表面温度判断法举例热点位置：10kV电容器组刀闸静触头热想特征：以触头为中心的热像，热点明显热点最高温度：94.5 ；最大相对温差：60.5 ；同类比较法同类比较法 适用范围：电流致热型设备、电压致热型设备 主要依据：DL/T 664带电设备红外诊断应用规范 方法：根据同组三相设备、同相设备之间及同类设备之间对应部位的温差进行比较分析，确定缺陷类型。同类比较法举例同类比较法举例电容器发热，热区温度明显高于同类设备说明存在缺陷。11

12、0kV耦合电容器缺油C相上部的低温部位为缺油区，而且整体温度明显高于另外两相。查明为缺油受潮。图像特征判断法图像特征判断法 适用范围：电压致热型设备 主要依据：DL/T 664带电设备红外诊断应用规范附录图谱 注意事项：应尽量排除干扰因素，必要时结合电气试验或化学分析结果综合判断。图像特征判断法举例图像特征判断法举例石家庄供电公司东寺220kV 变电站223B 相耦合电容器，第三节耦合电容器及小套管处发热异常，第三节耦合电容器表面温度为12.7 ，小套管表面温度为85（正常相温度为10.7），属严重缺陷。经查，发热原因小套管引线断线，套管根部高阻接地导致发热引起小瓷套崩裂（但电压抽取正常）。底

13、部由于渗油、受潮或放电使得第三节耦合电容器内部温度升高，通过瓷套传递从而表现出来。当日立即停电并连夜查找备件，次日更换完毕后恢复正常。相对温差法相对温差法 适用范围：电流致热型设备，特别是对小负荷电流致热型设备可降低小负荷缺陷的漏判率。 主要依据： DL/T 664带电设备红外诊断应用规范附录A相对温差法举例相对温差法举例 刀闸B相出现过热，最高温度103.9 ，最低温度47 。最大相对温差达到110；属于紧急缺陷。停电后进行处理缺陷消除，温度恢复正常值。档案分析法和实时分析法档案分析法和实时分析法 适用范围：各类设备 需要建立电气设备红外档案或进行长时间连续观测红外图谱分析判据红外图谱分析判

14、据红外图谱分析判据 电压致热型设备判据 电流致热型设备判据 综合致热型设备判据 电磁致热型判据电流致热型设备缺陷判别电流致热型设备缺陷判别依据： DL/T 664带电设备红外诊断应用规范附录A步骤：识别设备类别、部位辨别热像特征根据红外测温数据判定缺陷性质最高温度点温度确定计算相对温差1. 依据热图特征进一步确定缺陷电流致热型设备缺陷判别举例电流致热型设备缺陷判别举例最高温度环境温度相对温差%区域1146.4 26.0 74.25 区域257.0 26.0 0.00 区域357.0 26.0 0.00 1、识别缺陷部位名称； 该发热处为隔离开关刀口（握手处）； 2、热像特征描述； 以刀口压接处

15、为中心的热像。3、根据所给数据,分析判定缺陷性质 热成像测得的中相最高温度146.4，热点温度大于130，应判断为危急缺陷；电流致热型设备缺陷判别举例电流致热型设备缺陷判别举例最高温度环境温度相对温差%设备170.9 29.5 73.67 设备240.4 29.5 -7.34 设备341.2 29.5 6.84 1、识别缺陷部位名称；该发热处为隔离开关刀口（握手处）； 2、热像特征描述； 以刀口压接处为中心的热像。3、根据所给数据,分析判定缺陷性质热成像测得的中相最高温度70.9，相对温差73.67%，应判断为一般缺陷；电压致热型设备缺陷判别电压致热型设备缺陷判别依据： DL/T 664带电设

16、备红外诊断应用规范附录B步骤：识别设备类别、部位辨别热像特征根据红外测温数据及图谱特征判定缺陷性质最高温度点温度确定计算相对温差依据热图特征进一步确定缺陷电压致热型设备缺陷判别举例电压致热型设备缺陷判别举例1、识别缺陷部位名称； 该发热处为瓷质绝缘子铁帽； 2、热像特征描述； 以绝缘子铁帽为中心的热像。相邻绝缘子温差很小。热点温差超过1 3、缺陷性质判定 热成像图特征符合低值绝缘子发热特点；电磁致热型设备缺陷判别电磁致热型设备缺陷判别依据： 可依据电流致热型设备判据处理步骤：识别设备类别、部位辨别热像特征根据红外测温数据及图谱特征判定缺陷性质最高温度点温度确定计算相对温差依据热图特征进一步确定

17、缺陷性质电磁致热型设备缺陷判别举例电磁致热型设备缺陷判别举例 变压器磁屏蔽不良，涡流导致损耗发热。综合致热性缺陷判据综合致热性缺陷判据依据： ： DL/T 664带电设备红外诊断应用规范综合判断缺陷性质步骤：识别设备类别、部位辨别热像特征根据红外测温数据及图谱特征判定缺陷性质最高温度点温度确定计算相对温差1.依据热图特征进一步确定缺陷性质其他缺陷举例其他缺陷举例 变压器散热器油路关闭造成散热不良其他缺陷举例其他缺陷举例避雷器发热阻波器涡流发热 设备类别和缺陷部位识别正确 设备发热类型判断准确 保证红外热像相关参数正确红外图谱分析应注意的要点 图像分析时注意反射、大气扰动等对温度值的影响高辐射率

18、物体的红外图像表面温度接近它的真实温度,低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度. 如果一个电力设备由两部分连接在一起,两者温度应该一样,但我们如果看到图像上温度差别很大,那一定是由于两者材料不同或表面光洁度不同,使二者具有不同的辐射率,看上去温度低的部分反射了环境温度或者天空的温度(会出现负温度值) 红外图谱分析应注意的要点红外图谱分析应注意的要点 注意环境温度、负荷电流等参数对缺陷定性的影响热点温升小于15K时，不宜采用DL/T664标准附录A规定确定缺陷性质。对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备，可在增大负荷后复测，当无法改变负荷时可暂定为一般缺陷 严格依据DL/T664标准确定缺陷

19、性质 热像仪显示的红外图像是物体红外辐射的二维图像化，它反映物体表面的温度分布状况，但要想准确测量图像中物体各点的温度，还要对一些物体参数进行设置，如辐射率、距离等，同一物体不同的参数设定，将对温度测量结果产生很大的影响。影响红外热像测量精度的因素 物体的辐射率 反射表观温度 物体与热像仪之间的距离 相对湿度 大气温度 其他扰动影响红外热像测量精度的因素 温度范围、聚焦效果和构图 辐射率、距离、电平值和温度跨度 色彩模式的选择 避免环境的干扰红外图像拍摄时要主要以下几点图像拍摄者应注意热像仪的温度范围、拍摄时的聚焦效果 和图像构成。这三个方面在图像拍摄后将无法改变。错误选择的温度范围将使红外热

20、图在温度超限区域失去对比度，并导致温度测量错误。聚焦不良好拍摄出来的图像模糊、不清晰，同时也影响测量结果的准确性。红外热图的构图应将要测量的目标物体显著表现出来，使图像美观，便于识别。不能将其放在图像的拐角或边缘。此外，拍摄时与目标的距离对拍摄效果和准确测温也有较大影响。应当在安全允许的情况下尽可能靠近被摄目标。温度范围、聚焦效果和构图 正确的目标辐射率设定才能实现准确的温度测定。此外，距离此参数也对测温的准确性有一定影响。 拍摄时应所选择恰当的电平值和跨度值能够优化图像，提高图像的对比度。 温度跨度指图像显示最高温与最低温之间的跨度，可以认为它就是“热对比度”。红外热图的温度跨度越宽图像的对

21、比度越差，反之越好； 电平值是温度跨度值的中间值，可以认为是“热亮度”。该值越高，图像越暗。在实际测量中，我们常采用自动调节电平值和跨度值，但对于与环境温差较大，自身温度分布差别不大的目标，手动调节图像会更清晰，如测量电压致热型设备的电容器、避雷器或线路的绝缘子辐射率、距离、电平值和温度跨度色彩模式或调色板实现将热图中的温度信息以不同的颜色表现出来。合适的色彩模式可以将温度的分布状况以较好的颜色对比度来显示图像中的温度层次。一般高对比度的色彩模式用于显示低对比度的目标；低对比度的色彩模式显示用于高对比度的目标 色彩模式的选择 环境的干扰有点源目标的反射干扰、背景辐射干扰、气象条件的干扰的干扰等

22、情形。点源目标的反射容易让我们产生错觉，它并不是目标真实的辐射，我们可以通过调整拍摄角度来判断和识别。目标真实的温度分布是渐变的，而反射的温度分布则不同。避免环境的干扰对于背景干扰，一般而言，高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度,低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度。这正是由于，低辐射率物体表面反射环境温度所致。因此，如果一个电力设备由两部分连接在一起,两者温度应该一样,但我们如果看到图像上温度差别很大,那一定是由于两者材料不同或表面光洁度不同,使二者具有不同的辐射率,看上去温度低的部分反射了环境温度或者天空的温度(会出现负温度值)避免环境的干扰精确测温一般检测： 适用于用红外

23、热像仪对电气设备进行大面积检测精确检测： 主要用于检测电压致热型和部分电流致热型设备的内部缺陷，以便对设备的故障进行精确判断精确测温概念DL/T 664带电设备红外诊断应用规范 人员要求 安全要求 检测环境条件的要求 检测仪器的要求现场检测的要求 红外检测属于设备带电检测，检测人员应具备如下条件：人员要求 熟悉红外诊断技术的基本原理和诊断程序，了解红外热像仪的工作原理、技术参数和性能，掌握热像仪的操作程序和使用方法了解被检测设备的结构特点、工作原理、运行状况和导致设备故障的基本因素熟悉DL/T 664带电设备红外诊断应用规范，接受过红外热像检测技术培训，并经相关机构培训合格具有一定的现场工作经

24、验，熟悉并能严格遵守电力生产和工作现场的有关安全管理规定安全要求 严格执行电力安全工作规范（包括变电部分和线路部分）应严格执行变电站及线路巡视的要求a)应有专人监护，监护人在检测期间应始终行使监护职责，不得擅离岗位或兼任其他工作检测环境条件的要求 一般检测要求： 被检设备是带电运行设备，应尽量避开视线中的封闭遮挡物，如门和盖板等 环境温度一般不低于5，相对湿度一般不大于85%；天气以阴天、多云为宜，夜间图像质量为佳；不应在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行，检测时的风速一般不大于5m/s（树叶和树枝摆动不息，旗帜展开为3.45.4m/s） 户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头，在室内或晚上

25、检测应避开灯光的直射，宜闭灯检测 检测电流致热型设备，最好在高峰负荷下进行。否则，一般应在不低于30%的额定负荷下进行，同时应充分考虑小负荷电流对测试结果的影响检测环境条件的要求 精确检测要求（除满足一般检测的环境要求外，还应满足的要求） 风速一般不大于0.5m/s（烟不是直上的，而是指向一定方向，树枝略有搬动为0.31.5m/s） 设备通电时间不小于6h，最好在24h以上 检测期间天气为阴天、夜间或晴天日落2h后 被检测设备周围应具有均衡的背景辐射，应尽量避开附近热辐射源的干扰，某些设备被检测时还应避开人体热源等的红外辐射 避开强电磁场，防止强电磁场影响红外热像仪的正常工作检测仪器的要求 响

26、应波长范围（一般814um） 空间分辨率（标准镜头配置不大于1.5毫弧度） 温度分辨率（不大于0.1） 像素（不低于320*240） 温度测量范围（-20200 ） 辐射率（0.011连续可调，以0.01为步长） 可存储红外热像图及各种参数1、准备阶段 人员分工明确（包括工作负责人和专责监护人）、热像仪电池充电、存储卡检验、设备开机检测、主要参数设定以及其他辅助工具等（如三脚架、照明设备、记录本等）现场精确红外测温2、测试阶段 测试时间：日落后2小时，日出前2小时 测试环境：风速、雨雾、现场应关闭照明 测试记录：应包括设备编号、设备名称、电压等级、缺陷部位、表面温度、参照体温度、负荷电流和额定

27、电流、缺陷性质、测试时间 红外图片：110kV及以下设备至少保证每三相同类设备有一张红外图片。220kV级以上设备应保证每个设备有一张红外图片。同时对应红外图片应有一张可见光图片 文件命名：可见光与红外图片应恰当命名现场精确红外测温现场精确红外测温3、分析阶段 宜采用软件分析 分析应给出： （1）热点位置、特征描述 （2）缺陷性质判定及其依据 （3）处理意见建议红外热像仪参数设定 辐射率：0.9 距离：15m 热像仪温度档位： 红外热像仪一般有两个以上温度测量档位，使用前应根据预估的被测电气设备可能温度值进行设置，尽可能采用可覆盖设备可能温度范围条件下最小的温度范围档位红外热像仪参数设定 红外

28、热像仪测温跨度 红外热像仪测温跨度指热像仪中对应伪彩色最高温度值与最低温度值的差值。热像仪使用前应根据被测设备可能的发热类型进行初步设定。一般应确保测温跨度覆盖被测设备最高温度与本体平均温度范围，并以能清晰成像为原则。 电平值或测温平均值 该值指红外热像仪温度跨度的中间值对应的实际温度值。该值一本设定为电气设备整体或所关心区域的平均温度值。恰当设置该值与测温跨度该值可以有效发现温升较低的各类非电流热致热型缺陷。红外热像仪参数设定 环境参考体温度 用来采集环境温度的物体。它不一定具有当时的真实环境温度，但具有与被测设备相似的物理属性，并与被检测设备处于相似环境中。一般可选取停运的电气设备同类材质部位，选取时还需特别注意其表面氧化、覆污等情况应尽可能与被测设备相类似，并最好与被设备处于同一方向或同一视场中。红外热像仪参数设定 测试距离 红外精确测温要求在保证安全的前提条件下尽可能接近被测目标。确定测试位置后应根据测试点与被测点距离设置该参数该参数的设置一般可以采用目测热像仪镜头与被测目标之间距离的方式进行设置。红外热像仪参数设定 环境温度、湿度值 测温工作开始前应首先读取温湿度计上的温度、湿度数据作为环境（大气）温度及湿度值参数的设定数据。 其