應用紅外熱成像儀進行設備檢測及故障分析

張振全 陳勝喜 趙偉超 王寶平

摘 要:熱成像原理和使用方法,利用熱成像儀發現的隱患、判斷、分析及處理方法等內容。

關鍵詞:紅外線熱成像儀變壓器電動機配電裝置

中圖分類號:TM32 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0110-03

1紅外熱成像技術原理

用紅外熱成像技術,探測目標物體的紅外輻射,并通過光電轉換、信號處理等手段,將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備,我們稱為紅外熱成像儀。人們眼能夠感受到的可見光波長為:0.38mm～0.78mm。通常我們將比0.78mm長的電磁波,稱為紅外線。自然界中,一切物體都會輻射紅外線,因此利用探測器測定目標本身和背景之間的紅外線差,可以得到不同的紅外圖像,稱為熱圖像。同一目標的熱圖像和可見光圖像是不同,它不是人眼所能看到的可見光圖像,而是目標表面溫度分布圖像,或者說,紅外熱圖像是人眼不能直接看到目標的表面溫度分布,變成人眼可以看到的代表目標表面溫度分布的熱圖像。用紅外熱成像技術,探測目標物體的紅外輻射,并通過光電轉換、信號處理等手段,將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備,我們稱為紅外熱成像儀。自然界所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體都會發出紅外線,紅外線(或稱熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線,但是對3mm～5mm和8mm～14mm的紅外線卻是透明的。因此,這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。我們利用這兩個窗口,可以在完全無光的夜晚,或是在煙云密布的惡劣環境中,能夠清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個特點,紅外熱成像技術可用在安全防范的夜間監視和森林防火監控系統中。紅外熱成像儀大致分為致冷型和非致冷型兩大類。目前,世界最先進的紅外熱成像儀,其溫度靈敏度可達0.03℃。

2紅外熱像儀應用范圍

紅外熱像儀(熱成像儀或紅外熱成像儀)的應用范圍愈來愈廣泛,在科研領域的主要應用包括:汽車研究發展－射出成型、模溫控制、剎車盤、引擎活塞、電子電路設計、烤漆;電機、電子業－印制電路板熱分布設計、產品可靠性測試、電子零組件溫度測試、筆記本電腦散熱測試、微小零組件測試;引擎燃燒試驗風洞實驗;目標物特征分析;復合材料檢測;建筑物隔熱、受潮檢測;熱傳導研究;動植物生態研究;模具鑄造溫度測量;金屬熔焊研究;地表/海洋熱分布研究等。

紅外熱像儀可以十分快捷準確探測電氣設備的不良接觸,以及過熱的機械部件,以免引起嚴重短路和火災。對于所有可以直接看見的設備,紅外熱像儀能夠確定所有連接點的熱隱患。那些由于遮蔽而無法直接看到的部分,則可以根據其熱量傳導到外面的部件上的情況,來發現隱患。這種情況對傳統的方法來說,除解體檢查和清潔接頭外,沒有其它的辦法。斷路器、導體、母線及其它部件的運行測試,紅外熱像儀是無法取代的。紅外熱像儀可以進行檢查的部分設施:(1)電氣裝置:可發現接頭松動或接觸不良,不平衡負荷,過載,過熱等隱患。這些隱患可能造成的潛在影響是產生電弧、短路、燒毀、起火。(2)變壓器:可以發現的隱患有接頭松動,套管過熱,接觸不良(抽頭變換器),過載,三相負載不平衡,冷卻管堵塞不暢。其影響為產生電弧、短路、燒毀、起火。(3)電動機、發電機:可以發現的隱患是軸承溫度過高,不平衡負載,繞組短路或開路,碳刷、滑環和集流環發熱,過載過熱,冷卻管路堵塞。其影響為有問題的軸承可以引起鐵芯或繞組線圈的損壞;有毛病的碳刷可以損壞滑環和集流環,進而損壞繞組線圈。還可能引起驅動目標的損壞。(4)電氣設備維修檢查,屋頂查漏,節能檢測,環保檢查,安全防盜,森林防火,無損探傷,質量控制,醫療檢查等也很有效益。(5)診斷人體疾病,運用經絡學,在人腦的研究工作及在研究疾病治療方法中的應用;特別是在診斷哮喘病,痹癥,腰椎間盤突出癥,運動病,惡性腫瘤等病癥具有無放射性,一次多臟器全身掃描的非接觸測量的優點，是綜合確診人體某種疾病的一種有用手段。(6)建筑物外墻的監測。通過表面溫度可以為我們提供有關樓宇結構、管道系統、供暖通風及空調系統以及電氣系統的許多信息。在透過紅外鏡頭觀察時,平日肉眼看不到的問題會突現眼前。使用紅外熱像儀,可以檢測到空氣泄漏、水分積累、管道堵塞、墻壁后面的結構特征以及過熱的電氣線路等,并對數據進行可視化記錄歸檔。通過用這種工具對表面進行掃描,您可以快速發現通常代表潛在問題的溫度變化,并以詳細的圖形報告的形式對數據進行記錄。(7)紅外熱成像儀在自然環境方面的應用。監控自然環境,如山體滑坡、火山爆發。

3下面談一談熱成像儀在承鋼公司設備故障檢測判斷、分析上的應用

3.1 由事故引發的點檢方式

(1)2010年6月25日上午11時12分12秒765毫秒,AV80風機變壓器壓力釋放閥釋放(見圖3-1),計算機報“1#主變壓力釋放告警發生”(字幕未自動彈出),也無音響信號,值班員未能發現異常。14時16分12秒,變壓器溫度達到90℃,值班員聽到計算機音響報警(字幕未自動彈出),檢查事故報文發現“1#主變差動、本體重瓦斯動作(紅色)”;“1#主變本體重瓦斯發生”;“1#主變本體差動預告總發生”。立即通知正在檢修2#水泵斷路器的值班長去變壓器室檢查,發現變壓器壓力釋放閥動作噴油,隨即熱力工段組織帶壓倒風機將電動風機負荷倒入AV90風機運行,未影響高爐運行。(如圖3-1)

事故原因:(1)由于變壓器投入運行后油溫隨負荷和環境溫度的增加而膨脹,值班員未按時點檢,及時發現變壓器溫度升高趨勢最高升至93℃,同時變壓器油枕油位表不準(滿油后在6的位置)。致使變壓器油枕滿油無膨脹空間,壓力達到啟動值(55KP)壓力釋放閥動作。(2)變壓器風扇未能及時投入運行(風扇電源未送)。(3)計算機報文與綜自保報文與實際不符,造成誤判斷。(4)油位表上、下限報警由于設計等原因未接線安裝完成。(5)壓力釋放閥動作時,由于計算機設置問題未出現字幕自動彈出報警和音響報警信號,導致變壓器噴油未能及時發現。

防范措施:崗位值班人員認真監視設備運行狀況,及時抄表、按時點檢,對新投入運行設備、負荷逐漸增加設備、雷雨大風天氣等特殊時期進行特殊點檢。

亡羊補牢,時猶未晚。此后,我們采用熱成像儀對35臺采用磁力油位計的主變油枕油位進行復測共發現3臺主變油位計指示與實際位置不符(見圖3-2),其中一臺油位高,采取了放油措施避免噴油事故的發生。

由圖紅外照片和可見光照片對比清楚的看出實際油位與磁力油位計相差較大。

(2)2011年8月3日能源管控中心35MW發電機出線開關柜斷路器C相下觸頭由于插入位置偏斜造成過熱拉弧放電,至使部分絕緣套分解冒煙,煙霧涌進電纜室造成三相短路。事故發生后在制定防范措施時,認為采用在線測溫技術可有效避免此類問題發生,在還未采用在線監測技術前是否能夠應用熱成像儀及早發現此類問題時,我們進行了嘗試并總結出行之有效的用熱成像儀在線檢測設備過熱時測量判斷、分析隱患的方法。

由于現在開關柜全部使用的全密閉技術,完全從外部測量是絕對不行的。我們利用熱成像儀能夠測量較大面積的特點,在檢查封閉式高壓開關柜時首先從開關柜安裝排列的端頭用熱成像儀拍攝后背面或正面的影像,比較發現溫度比別的開關柜高2℃-3℃以上(見圖3-3)的開關柜,剔除站用變、電壓互感器柜,還有自動打開加熱器的開關柜,若那個開關柜再高極有可能該開關柜內部有過熱部位,可打開開關柜手車前柜門,用熱成像儀正面檢測即可發現是否過熱,從開關柜正面檢測由于手車面板遮擋可用熱成像儀拍攝手車上部縫隙或擋板的溫度若達到55℃以上(見圖3-4)基本可以判斷開關柜內有異常過熱部位。一般手車前面溫度過高有主要是以下兩點。一是動靜觸頭交接處,插入偏斜或動觸頭彈簧緊力不足。二是靜觸頭底部連接觸頭盒母線的固定螺絲松動所致。

為準確論證過熱位置可以進一步檢查,在確認開關柜后門不是機械連鎖和電器連鎖未接跳閘時,由專業人員打開后柜門,測量上母線室觸頭盒部位和下觸頭盒部位,便可以發現過熱點,進一步判斷過熱點是否立即停電處理還是待檢修時處理,這樣可使損失降到最低。(見圖3-5、3-6)特別注意:打開開關柜后柜門必須是懂得專業知識的人員打開,防止出現跳閘和觸電事故發生。我們一共發現三起這樣的隱患。

我們將圖3-4、圖3-5照片的開關柜抽出發現開關靜觸頭底部130℃檢查發現固定靜觸頭導電筒與母線之間的螺栓(見圖3-7紅外照片數字130.8下的藍色圓點)松動所致(圖3-6也是此原因所致)。將靜觸頭導電筒拆下,用水磨砂紙打磨氧化層后緊固,由于此斷路器觸頭過熱較嚴重導致動觸頭各觸指片過熱氧化也進行了打磨。處理后運行正常,最高負荷不超過40℃,考慮到觸頭緊力彈簧受熱準備更換彈簧。

圖3-7從圖3-4、圖3-5照片中的開關柜抽出斷路器紅外照片明顯看出過熱點。

4電動機本體過熱原因分析及其它

(1)2011年5月17日崗位點檢反饋5#鍋爐引風機電動機101℃(見圖4-3),檢測電流發現187A,而該電動機額定功率是110kW的,額定電流201A,運行電流不超過額定電流為什么還過熱？檢測三相電流平衡,運轉正常,再進一步檢測發現電動機封星形接觸器接點110℃,因此認定是星角啟動運行的星型接線的接觸器未打開所致,從現象看187A電流未達到額定電流電動機怎么還會過熱？分析原因如下:在三相對稱電路中,各相負載是相同的,因此各相負載的電壓,電流有效值和阻抗角都相同,故對稱負載的平均功率為:P=3UpIpCOSθ。若負載作由Δ接改為Y接平均功率將降低1/3。那么Δ接時每相線圈的相電流為:Ia=201/1.732=116A。

而當電動機由角接改為星接其功率降低1/3,其功率為110kW/3=36.67kW,那么額定電流為I=36.67kW/1.732*0.85*0.22= 60.56A。從計算我們發現角接時該電機每一相線圈的相電流只是116A,而改為星接后由于電動機為滿足負載風機的需要,致使每相電流達到187A,超過電動機角接時每相額定電流116A的1.6倍,但其熱繼電器是按照角接時電動機的線電流的1.05整定的,未達到啟動值,時間再長將會燒毀電動機。(如圖4-3)

(2)6月7日崗位反饋35MW發電機2#油泵電動機過熱106℃(見圖4-4),檢查電動機無過載現象,一般電動機最熱點在安裝銘牌的寬橫筋處,別處是翅型散熱片通道,溫度相對較低,而從照片看翅型通道處溫度與大橫筋處相近,用手指放到翅型散熱片通風道中間明顯感覺各風通道風量差別較大,從風扇進風孔看無堵塞現象,扇葉無丟轉現象(風扇葉鍵脫落或滾鍵),查看散熱片上有油漬,打開風扇外護罩看到護罩下風通道沾了許多細毛和油塵,致使通風不良造成過熱,清理后運行溫度正常。(如圖4-4)

(3)7月1日1#TRT油溫過高,造成跳機,檢查發現油泵達到90℃左右(圖4-5),測量交換器進油管端49.8℃,交換器出油管端48.3℃溫度差別較小(圖4-6),判斷為交換器堵塞,拆開清理后運行正常。

參考文獻

[1] 百度百科.紅外線成像儀.

[2] 李翰蓀.電路分析[M].中央廣播電視大學出版社.