紅外測溫技術在變電站設備缺陷診斷中的應用

聞玉鳳 李艷林 李 嶺

（晉城供電分公司變電工區，山西 晉城 048000）

引言

電力生產與供應的最大特點是過程的連續性。也就是說，從電能的生產、輸送、分配到使用，整個過程都是在瞬間完成和連續進行的，其中任何一個環節的任何設備一旦出了問題，都會直接或間接地影響到整個系統的正常安全運行，甚至會帶來巨大的經濟損失或生命財產損失。變電站作為電力系統運行的關鍵環節，其正常與否關系到整個電力系統的穩定。紅外測溫技術是對運行中的電氣設備熱故障進行紅外檢測，是電力系統各單位近幾年大力推廣應用的一種新技術。由于紅外檢測是設備運行狀態的在線監測，不影響設備的正常運行，與傳統的預防試驗相比，它具有無需設備停電、不接觸、不解體、遠距離、可大面積快速掃描成像，安全可靠、準確高效地發現電氣設備熱缺陷的優點，是實現帶電檢測，進而實現狀態檢修的最有效手段之一。[1]

1 紅外測溫的原理

紅外測溫技術是根據輻射測溫原理對溫度進行非接觸式測量，具有響應時間短、傳熱性能好、靈敏度高、測量準確等優點，其物理基礎是紅外輻射理論的三大定律，即Plank輻射定律、Wein位移定律和Stefen-Boltzmann定律。[2]

紅外線是介于可見光紅端與微波之間的電磁輻射。在這個波長帶內，又進一步分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外四個波段，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域內。而紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小[3]。

在自然界中，任何溫度高于絕對零度的物體都在向外輻射各種波長的紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大，其中就包括波段位于0.76-1000um的紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面相應的熱圖像。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷。紅外測溫系統由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統匯集其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變為相應的電信號。該信號經過放大器和信號處理電路按照儀器內部的算法和目標發射率校正后轉變為被測目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。

2 紅外測溫技術對檢測環境的要求

(1)檢測目標及環境的溫度不宜低于5℃，如果必須在低溫下進行檢測，應注意自身的工作溫度要求，同時還應考慮水汽結冰使某些進水受潮的設備的缺陷漏檢。(2)空氣濕度不宜大于85%，不應在有雷、雨、霧、雪及風速超過0.5m/s的環境下進行檢測。若檢測中風速發生明顯變化，應記錄風速，必要時要修正測量數據。(3)室外檢測應在日出之前、日落之后或陰天進行。(4)室內檢測宜閉燈進行，被測物應避免燈光直射。

3 電氣設備的發熱缺陷類型及特點

電氣設備的發熱缺陷主要分為外部缺陷和內部缺陷。

外部缺陷：凡致熱效應部位裸露，以局部過熱的狀態向其周圍輻射紅外線，如各種裸露接頭的熱故障，其紅外圖像顯示出以該故障為中心的熱場圖，故從設備的熱圖像中可直觀地判斷是否存在熱故障，根據溫度分布場可準確地確定故障的部位，并能用紅外測溫儀直接檢測出缺陷。

其故障原因主要有以下幾種：接頭連接不良，螺栓未壓緊；導體接觸而長期運行腐蝕氧化；大氣中的有害氣體、灰塵引起的腐蝕；設備材質質量差，加工安裝工藝不好造成的導體損傷；機械振動等各種原因所造成的導體實際截面降低；負荷電流不穩或超標等。

內部缺陷：凡致熱效應部位被封閉，與故障點接觸的固體、液體和氣體，都將發生傳導和對熱換，其發熱過程一般都比較長，且為穩定發熱，要通過紅外成像，對設備表面的溫度場進行比較分析才能確定的缺陷。

電氣設備常見的內部熱缺陷有以下幾種：內部導電部分連接不良或觸頭接觸電阻過大；內部受潮，介質損耗增大；絕緣材料老化、開裂、脫落；電壓分布不勻、泄露電流過大；內部缺油等。

圖1

圖2

4 紅外測溫技術在變電站設備缺陷診斷中的應用

4.1 隔離開關觸頭發熱

圖1中隔離開關B相觸頭溫度為93.6℃，與A相、C相觸頭溫度分別相差85℃、85.4℃，與環境溫度相差98.6℃，經分析認為：隔離開關B相動靜觸頭接觸不良，定性為嚴重缺陷。

4.2 接頭接觸不良發熱

圖2中電容器A相接頭溫度為35.3℃、B相接頭溫度為39.9℃、C相接頭溫度為58.5℃，與A相、B相分別相差23.2℃、18.6℃，與環境溫度相差53.5℃，經分析認為：電容器C相接頭接觸不良，將電容器C相接頭溫度58.5℃定性為嚴重缺陷。

4.3 圖3為B相電容器與電抗器連接板發熱，溫度達130℃，A、C相分別為21℃、22℃，三相溫度分別相差109℃、108℃，與環境溫度相差113.6℃，定性為嚴重缺陷。

圖3

以上為紅外測溫技術的應用實例，都是工作人員利用紅外成像儀對設備進行巡視中所發現的。由于這些發熱缺陷發現及時，且檢測發熱部位準確，為檢修人員的缺陷處理提供了準確的證據，提高了檢修人員的工作效率，大大減少了設備的停電時間。紅外成像測溫技術的應用，提高了運行人員發現設備缺陷 (特別是發熱缺陷)的發現率和準確率，亦為變電站設備和電網的安全運行提供了可靠的檢測手段。紅外診斷主要還包括對變壓器套管、斷路器、電力互感器，以及二次設備缺陷的紅外診斷，這里不再一一舉例。

5 結束語

紅外測溫技術是一種非常有效和快速的測溫手段，但是要準確地測量溫度，須考慮各種環境因數的影響。紅外測溫相比傳統的測量方式有著明顯的優勢，在電力行業中具有廣闊的應用前景。

[1]林晉.基于紅外測溫技術的設備缺陷診斷方法研究,華北電力大學工程碩士專業學位論文.

[2]王豐，吳愛華.紅外測溫技術在高溫液體連續測溫系統中的應用，檢測與儀表.

[3]楊凡.紅外測溫技術的原理及其在家用空調產品中的應用.計算機工程應用技術.