红外热成像预测电气线路火灾实验研究

1、题目： 红外热成像预测电气线路火灾实验研究姓姓 名：郝名：郝 海海 斌斌时时 间：间：2014年年5月月27日日1红外热成像预测电气线路火灾实验研究220032010年我国火灾事故统计年份火灾起数死亡人数受伤人数直接财产损失（亿元）电气火灾起数比例（%）20032539322482308715.9303562320042528042563296916.72944820.720052359412500250813.73138021.92006164000161796911.34624728.3200715900014188639.94570328.820081330001385684154000

2、030.12009127000107658013.23877030.52010132497110857317.74123731.134年份全国火灾统计人员密集型场所火灾统计事故起数死亡人数受伤人数直接财产损失（亿元）事故起数死亡人数受伤人数直接财产损失（万元）2003253932 2482308715.9950822840412494.32004252804 2563296916.79194306543312622005235941 2500250813.7942230650813275.82006164000 161796911.3-2007159000 14188639.920150261

3、217240002008133000 13856841515831238176520002009127000 107658013.21488817313920426.820032009年全国火灾统计与年全国火灾统计与 人员密集场所火灾统计人员密集场所火灾统计520032009年全国火灾统计与年全国火灾统计与 人员密集场所火灾统计人员密集场所火灾统计6 最主要原因：短路、超负荷、接触不良和过热。 电气火灾具有隐蔽性较强，不易被发现的特点。 人员密集型场所火灾后果严重。 西单文化广场消防检测项目。针对2013年1月因电气线路温度过高引发的电气火灾事故，利用红外热成像技术，对电气线路运行时的温度进行

4、测试，检测电气线路运行状态，预防火灾事故的发生。研究背景研究背景7研究现状1949年，Leslie等人利用红外技术对高压输电线路的过热接头的运行状态进行探测研究；1964年，世界上第一套工业应用的红外热成像仪由瑞典AGA公司和瑞典国家电力局共同配合研制成功；20世纪60年代，我国开始对红外诊断技术进行研究，20世纪70年代，将红外热成像仪安装在汽车、直升机等，开始对高压输电线路连接件、电缆、变电站设备等电气设备进行巡回故障检测;1990年，针对电气设备故障的红外诊断技术在国际大电网会议（GIGRE）上得到了充分的肯定；1999年，袁宏永等根据电气线路和设备表面温度场的变化，通过建立数学模型和数

5、据库，对电气线路和设备的故障隐患进行在线诊断；1999年，赵建华等人利用红外热成像技术测量电缆表面温度，通过计算模型获取电缆线芯温度；2000年，陈晓军，红外热诊断系统；2013年，赵纯领采用有限元法对船用电缆温度场仿真研究。8存在问题 （1）大部分研究主要针对高压电力电缆，而对室内用低压单芯导线的研究较少； （2）在线热诊断系统适用于电力系统的重要部位，对于一般室内低压电气线路来说，需要监测的范围过大，该系统经济投入较高，并且室内部分电气线路由于环境限制无法进行全面在线监测和诊断； （3）在室内电气线路检测过程中，需要检测方案、方法具有便携性。9资料的收集、归纳与综合分析资料的收集、归纳与综

6、合分析研究目的、目标、内容和技术路线研究目的、目标、内容和技术路线红外热成像基本原理、设红外热成像基本原理、设备、测温影响因素分析备、测温影响因素分析导线温度场产热、导导线温度场产热、导热、散热原理分析热、散热原理分析实验方案设计实验方案设计确定测温设备与确定测温设备与误差修正公式误差修正公式确定导线线芯温度计算模确定导线线芯温度计算模型及影响因素分析型及影响因素分析表面温度实测值误差修正研究表面温度实测值误差修正研究表面温度变化规律研究表面温度变化规律研究实验现象与获实验现象与获取实验数据取实验数据线芯温度变化规律研究线芯温度变化规律研究线芯温度修正模型线芯温度修正模型技术路线10红外热红外

7、热成像基成像基本原理本原理红外测红外测温基本温基本设备设备测温影测温影响因素响因素分析分析故障诊故障诊断方法断方法基本理论电气线路故障极其原因分析红外检测方法故障诊断技术黑体辐射普朗克辐射定律斯蒂芬-玻耳兹曼定律.发射率红外点温仪红外热成像仪仪器误差分析.二、红外热成像相关技术11电气线路股占主要包括：短路、过负荷、接触不良、过热、因绝缘漏电、导线虚接、接头接触不牢、升高的局部电场强度等。原因：设计制造缺陷（制作工艺）；绝缘腐蚀老化；机械损伤-安装和运行过程；负荷过载。 三、线芯温度理论计算模型建立rwr0Q)()()(xzTzyTyxTxTczy1、电气线路线芯由于自身电阻产生热损耗.2、导

8、致导线温度升高。3、导线主要通过绝缘层表面的热辐射和热对流两种方式与空气发生热量交换。12 三、线芯温度理论计算模型建立 1、线芯发热量计算公式： 2、单位长度导线在单位时间内绝缘层外表面的导热量：)20(1IIQ02022TAR 0ww0wln)(2rrTTQ13 三、线芯温度理论计算模型建立 3、单位时间导线外表面通过热辐射方式向周围空气传递的散热热量为： 4、单位时间导线外表面通过对流换热向周围空气传递的散热热量公式为： 5、导线表面总散热能量： 273273r244rfwwTTQ)(r2CfwwTThQ441/4wcS273273)(2r1.32r2QQfwfwfwwrTTTTTTQ1

9、/4w2r1.32hfwTT14三、线芯温度理论计算模型建立 运行达到稳定状态时，导线本身的温度基本稳定，导线产生的热量与散热达到平衡状态，由能量守恒定律可得到以下方程： 电气线路线芯温度计算模型： 其中：swQQQ 2002020020ln4ln201ln4rrIAQrrArrIATTwswww441/4wS273273)(2r1.32r2QfwfwfwwTTTTTT15三、线芯温度理论计算模型建立影响因素导线特性参数 导线线芯横截面积、导线绝缘层导热系数、导线绝缘层厚度、发射率、导线电阻率、温度系数加载电流 导线温度随电流的增加而升高 非线性，随电流的增加，导线温度上升越来越快换热系数 流

10、体流动产生原因、流动状态、有无相变、表面几何状态、物理性质环境温度 导线温度随环境温度的升高而升高16四、试验方案设计 BV2.5BV2.5聚氯乙烯绝缘单芯铜导聚氯乙烯绝缘单芯铜导线线作为研究对象； 控制变量法控制变量法进行对照实验； 不同电流不同电流和不同不同环境环境温度温度下，导线表面温度表面温度和线芯温度线芯温度的变变化规律化规律； 线芯温度与电流、环境温度、导线表面温度的关系关系； 线芯温度的简化修正模型简化修正模型。实验目的 导线的发热量对环境温度影响不大，环境温度保持不变环境温度保持不变； 导线无薄弱点，即整根导线各处发热及耐热性一致发热及耐热性一致； 导线绝缘良好，导线绝缘层各向

11、导热性能一致导热性能一致； 热量从线芯传导到绝缘层表面再传导到空气中的过程时均匀均匀连续连续的，不会发生突变 这样导线任意特征部位的温度就可以用该部位中一点的温度代替，便于数据处理。实验假设17试验设备-DGJC-II型超负荷实验台外部电源电流表保险丝调压器升流器熔断器电压表指示器风扇分流器大电流发生器18视角：2015；最小焦距：30cm；光谱响应：8m14m；探测器：160120像素非冷却微辐射计；温度范围：-10+250；热辐射测定：4个可移动光标，自动测温、温差、锁定最高与最低温度； 精度：2或2%，操作温度-15+45。HeatSeeker61-846型红外热成像仪大气光机扫描聚光器

12、滤光器被测目标焦平面红外探测前置放大视频放大A/D转换滤光器添加伪彩计算机显示器红外探测器监测器19实验条件关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知中规定所有公共建筑内的单位，包括国家机关、社会团体、企事业组织和个体工商户，除医院等特殊单位以及在生产工艺上对温度有特定要求并经批准的用户之外，夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。环境温度环境温度：18、22、26电流电流：5A、10A、15A、20A、25A、30A、35A、40A查阅电工手册可知BV2.5聚氯乙烯绝缘单芯铜导线长时间运行最大电流30A，表面温度最高7020实验现象-环境温度环境温度2

13、222电流5A时电流40A时21五、实验结果与分析-数据获取数据获取22表面温度测量值修正公式：41441)05.0(95.01fwwTTT环境温度Tf（）电流I（A）表面温度（）误差实测值Tw仪器修正值Tw118518.70 18.73 0.19%181020.59 20.70 0.54%181523.98 24.19 0.89%182027.01 27.29 1.04%182532.08 32.45 1.16%183038.67 39.15 1.23%183546.93 47.52 1.26%184058.55 59.30 1.28%环境温度Tf（）电流I（A）表面温度（）误差实测值Tw仪

14、器修正值Tw122522.52 22.55 0.13%221025.73 25.89 0.62%221529.50 29.76 0.88%222033.89 34.25 1.06%222539.72 40.19 1.18%223046.72 47.29 1.22%223556.67 57.39 1.27%1.27%224068.38 69.25 1.27%1.27%环境温度Tf（）电流I（A）表面温度（）误差实测值Tw仪器修正值Tw126526.68 26.71 0.11%261029.49 29.64 0.51%261531.72 31.95 0.73%262036.44 36.79 0.9

15、6%262542.02 42.48 1.09%263050.35 50.95 1.19%263561.39 62.16 1.25%264073.17 74.10 1.27%1.27%表面测量值修正23六、线芯温度计算模型建立 由 可知存在表面温度理论计算值 ，使 成立，利用迭代法求解获得表面温度理论计算值。SwQQwT0)(wTf441/4ww2020022273273)(2r1.32r2-)20(1ln22)(fwfwfwwwwTTTTTTTrrIAITf环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度（表面温度（）实测值Tw理论计算值Tw2温度差值18518.70 19.450.75 18

16、1020.59 22.922.33 181523.98 28.024.04 182027.01 34.687.67 182532.08 42.8710.79 183038.67 52.6613.99 183546.93 64.1517.22 184058.55 77.4418.89 环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度（表面温度（）实测值Tw理论计算值Tw2温度差值2222522.52 23.44 0.92 22221025.73 26.91 1.18 22221529.50 32.02 2.52 22222033.89 38.69 4.80 22222539.72 46.89 7

17、.17 22223046.72 56.70 9.98 22223556.67 68.19 11.52 22224068.38 81.48 13.10 环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度（表面温度（）实测值Tw理论计算值Tw2温度差值2626526.68 27.44 0.76 26261029.49 30.91 1.42 26261531.72 36.02 4.30 26262036.44 42.69 6.25 26262542.02 50.91 8.89 26263050.35 60.73 10.38 26263561.39 72.22 10.83 26264073.17 85.

18、50 12.33 24表面温度实测值随电流的变化规律25表面温度理论计算值随电流的变化规律26表面温度实测值与理论计算值比较2728环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）线芯温度（线芯温度（）推测值To理论计算值To1温度差值18518.81 19.56 0.75 181021.03 23.36 2.33 181524.98 29.04 4.06 182028.66 36.55 7.89 182534.69 45.89 11.20 183042.54 57.18 14.64 183552.40 70.59 18.19 184066.25 86.28 20.03 22522.62 23.55

19、0.93 221026.29 27.36 1.07 221530.66 33.06 2.40 222035.84 40.59 4.75 222542.73 49.95 7.22 223051.06 61.28 10.22 223562.88 74.71 11.83 224076.90 90.43 13.53 26526.79 27.55 0.76 261030.03 31.37 1.34 261532.75 37.07 4.32 262038.30 44.61 6.31 262544.93 54.02 9.09 263054.75 65.38 10.63 263567.79 78.83 11.

20、04 264081.93 94.57 12.64 线芯温度推测值随电流的变化规律29线芯温度理论计算值随电流的变化规律30表面温度实测值与理论计算值比较31表面温度与线芯温度比较32线芯温度与表面温度关系 （1）实验研究过程中，导线特性参数是固定不变的； （2）环境温度和电流是自变量，导线线芯温度与表面温度是因变量，随环境温度和电流变化而变化。 （3）考虑室内低压检测过程中，无法测量导线加载电流的情况比较普遍。 （4）线芯温度与表面温度和环境温度的函数关系。 （5）一般认为当导线未通电流时，导线线芯与表面温度与环境温度相同。 因此选择导线线芯温度与表面温度相对与环境的温差进因此选择导线线芯温度

21、与表面温度相对与环境的温差进行研究分析行研究分析33线芯温升与表面温升关系-环境18环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度实表面温度实测值测值Tw（）线芯温度推线芯温度推测值测值To（）表面温度温表面温度温升升Tw-Tf（）线芯温度温线芯温度温升升To-Tf（）18518.70 18.81 0.70 0.81 181020.59 21.03 2.59 3.03 181523.98 24.98 5.98 6.98 182027.01 28.66 9.01 10.66 182532.08 34.69 14.08 16.69 183038.67 42.54 20.67 24.54 1835

22、46.93 52.40 28.93 34.40 184058.55 66.25 40.55 48.25 34线芯温升与表面温升关系-环境22环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度实表面温度实测值测值Tw（）线芯温度推线芯温度推测值测值To（）表面温度温表面温度温升升Tw-Tf（）线芯温度温线芯温度温升升To-Tf（）2222522.52 22.62 0.52 0.62 22221025.73 26.29 3.73 4.29 22221529.50 30.66 7.50 8.66 22222033.89 35.84 11.89 13.84 22222539.72 42.73 17.72

23、 20.73 22223046.72 51.06 24.72 29.06 22223556.67 62.88 34.67 40.88 22224068.38 76.90 46.38 54.90 35线芯温升与表面温升关系-环境26环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表面温度实表面温度实测值测值Tw（）线芯温度推线芯温度推测值测值To（）表面温度温表面温度温升升Tw-Tf（）线芯温度温线芯温度温升升To-Tf（）2626526.68 26.79 0.68 0.79 26261029.49 30.03 3.49 4.03 26261531.72 32.75 5.72 6.75 26262036

24、.44 38.30 10.44 12.30 26262542.02 44.93 16.02 18.93 26263050.35 54.75 24.35 28.75 26263561.39 67.79 35.39 41.79 26264073.17 81.93 47.17 55.93 36线芯温升与表面温升关系37线芯温度修正计算模型 从拟合图中可以得到： BV2.5聚氯乙烯单芯铜导线线芯温度计算模型： 一般工程应用时的简化计算模型:092.0)(1863.1-0fwfTTTT092.0)(1863.00fwwTTTT)(0.2简0fwwTTTT3839环境温度环境温度Tf（）电流电流I（A）表

25、面温度表面温度Tf（）线芯温度（线芯温度（）推测值计算模型To误差计算模型To简误差18518.70 18.81 18.74 0.38%18.84 0.16%181020.59 21.03 20.98 0.24%21.11 0.37%181523.98 24.98 25.00 0.09%25.18 0.78%182027.01 28.66 28.60 0.22%28.81 0.53%182532.08 34.69 34.61 0.23%34.90 0.59%183038.67 42.54 42.43 0.26%42.80 0.62%183546.93 52.40 52.23 0.33%52.7

26、2 0.60%184058.55 66.25 66.01 0.36%66.66 0.62%22522.52 22.62 22.52 0.42%22.62 0.02%221025.73 26.29 26.33 0.16%26.48 0.71%221529.50 30.66 30.81 0.47%31.00 1.11%222033.89 35.84 36.01 0.48%36.27 1.19%222539.72 42.73 42.93 0.47%43.26 1.25%223046.72 51.06 51.23 0.34%51.66 1.18%223556.67 62.88 63.04 0.25%6

27、3.60 1.15%224068.38 76.90 76.93 0.04%77.66 0.98%26526.68 26.79 26.71 0.28%26.82 0.10%261029.49 30.03 30.05 0.06%30.19 0.53%261531.72 32.75 32.69 0.17%32.86 0.35%262036.44 38.30 38.29 0.02%38.53 0.60%262542.02 44.93 44.91 0.04%45.22 0.65%263050.35 54.75 54.79 0.08%55.22 0.86%263561.39 67.79 67.89 0.15%68.47 1.00%264073.17 81.93 81.87 0.08%82.60 0.82%0.48%1.25%表面温度最高允许值 北京市地方标准电气防火检测技术规范