環境熱源干擾下的紅外輻射檢測激光校準方法

李興春,李興高

(1.五邑大學信息工程學院,廣東江門 529020;2.北京交通大學土建學院,北京 100044)

0 引言

電力設備的熱故障檢測是利用紅外輻射檢測技術,在帶電狀態下對電力設備進行診斷、發現故障所進行的預知性檢測。熱故障檢測是國內外正在大力進行的科學的檢測方式,它克服了定期計劃檢測的盲目性,具有很高的安全性和經濟價值。

早期檢測帶電運行電力設備的故障隱患十分重要,開展電力設備的狀態檢修必須進行設備診斷,設備診斷是實施狀態檢修的前提。諸如絕緣在線監測、色譜監測、局部放電監測、帶電測試、瓷瓶鹽密監測、斷路器性能監測、直流接地微機選檢、紅外輻射檢測技術等,都是當前帶電電力設備的診斷主流應用技術[1-2]。

電力設備的熱故障紅外輻射檢測技術是一門新興的學科,它是利用帶電設備的致熱效應,采用專用儀器獲取從設備表面發出的紅外輻射信息,進而判斷設備運行狀況的一門綜合技術。在對物體進行非接觸熱故障診斷時通常只能利用輻射熱進行檢測[3]。

紅外輻射檢測技術,對故障點的檢測采取非接觸手段、不受電磁干擾、可帶電進行,具有探測距離遠和檢測速度快,同時還可用于那些懸空的、運動中帶電設備檢測等特點,大大方便了使用者,使電力設備的早期故障診斷和預防性維修變得簡單方便。但是紅外輻射檢測技術易受所在環境溫場干擾,導致熱故障誤判情況的出現。為了克服上述問題,在分析環境熱源干擾的基礎上,設計了激光校準輔助部分修改檢測數據,提高了熱故障診斷的準確性。

1 紅外輻射檢測現狀及環境熱源干擾

由于分子熱運動,高于絕對零度(-273.15℃)的物體,都會產生紅外輻射,物體的溫度越高,輻射特性越好,紅外輻射的能量就越強。資料表明:電力變壓器正常工作時繞組的極限工作溫度為105℃;(環境溫度為40℃時),上層溫度不得超過95℃,通常以監視溫度(上層油溫)設定在85℃及以下為宜。輻射能量大部分集中在8～15μm的光譜波段內。紅外無損熱故障診斷系統由紅外光學系統、紅外敏感元件(紅外探測器)、信號處理技術組成。圖1是該系統的原理框圖。

圖1 紅外無損熱故障診斷系統框圖Fig.1 Block diagram of infrared nondestructive thermal fault diagnosis system

紅外熱探測器是靠接收物體表面的輻射能來確定其溫度的,接收到的有效輻射包括三部分:目標自身輻射、環境反射輻射和大氣輻射[4]。

對電力設備的紅外檢測,可采取檢修前定點測試,標定電氣設備的相對溫差[5];測定全部運行設備的溫度情況,依據設備熱像圖譜中的相對溫差,對異常部位進行分解檢測[6-7];為判定設備的異常,要識別設備在正常狀態下用紅外測定的溫度分布圖譜,了解周圍環境溫度、空氣溫度、現場風速對溫度分布的影響,將檢測到的設備最高溫度部位與正常狀態下的部位進行溫度比較,根據設備的溫度差來診斷異常的嚴重性[8]。

環境熱源干擾是紅外無損探測技術在故障診斷時誤判的主要根源。一般來說紅外探測器都是由兩個熱釋電敏感元通過反極性并聯組成的[3,7],其并聯原理如圖2所示。

圖2 熱釋電敏感元并聯示意圖Fig.2 Pyroelectric sensitive element linking diagram

從理論上講,當敏感元的特性一致時,反極性聯接的兩個敏感元可以抵消背景環境熱源的干擾。通常,環境熱源干擾在兩個熱釋電敏感元件上所產生的感測信息基本可歸結為如圖3所示的三種情況。在兩個敏感元件上所檢測到的兩個探測信號總是基本同步出現的。

圖3 三種情況下的信號輸出Fig.3 Signals output of three situation

實際應用中,發生圖3(b)和圖3(c)情況的可能性較大。這就說明,當背景熱源的溫度變化速度和強度達到一定幅度時,熱釋電探測器受到干擾的可能性也是很高的。特別是當這些干擾熱源的溫度范圍接近于被檢測對象的溫度時,濾光片的作用也顯得無能為力了,這時的干擾現象將是明顯的。

2 環境熱源干擾下的紅外輻射檢測激光校準方法

為更準確地進行電力設備熱故障的診斷,有必要對干擾熱源進行校準。根據紅外無損探測技術熱故障誤判產生機理設計了輔助激光校準部分,其原理圖如圖4所示。

輔助激光校準方法是由激光脈沖器產生動態激勵信號,發射到溫度傳感器的表面,引起表面瞬時溫升,被校準的紅外探測器和熱輻射溫度計同時對熱源進行測量。用熱輻射溫度計所測得曲線作為依據來校準紅外探測器的動態響應特性,并獲得系統誤差的修正值。

圖4 輔助激光校準原理圖Fig.4 Schematic diagram of laser calibration

2.1 紅外輻射檢測激光校準方法工作原理

圖4 中的前置放大電路為典型差動放大電路,如圖5所示。由于電路的對稱性,無論環境熱源干擾所引起的溫度場變化變換如何,都會引起兩個三極管集電極電流和電壓的相同變化,即 ΔU C1=ΔUC2,因此,其中相同的變化量互相抵消,使輸出電壓不變,從而抑制了環境熱源干擾。但實際情況是:由于分立元件的電特性的分散性以及受環境熱源干擾較大的特點,在電路設計時為了克服電路不完全對稱引起的零點漂移及減小每個三極管集電極對地的漂移電壓,電路中增加了發射極公共電阻RE,它具有電流負反饋作用,可以穩定靜態工作點(即消除環境熱源干擾所引起的輸出電信號)。例如溫度升高時,T1和T2的集電極電流IC1和IC2都要增大,它們的發射極電流I E1和I E2會增大,流過發射極公共電阻的電流I E=I E1+I E2也會增大,R E上的電壓增大,T 1和T2的發射極電位升高,使U BE1和U BE2減小,則I B1和I B2減小,從而抑制了 I C1和I C2的增加。這樣,由于溫度變化引起的每個管子的漂移,通過R E的作用得到了抑制。

圖5 典型差動放大電路原理圖Fig.5 Diagram of typical differential amplifying circuit

以激光校對部分輸出到前置典型差動放大電路的信號為基準信號(激光校對部分實時感測工作現場的環境熱源)進行調整公共電阻R E,同時觀察波形器,如圖6所示。調整R E直至雙輸出波形重合為止,即完成了激光校對工作。這樣該技術工作現在的環境熱源干擾,就會在前置典型差動放大電路的輸出信號部分被消除掉。

圖6 環境熱源干擾信號在前置放大電路所引起的共模輸出Fig.6 The common-mode output of preamplifier circuit by the environmental heat

3 應用案例

為檢驗經激光校對后的紅外輻射監測技術的有效性,以變壓器為工程案例:電力變壓器的低壓升高座局部過熱、引線接頭過熱、套管將軍帽過熱、油路系統堵塞引起的熱缺陷以及變壓器箱體渦流發熱等缺陷,都可以通過紅外探測技術測量出來。這些部位出現熱異常時,一般是由于內部引線焊接不良、油路系統發生堵塞、漏磁形成渦流等原因所致。數次激光校對前后,紅外探測所得的測試結果和事后工程驗證的結果如表1所示。

由測定的數據看,如果所測紅外輻射場的差值小于安全值10 mW/cm2時,探測曲線近似于一條直線,可以判定被測部位紅外輻射場接近正常場值,所以出現熱故障的可能性很小。當探測到的紅外輻射場差值大于10 mW/cm2時,探測曲線表現為出現突變點,據此可以判斷被測部位,出現熱故障的可能性就很大。經激光校對后,紅外探測所得數據消除掉所在工作環境的熱源干擾。解決了激光校對前,紅外探測數據在安全閾值領域內的虛假熱故障難題。表1測定的結果在變壓器熱故障探測與診斷工程中得到了驗證,與實際結果吻合較好。

4 結論

紅外輻射檢測技術經激光校準后,消除了環境熱源干擾,提高了熱故障診斷的準確性,有一定的現實意義和工程參考價值。

表1 激光校對前后的熱故障無損探測技術紅外場強值Tab.1 Infrared acquisition data and detection after laser calibration

[1]袁世祿.紅外診斷技術在電氣設備狀態檢修中的應用[J].華北電力技術,2000,32(2):18-19.YUAN Shilu.Application of infrared diagnosis technique in condition-based maintenance of electric equipment[J].North China Electric power,2000,32(2):18-19.

[2]吳繼平,李躍年.紅外熱成像儀應用于電力設備故障診斷[J].電力設備,2006,7(9):38-41.WU Jiping,LI Yuenian.Application of infrared thermal image instrument in power equipment fault diagnosis[J].Electrical Equipment,2006,7(9):38-41.

[3]劉睿,聶鴻宇.紅外檢測裝置在電力系統的應用[J].四川電力技術,2002,2(6):30-31.LIU Rui,NIE Hongyu.Application of inf rared detection technique in electric system[J].Si Chuan Electric Technique,2002,2(6):30-31.

[4]于波,季玉茹,金光熙.紅外熱像測溫中真實溫度的計算[J].吉林化工學院學報,2004,21(1):89-92.YU Bo,JI Yuru,JIN Guangxi.Calculation of real temperature in the infrared temperature measurement[J].Journal of Jilin Chemiacal Technology,2004,21(1):89-92.

[5]張維力.紅外熱像儀在電力工業應用[J].激光與紅外,1996,26(2):105-111.ZHANG Weili.Application of thermal infrared inager in electric industry[J].LASER&Inf rared,1996,26(2):105-111.

[6]趙墨林.DL/T664—1999《帶電設備紅外診斷技術應用導則》[C]//中國科協2004年學術年會電力分會場暨中國電機工程學術年會論文集.北京:中國科協,2004:606-611.

[7]趙墨林,吳曉松.DL/T664—1999《帶電設備紅外診斷技術應用導則》修訂建議[J].電力標準化與計量,2003,46(4):20-25.ZHAO Molin,WU Xiaosong.DL/T664—1999《charged equipment infrared diagnosing technology application guidelines》revise proposals[J].Power Standardization and Measurement,2003,46(4):20-25.

[8]朱惜辰.紅外探測器的進展[J].紅外技術,1999,21(6):12-15.ZHU Xichen.Development of inf rared detector[J].Infrared Technology,1999,21(6):12-15.