紅外測溫診斷影響因素分析

王 晨，施景壘，陶加貴，肖 雷，陳平春，盧 洋

(國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

紅外測溫是一種通過紅外成像儀將運行設備發出的紅外輻射轉變為可見的熱像分布圖的技術。采用這種技術可以獲得設備的溫度及熱分布，即設備熱像圖。設備熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，可分析判斷設備可能存在的各種故障缺陷。

根據2013年江蘇省電力公司帶電檢測數據統計分析，通過紅外測溫儀發現的缺陷占缺陷總數的80 %以上。然而，在紅外測溫實施過程中，由于受環境參數、設備負荷、人員熟練程度與分析能力的影響，紅外測溫技術仍存在諸多不足。本文對測試角度、輻射率、風速、高倍鏡頭、環境參數、負荷等因素進行了詳細分析，探討其對紅外測溫技術的影響。

圖1為某35 kV套管接頭發熱的紅外圖像。從設備前側測試，最高溫度為115.1 ℃，按絕對溫度判斷，設備缺陷為嚴重缺陷；從設備側后測試的最高溫度為135.4 ℃，設備缺陷變為危急缺陷。因此，不同的測試角度，會直接影響缺陷等級的判斷。

1 電流致熱型缺陷主要影響因素

1.1 測試角度

朗伯余弦定律指出，物體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比，即黑體在輻射表面法線方向的輻射最強。因此，在進行紅外測溫時，應盡可能選擇從電氣設備正面拍攝。

對電流致熱型缺陷，若測試角度選擇不當，會引起較大的測量誤差。電流致熱型缺陷大多是由一次設備連接部位接觸電阻增大引起的，主要存在于接頭、線夾、金屬導線、隔離開關轉頭與刀口、斷路器動靜觸頭和中間觸頭、電流互感器內連接、套管柱頭、電容器熔絲和熔絲座等部位。對電流致熱型缺陷進行檢測時，由于檢測人員常處于設備下方，測試角度易受遮擋，多數情況下難以捕捉最高溫度，而只能通過熱傳導間接測量溫度。因此，測試人員必須熟悉設備結構，盡可能找到最佳測試點(一般情況下，設備正下方是理想的測試點)，并在無法測到最高溫度且可能影響判斷缺陷等級時,應結合設備結構、測試方位，做出適當的修正。

圖1 某500 kV主變35 kV側紅外圖像

圖2為某35 kV隔離開關尾吊異常發熱的紅外圖像。從正下方檢測最高溫度為102.7 ℃，而從側下方檢測最高溫度僅為96.5 ℃。產生這種現象的原因是發熱點在尾吊內部，當從側下方檢測時，視線受到隔刀蓋板阻擋，無法測到最高溫度點。

圖1和圖2存在的共同點是：被測設備的最高溫度點因受阻礙而難以捕捉。此時，應根據設備結構及現場安全環境，盡可能找到最佳測試點。一般情況下，這種阻礙并不影響電流致熱型缺陷的發現。

圖2 某500 kV變電站35 kV隔離開關紅外圖像

1.2 調焦

聚焦不良會導致圖像模糊不清，同時影響紅外測量結果的準確性。在測溫過程中，若測試距離發生微小變化，必須重新聚焦。在其他條件不變的情況下，距離越遠，探測到的溫度越低，且會受到傳播介質的吸收和散射能力影響。

圖3是不同探測距離對測試結果影響的對比圖(焦距已調至最佳)。從圖3中可明顯看出：在正確調焦下，增大檢測距離會造成溫度衰減，但不影響發現距離較遠的電流致熱型缺陷。因此，在日常紅外巡視時，正確聚焦有利于電流致熱型缺陷的探測。

圖3 某500 kV主變35 kV側不同探測距離的紅外圖像

目前絕大部分紅外測溫設備都可自動調焦，但實際測試時并不能完全依賴這種模式。由于自動調焦是以畫面中某一特定目標作為定焦對象，而實際應用中無法保證缺陷設備即為定焦對象，因此仍需要手動調節，否則會影響檢測結果。

2 電壓致熱型缺陷的主要影響因素

2.1 高倍鏡頭

高倍鏡頭主要針對距離較遠的被測對象，其中應用較多的是對絕緣子串的精確測溫。圖4為某500 kV懸式絕緣子，其第3片有發熱跡象。由于紅外測溫儀未加裝高倍鏡頭，畫面模糊不清，無法判斷發熱是由瓷片表面污穢還是由鐵帽引起的。加裝高倍鏡頭后，紅外圖像清晰；但由于鏡頭角度減小，可視范圍也大大縮小。此時若要拍攝設備整體圖像，需增加檢測距離，進而會導致溫度整體衰減，但仍可通過溫升來判別設備缺陷。

圖4 變電站懸式絕緣子紅外圖像

2.2 風速

《帶電設備紅外診斷應用規范》要求：“一般測試時，風速應不大于5 m/s；精確測溫時，風速應不大于0.5 m/s”。風速較高，會加速對流冷卻，造成缺陷設備熱點溫度下降，導致測得的溫度比常規情況要低。因此，當風速較大時，難以發現溫差低于1 K的電壓致熱型缺陷。

為確定風速對表面溫度的影響，利用升流器給負載設備施加電流。通過調整調壓器輸出電壓以獲得試驗所需的大電流，來模擬運行中的負荷；通過熱電偶傳感器置于待測設備表面，測量設備的實時溫度；通過改變風速，獲取對缺陷發熱溫度的影響。

本次試驗對象是型號為JKLGYJ-120的導線，額定電流為240 A。在導線上的不同部位布置熱電偶傳感器，1號熱電偶位于導線端頭處，2號熱電偶位于導線線鼻子處，3號熱電偶位于導線左側，4號熱電偶位于導線右側。

給負載設備施加90 %負荷電流(216 A)，用風扇模擬自然風，通過風扇檔位來控制風速大小。風扇距導線距離約1 m，在4個熱電偶中間位置測試記錄風速大小(誤差為0.1 m/s)。待熱電偶數值穩定后，記錄對應風速下的各測點的數據(見表1)。

表1 溫度隨風速的變化情況

由此可知：設備表面溫度隨風速的變化較明顯；風速越高，設備表面降溫越快，穩定后的溫度越低。

2.3 熱輻射

通常情況下，太陽輻射會影響設備表面溫度或在設備表面形成反射，從而干擾正常檢測。同時，主變、低抗、高抗等溫度較高的設備也容易對周邊設備產生熱輻射。尤其是主變套管、主變避雷器等設備，由于與主變的距離較近，易受到熱輻射的影響，從而誤判為電壓致熱型缺陷。若要排除此種干擾，需通過多角度拍攝，觀察是否為環狀發熱；若不是，則多為熱輻射干擾影響。

圖5是某110 kV主變高壓側A，B相套管紅外圖像，其下部有近3 K的溫升，但并非呈環狀發熱，因此判定為熱輻射影響。在停電試驗中，通過絕緣電阻、介損等測試，發現該套管正常。

圖5 某110 kV主變高壓側套管紅外圖像

2.4 濕度

《帶電設備紅外診斷應用規范》要求“紅外測溫時濕度不大于85 %”。濕度較高時，積污較嚴重的瓷瓶表面泄漏電流也隨之增加，從而導致表面發熱。如果設備介損偏大，內部受潮發熱形成電壓型缺陷，則濕度較大時紅外測溫就難以發現此類缺陷。

2.5 溫寬

圖6是某35 kV SF6斷路器紅外圖像。從圖6中可以看出：左圖溫寬較大，不易察覺設備發熱缺陷；右圖溫寬較小，該斷路器B相上半部發熱，頂帽溫度高于下法蘭溫度，初步判斷為斷路器靜觸頭發熱。因此，應對低溫差缺陷宜采用溫寬范圍較小的模式巡視測溫。

圖6 35 kV SF6斷路器紅外圖像

紅外檢測人員往往有一種誤解，認為設備過熱點在圖像上調整得更亮會引起設備維護、檢修人員的注意和重視，從而及早安排處理。但這種調整是以層次分明、不影響設備最熱點的判定為前提的；且溫寬范圍的調節并不是一成不變的，切不可調節過度。一般巡視測溫時，建議溫寬上限調整為：環境溫度10～20 K的溫升范圍；溫寬下限調整為：低于環境溫度10 K。此時既不易漏掉電壓致熱型缺陷，也不會影響發現電流致熱型缺陷。

巡視測溫時，當發現疑似缺陷后，應選取合適的角度、距離、溫寬范圍做精確測溫。一般精確測溫時，溫寬上限應略高于熱點最高溫度，溫寬下限以圖譜層次分明為宜。

3 對缺陷計算判斷影響較大的因素

3.1 環境溫度

利用環境溫度參照體采集環境溫度的物體，不一定具有真實的環境溫度，但具有與被檢測設備相似的物理屬性，并與被檢測設備處于相似的環境之中的物體，最好是站內不帶電的同類設備。然而在實際測試時，在變電站內難以找到符合條件的設備，所以目前多將現場空氣溫度作為環境溫度。

目前，帶電檢測紅外測溫針對電流致熱型缺陷的缺陷等級判斷，有表面溫度判斷法(即絕對溫度判斷法)和相對溫差判斷法2種。

(1)表面溫度判斷法主要適用于電流致熱型和電磁效應引起發熱的設備。根據測得的設備表面溫度值，對照GB/T11022《高壓開關設備和控制設備》中對各種部件、材料及絕緣介質的溫度和溫升極限的有關規定進行分析、判斷。

(2)相對溫差判斷法主要適用于電流致熱型設備。特別是對小負荷電流致熱型設備，采用相對溫差判斷法可降低小負荷缺陷的漏判率。尤其是在迎峰度夏和迎峰度冬前的帶電檢測，用電負荷多未達到最大負荷，故此時缺陷判斷多應采用相對溫差法。

相對溫差(δt)即2個對應測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數。電器設備與金屬部件的連接處以及金屬部件與金屬部件的連接處發熱缺陷判斷依據為：δt大于80 %為嚴重缺陷，δt大于95 %為危急缺陷。

表2是根據上述計算方法在改變環境溫度后的缺陷等級判斷示例。

表2 不同環境溫度下缺陷等級的判斷

從表2可知,在使用相對溫差法作判據時，即使發熱點和正常相溫度測試準確，只要環境溫度測試有偏差，也會影響缺陷的計算判斷。

在實際測試中，很多測試人員并未攜帶溫濕度計進入變電站，而是在事后估算或者查看天氣預報，這與實際溫濕度可能會有較大差距。

3.2 負荷

負荷變化對設備溫度也會造成影響。負荷的變化對熱點溫度變化的影響較大，即使測量前后相差2 h，所測溫差也有可能相差30 ℃，因此，測試人員應盡可能選擇當天負荷較大時進行檢測。尤其是迎峰度夏前的帶電檢測，因此時負荷還未上升到最大值，為了保證缺陷判斷有一定裕度，除了選擇在測試當日高負荷時檢測，還需使用相對溫差法對缺陷進行計算判斷。

3.3 圖片一致性

圖片一致性包括：保證三相圖片在拍攝距離、拍攝方向上的一致，保證與歷史測溫記錄在拍攝距離、拍攝方向上的一致。距離和角度的不同，會對紅外輻射量有一定的影響，尤其是對電壓致熱型缺陷，即使是溫度較小的變化對測溫結果也會造成很大影響。某220 kV電纜終端發熱紅外圖像從不同角度拍攝，最高溫度有近0.9 K的差別，而此類電壓致熱型缺陷即使0.5～1.0 K的溫差也可判定為嚴重缺陷。因此，在對這類缺陷紅外測溫時應盡可能保證拍攝角度一致，否則測溫結果不具可比性。

4 結論

對設備進行紅外測溫診斷與探究，需要大量的經驗積累，并在實踐中對測溫方法進行細化和改進，以提高紅外測溫的工作效率和準確性。本文通過理論分析，并結合帶電檢測的實際經驗，提出了電力設備紅外測溫及缺陷判斷的技巧。同時，還建議紅外檢測分析人員熟悉設備結構原理和故障致熱特征，正確理解技術規范和標準的規定，逐步提升現場檢測和診斷分析水平。

1 羅軍川．電氣設備紅外診斷實用教程[M]．北京：中國電力出版社，2012.

2 李明霞，錢二剛．紅外測溫技術在硬質安全工器具試驗中的應用[J]．電力安全技術，2012(11)．