紅外熱成像技術在電廠的應用

摘 要：電力行業是目前我國民用紅外熱像儀應用最多的行業，紅外熱成像技術在電廠檢測中應用廣泛。依據紅外熱像測溫和熱像檢測原理，討論電力設備的發熱原理、過熱損耗的危害、故障的在線診斷方法以及影響熱像測溫的因素等。最后針對紅外熱像技術在電廠的應用進行討論。

關鍵詞：紅外熱像儀；熱像測溫；紅外診斷；熱像檢測

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)06-181-03

Application of the Infrared Thermal Imaging Technology in the Power Plant

LI Yunhong LI Junhua2，LI Pei2

(1.School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China；2.Xi′an Power Supply Bureau，Xi′an，710032，China)

Abstract：Infrared imaging technology has been widely used in industrial inspection，especially for power plant in China nowadays.Based on the basic principles of infrared temperature measurement and thermal imaging test，this paper demonstratesthe principle of temperature raising，the damage of high heat wasting，and the factors affecting imaging temperature.Testing experiments on infrared thermal imaging technology in electric power factory are discussed finally.

Keywords：infrared thermal imaging；thermal imaging temperature measurement；infrared diagnosis；thermal image detection

1 引 言

紅外檢測技術是現代科學領域中的前沿學科，國外于20世紀60年代開始應用紅外儀器測定與診斷電力設備的熱缺陷。我國電力部門從20世紀80年代末開始引進紅外熱像儀，并相繼開展理論方面的探討與研究。目前診斷電氣設備故障有以下幾種比較判別方法^[1]：

絕對溫度判別法；相對溫差法；同類比較法；檔案分析法；熱像特征(熱譜圖)分析法。

1998年，內蒙古超高壓供電局趙墨林等^[2]提出溫差比診斷法，胡世征^[3]提出電氣設備紅外診斷的相對溫差判別法及判斷標準，并作為標準寫入DL/T664-1999《帶電設備紅外診斷技術應用導則》。他們認為相對溫差法可排除負荷電流、風速、環境溫度、測量距離、發射率選擇等因素的影響。但由于影響紅外測溫的因素較多，有些因素對相對溫差的影響不能忽略。2007年，楊寶東等^[4]對電氣設備紅外診斷相對溫差判別法的影響因素做了深入的分析研究，得出了環境溫度對相對溫差影響較小，設備表面發射率對相對溫差有一定影響，在相同條件下，使用長波熱像儀測溫對相對溫差影響較小的結論。電力行業是目前我國民用紅外熱像儀應用^[5-7]最多的行業，但僅限于廣東、浙江、江蘇、山東等沿海經濟發達地區，而且目前這些發達地區的擁有量也僅為需求量的20%。作為最成熟、最有效的電力在線檢測手段，紅外熱像儀可以大大提高供電設備運行的可靠性，大大降低設備的檢修時間。因此，隨著我國經濟的發展，其他內陸省份的電力行業也將使用紅外熱像儀，這為紅外熱像儀行業的發展提供巨大的發展空間。本文在紅外熱像檢測原理的基礎上，討論了電力設備的發熱原理、過熱損耗的危害、故障的在線診斷方法以及熱像測溫的影響因素等。最后針對紅外熱成像技術在電廠的應用進行討論。

2 紅外熱像檢測基本原理及熱像測溫影響因素

所有溫度超過絕對零度的物體均對外發射紅外輻射，物體的輻射出射度和物體發射率的比值M(T)ε等于同一溫度下黑體的輻射出射度Mb(T)，與物體的性質無關。該比值表明，吸收本領大的物體其發射本領也大，如果該物體不能發射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。實際物體的輻射出射度除了依賴于溫度和波長外，還與構成該物體的材料性質及表面狀態等因素有關。當不考慮波長的影響，只研究物體在某一溫度下的全發射率，則物體的發射率為：

ε(T)=M(T)Mb(T)(1)

斯蒂芬-玻耳茲曼定律應用于實際物體可表示為：

M(T)=ε(T)σT4(2)

可見物體發射率對設備狀態的紅外熱像監測信息有影響。另外，物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸收率α，反射率β和透射率τ之和必然等于1，即α+β+τ=1。在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉化為該物體向外發射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發射率：α(T)=ε(T)。定性地分析可知，影響被測物體發射率大小的因素包括：

(1) 不同材料性質的影響。不同性質的材料因對輻射的吸收或反射性能各異，因此他們的發射性能也不同。一般當溫度低于300 K時，金屬氧化物的發射率大于0.8。

(2) 表面狀態的影響。任何物體表面都不是絕對光滑的，總會表現為不同的表面粗糙度。

因此這種不同的表面形態將對反射率造成影響，從而影響發射率的數值。例如，對于非金屬電介質材料，發射率受表面粗糙度影響較小或無關。但對于金屬材料，表面粗糙度將對發射率產生較大的影響。如當熟鐵表面狀況為毛面、溫度300 K時，其發射率為0.94；當表面狀況為拋光、溫度為310 K時，發射率僅為0.28。除了表面粗糙度以外，一些人為因素如施加潤滑油及其他沉積物都會明顯地影響物體的發射率。因此，在檢測時應該首先明確被測物體的發射率。對于電力設備，其發射率一般在0.85～0.95之間。

熱像測溫的影響主要是由被測物體發射率不同引起的，表1是幾種常見物體的發射率(總的法向發射率)。

表1 常見物體的發射率

表2 同一溫度水杯發射率不同測量結果不同

由上表可以看出被測物體發射率確定的準確與否關系到測量溫度的準確性，發射率誤差大，測量誤差也大，所以，實際測量前正確確定被測物體發射率是減小測量誤差的重要因素。

3 故障在線診斷方法

3.1 電氣設備相對溫差判斷法

在電氣設備正常運行時，因電流的熱效應會引起設備局部溫度升高，散發出熱量。電氣設備有規定地允許溫升值，用熱像儀對電氣設備進行掃描診斷時，若發現有溫度異常點，則應對該部位進行重點檢測，并計算相對溫差值，計算公式為：

δt=T1-T2T1-T0×100%(3)

式中：T1為發熱點的溫度；T2為正常相對應點的溫度；T0為環境參照體溫度；δt為相對溫差值。

計算出相對溫差值后，在發熱點溫升>10 K的條件下，按表3規定判斷設備缺陷的性質。

表3 設備缺陷對應的δt值[STBZ]^[8]

3.2 同一設備三相比較法

同一電氣設備三相所用金屬材料是相同的，在一般情況下三相電流對稱，如果三相上升的溫度均衡，則設備正常；如果三相中的某一相或兩相出現溫度過高的現象，則認為溫度高的相存在缺陷。

3.3 同一部件的溫度比較

同一部件材料流過電流值都一樣，整個部件的溫升基本相同。如果產品由于材質上存在缺陷，如材料中雜質氣泡與缺陷等使材料特性發生了變化，當電流流過時會產生不同的熱量，表現出局部發熱，如絕緣子串的局部發熱、避雷器局部發熱、導線電纜的局部發熱等。

3.4 運行負荷比較法

設備運行時的升溫和負荷有直接關系，若發現設備某部件或線路某一相的溫度出現異常，應先考慮該設備運行的負荷。若當時負荷很大，而發熱部件溫度相對高些，屬正常情況；反之，如果當時負荷很小，設備部件已發熱，那么一旦負荷增加，發熱部件的溫度將會急劇增加，從而導致故障的發生。

3.5 熱像特征(熱譜圖)分析法

利用紅外熱像儀對設備進行紅外成像，將物體發出的紅外輻射轉變為可見光的熱分布圖像，從而獲得設備的溫度及熱分布，即熱像圖。通過對設備表面溫度分布的測量，可以分析設備內部熱損耗部位和性質，從而判斷該設備的健康狀態。熱點溫度直觀顯示，熱圖像清晰，能儲存和打印。

紅外熱成像儀具有定性成像與定量測量的雙重功能，并有較高空間分辨率和溫度分辨率，能夠辨別很小的溫差。實時熱圖像能夠清晰顯示在屏幕上，為建立熱圖像數據庫提供條件，實現圖像采集、儲存、分析于一體的功能。

用紅外熱成像儀檢測設備，屬于遠距離非接觸式的掃描巡檢，可以保證人身設備的安全。使用起來如同用攝像機錄像，能夠快速的對大面積的設備進行檢測，能夠準確、直觀地發現與運行電壓、電流有關的設備缺陷，還可對缺陷的性質、位置、程度做出定性、定量的判斷。

4 電廠應用討論

在紅外熱像儀未普及之前，對電力設備的測溫非常簡陋。最早是在絕緣棒頂端涂上一層蠟去接觸被測設備的可能發熱地點，通過觀察蠟是否融化來判斷該位置是否過熱。現在的紅外測溫大都采用點測溫儀，他與熱像儀相比具有成本低、攜帶方便、傳感器不需制冷等優點，但缺點也很明顯，首先是只能測量一個點(局部區域)的溫度，不能提供圖像和足夠的溫度信息，而且難以對準被測點；其次是使用距離常受儀器視場的限制；再就是對環境溫度起伏敏感。

紅外熱成像技術是一種先進的在線檢測技術，可在設備不停電的情況下，檢測設備的運行狀況。通過對電氣設備表面溫度及其分布的測試、分析和判斷，可以準確地發現電氣設備運行中的異常和缺陷，從而使部分事故檢修轉為預見性檢修，為電氣設備的狀態檢修提供可靠的科學依據。

發電廠應用熱像儀進行掃描的范圍主要包括鍋爐熱保溫部分、蒸汽管道、熱風道、除塵器煙道、輸煤皮帶、閥門、電動機控制中心、電氣控制盤、變壓器、升壓站設備、電路板、電纜接頭等。紅外熱像儀作為一種新型設備，在電力系統有著廣泛的應用，實踐證明紅外熱像儀在檢查電力設備的外部故障和內部故障時起著巨大的作用，具有非接觸、非破壞、不解體、不停電等優點，是電力系統不可多得的現代化工具，為電力設備實現由計劃檢修向狀態檢修轉變提供有力手段。

5 結 語

采用紅外熱像檢測技術可預防電氣設備的一些重大事故發生，及時發現故障點，把事故消滅在萌芽狀態，使設備的定期檢修、搶修變成狀態檢修；降低事故的發生率、減少了設備的維修時間，可以杜絕大量的事故隱患。從這個意義上講為電氣設備的安全運行、經濟運行帶來了巨大的社會效益和經濟效益。由于紅外熱像儀檢測的都是物體的表面溫度，而電氣設備內部的溫度因結構復雜不能準確測出，所以紅外檢測必須與其他的測量技術和科學方法結合起來，才能更好地發揮他的作用。

參考文獻

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作者簡介 李云紅 女，1974年出生，滿族，遼寧錦州人，哈爾濱工業大學博士研究生，西安工程大學講師。主要從事紅外熱成像技術、紅外熱像儀的溫度測量技術的研究工作。

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