基于紅外成像的電氣設(shè)備檢測現(xiàn)狀

周云高，劉洪亮，方波

(浙江寧波電業(yè)局，寧波 315000)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用是個連續(xù)的過程，所以其中的任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生問題都會影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。特別是隨著電力工業(yè)向著大機(jī)組、大容量與高電壓的迅速發(fā)展，保障電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性與健康狀態(tài)成了安全生產(chǎn)的突出問題［1－2］。基于此，電力設(shè)備的在線監(jiān)測已受到人們的普遍重視，同時降低監(jiān)測系統(tǒng)的成本和進(jìn)行實時監(jiān)測也勢在必行。而且，電力設(shè)備的在線監(jiān)測對于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效益，降低維修成本，保證電能質(zhì)量與供電可靠性，實現(xiàn)電力設(shè)備從傳統(tǒng)的計劃檢修向預(yù)知的狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變，對保障國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和人民生活正常用電等方面都有極其重要的意義。變電站是電力系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以有必要對運(yùn)行中的電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測［3］。

隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)的不斷成熟與完善，由于紅外熱成像技術(shù)能夠以遠(yuǎn)距離、非接觸、實時、快速在線監(jiān)測方式獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，又有分辨率高、形象直觀、不受電磁干擾、安全可靠和效益/投資比高等優(yōu)點，又可以在不停電、不取樣、不解體的狀況下進(jìn)行故障的診斷分析，所以說紅外熱像技術(shù)是電力設(shè)備在線監(jiān)測的一項行之有效的技術(shù)手段。

2 紅外檢測原理

現(xiàn)代紅外監(jiān)測技術(shù)是以紅外物理學(xué)、紅外光電子技術(shù)、信號與信息處理技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的一門新興的綜合性技術(shù)。紅外線是波長在0.76μm～1000μm之間的一種電磁波，按波長范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動，并不停地輻射出紅外能量。分子和原子的運(yùn)動愈劇烈，輻射的能量愈大;反之，輻射的能量愈小。紅外輻射的能量可用物體表面的溫度來度量，輻射的能量愈大，表明物體的表面溫度愈高;反之，表明物體的表面溫度愈低。

紅外輻射的探測是將被測設(shè)備的輻射能轉(zhuǎn)換為可測量的形式，如對被測設(shè)備的熱效應(yīng)進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換來測量設(shè)備紅外輻射的強(qiáng)弱，或利用紅外輻射的光電效應(yīng)產(chǎn)生的電性質(zhì)的變化來測量紅外輻射的強(qiáng)弱，這樣就把紅外輻射的信號功率轉(zhuǎn)換成便于直接處理的電信號，進(jìn)一步放大處理后，以數(shù)字或二維熱圖像的形式，顯示設(shè)備表面的溫度值或溫度場分布。在設(shè)備熱狀態(tài)信息的紅外探測過程中，代表設(shè)備熱狀態(tài)的紅外輻射功率信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能是由紅外探測器完成的。紅外探測器主要包括熱探測器和光子探測器。熱探測器有溫差熱電偶與熱電堆、熱敏電阻測輻射熱計和熱釋電探測器;光子探測器有光電導(dǎo)探測器和光伏探測器。

3 紅外熱像儀的選擇

3.1 紅外熱像儀的功能

紅外熱像儀是一種成像測溫裝置，它的基本功能有兩個［4］。

1)測溫:每個單元接收紅外輻射，將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，再將每個單元的電信號的大小用灰度等級的形式表示;

2)生成“熱像”:將灰度等級重組生成圖像數(shù)據(jù)格式，并將其顯示到顯示器上，即為“熱像”。

因為紅外輻射的大小與溫度高低相關(guān)，因此溫度與灰度具有一一對應(yīng)的映射關(guān)系，紅外熱像儀在生成“熱像”的同時也計算出每個像素點對應(yīng)的溫度，用于后期處理。從顯示器顯示的“熱像”中也能定性地看出溫度高低。紅外熱像儀中紅外圖像的生成過程如圖1所示。

圖1 紅外成像形成示意圖

3.2 紅外熱像儀的組成

在紅外熱像儀中，紅外光變電信號，電信號變可見光的轉(zhuǎn)換功能是由熱像儀各個部件完成的。非掃描型熱像儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理系統(tǒng)和顯示記錄裝置等幾個部分組成。非掃描型熱像儀即焦平面熱像儀屬于第三代紅外熱像儀，它的紅外探測器呈二維平面狀，具有自動掃描功能，被測物體的紅外輻射只需要通過物鏡將目標(biāo)在底片上曝光成像，被測目標(biāo)就在紅外探測器的陣列平面上成像，故它也稱為“凝視成像”。其原理方框圖，如圖2所示。

此類型熱像儀紅外攝像頭結(jié)構(gòu)簡單，其內(nèi)裝硅化鉑紅外電荷藕合器件，紅外CCD驅(qū)動電路板。其重量僅2kg在左右，攜帶使用十分方便。紅外CCD輸出圖像信號經(jīng)放大等預(yù)處理后，由A/D轉(zhuǎn)換變成8bit或12bit的數(shù)字圖像信號，然后由固定圖形噪聲消除電路和非均勻性校正后，存入圖像存儲器中。手持式紅外熱像儀自帶顯示屏幕，則圖像信號混合了標(biāo)尺和字符等數(shù)據(jù)后，經(jīng)過偽彩色編碼和D/A轉(zhuǎn)換后，在顯示器上顯示。顯示模式具有黑白、偽彩色和等溫區(qū)等多種方式，并能定時地讀出圖像所對應(yīng)的物體表面溫度。固定式紅外熱像儀則將圖像信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行圖像處理。

圖2 非制冷型焦平面熱像儀原理圖

3.3 紅外熱像儀的選擇

紅外熱像儀生產(chǎn)廠家和型號繁多，不同規(guī)格適用于不同的場合，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場所、被測目標(biāo)的性質(zhì)和狀態(tài)選取適當(dāng)?shù)募t外熱像儀。選取主要原則如下:

1)確定測溫范圍

測溫范圍是熱像儀最重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的熱像儀都有自己特定的測溫范圍，因此，一定要準(zhǔn)確估計被測溫度范圍。絕大多數(shù)紅外熱像儀滿足電力變壓器的正常運(yùn)行與故障時的溫升區(qū)間。

2)確定監(jiān)測距離

紅外熱像儀應(yīng)與被測物體保持合適的距離，使得在進(jìn)行測溫時，被測目標(biāo)面積尺寸超過視場大小的50%。如果距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會進(jìn)入熱像儀的視場干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。

3)確定波長范圍

目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定熱像儀的光譜響應(yīng)或波長。在高溫區(qū)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.18－1.0微米波長，其他溫區(qū)可選用1.6，2.2 和3.9μm 波長。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量變化，而發(fā)射率對長波段的測溫誤差影響較大。

4)紅外輻射測溫儀的標(biāo)定

紅外熱像儀必須經(jīng)過標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測目標(biāo)的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。

4 紅外熱像檢測與診斷的基本方法

紅外熱像檢測的基本方法可分為被動式和主動式兩大類。主動式的紅外熱像檢測又可分為單面法和雙面法，其加熱過程也可分成穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種。

所謂的被動式是指進(jìn)行紅外熱像檢測時不對被測目標(biāo)加熱，利用被測目標(biāo)的溫度不同于周圍環(huán)境溫度的條件，在被測目標(biāo)與周圍環(huán)境的熱交換過程中進(jìn)行紅外檢測的方式。被動式紅外熱像檢測被廣泛用于運(yùn)行中設(shè)備、元器件、科研試驗品的檢測，由于它不需要附加熱源，在生產(chǎn)現(xiàn)場基本上都采用這種方法。

所謂的主動式是指在進(jìn)行紅外熱像檢測時要對被測目標(biāo)進(jìn)行加熱。非穩(wěn)態(tài)加熱方式是對被測目標(biāo)進(jìn)行加熱，在其內(nèi)部溫度不均有熱傳導(dǎo)的過程中進(jìn)行紅外測溫;穩(wěn)態(tài)加熱方式是在目標(biāo)加熱到內(nèi)部溫度均勻恒定狀態(tài)，再把它放到一個不同溫度的環(huán)境中進(jìn)行紅外測溫。單面法對被測目標(biāo)的加熱和測量在同一個側(cè)面進(jìn)行，雙面法則在目標(biāo)的正、反兩個側(cè)面進(jìn)行。

紅外熱像檢測儀器的安裝和運(yùn)載方式有固定式、便攜式、車載式和機(jī)載式。

固定式主要用于對關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)線產(chǎn)品工藝和質(zhì)量的檢測。便攜式在日常的巡檢、定期普查、設(shè)備搶修和跟蹤檢測中廣泛應(yīng)用。對被測設(shè)備數(shù)量多、檢測路線長的場合宜采用車載式或機(jī)載式進(jìn)行檢測。

到目前為止，電氣設(shè)備采用紅外熱像診斷的方法可歸納為以下五種。

(1)表面溫度判斷法

表面溫度判斷法是遵照已有的標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備顯示過熱的部位按相關(guān)的規(guī)定判定它的狀態(tài)正常與否。凡溫度或溫升超過標(biāo)準(zhǔn)者可根據(jù)溫度超標(biāo)的程度、設(shè)備負(fù)荷率大小、設(shè)備的重要性以及設(shè)備承受機(jī)械應(yīng)力的大小來確定設(shè)備缺陷的性質(zhì)。

這種方法可以判定設(shè)備的部分故障情況，但不可能充分顯示紅外診斷技術(shù)超前診斷的優(yōu)越性，下述的相對溫差判斷法可彌補(bǔ)表面溫度判斷法的不足。

(2)相對溫差判斷法

“相對溫差”是指設(shè)備狀態(tài)相同或基本相同(指設(shè)備型號、安裝地點、環(huán)境溫度、表面狀況和負(fù)荷電流等)的兩個對應(yīng)測量點之間的溫差與其中較熱點溫升之比的百分?jǐn)?shù)。

相對溫差判斷法是為了排除設(shè)備負(fù)荷和環(huán)境溫度不同對紅外診斷結(jié)果的影響而提出的。當(dāng)環(huán)境溫度低，特別是負(fù)荷電流小的情況下，設(shè)備的溫度值并沒有超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但大量事實證明，此時的溫度值并不能說明該設(shè)備沒有缺陷存在，往往在負(fù)荷增長或環(huán)境溫度上升后，就會引發(fā)設(shè)備故障。故對電流型設(shè)備還可采用“相對溫差”來判別故障存在與否。

(3)同類比較法

同類比較法是指同類設(shè)備之間進(jìn)行比較，同類設(shè)備的含義是指同一回路的同型設(shè)備和同一設(shè)備的三相，即它們的工況、環(huán)境溫度以及背景熱噪聲相同可比時的同型設(shè)備。具體做法是對同類設(shè)備的對應(yīng)部位溫度值進(jìn)行比較，可以比較容易地判斷出設(shè)備是否正常。在進(jìn)行同類比較時，要注意不能排除有三相設(shè)備同時產(chǎn)生熱故障的可能性。同類比較法可用于電流型和電壓型設(shè)備的內(nèi)、外故障診斷。

(4)檔案分析法

檔案分析法時將測量結(jié)果與設(shè)備的紅外技術(shù)檔案相比較來進(jìn)行分析。這種方法有利于對重要的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。應(yīng)用這種方法的前提是要為被診斷的設(shè)備建立紅外熱像檢測技術(shù)檔案，在診斷設(shè)備有無異常時，可以分析該設(shè)備在不同時期的紅外熱像檢測結(jié)果，其中包括溫度、溫升和溫度場分布有無變化，掌握設(shè)備發(fā)熱的變化趨勢，同時還應(yīng)參考其它相關(guān)檢測，進(jìn)行綜合判斷。

(5)熱譜圖分析法

熱譜圖分析法是根據(jù)同類設(shè)備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱譜圖的差異去判斷設(shè)備是否正常的方法。經(jīng)過長期的研究積累，對一些常用電氣設(shè)備的常規(guī)故障可以參照熱譜圖進(jìn)行診斷。

5 結(jié)論

介紹了紅外測量原理，提出了紅外熱像儀的選擇方法，對比分析了表面溫度判斷法、相對溫差判斷法、同類比較法、檔案分析法和熱譜圖分析法等五種紅外熱像診斷方法。

［1］ 周武仲，電力設(shè)備維修診斷與預(yù)防性試驗第2版［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［2］ 黃建華，全零三.變電站高壓電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的現(xiàn)狀及其發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25(16):56 －61.

［3］ 董其國.紅外診斷技術(shù)在電力設(shè)備中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［4］ 陳衡，侯善敬.電力設(shè)備故障紅外診斷［M］.北京:中國電力出版社，1999.