红外热成像的测试与分析讲义

红外热成像的测试与分析一、红外线基本理论及概念电磁辐射：一个表面辐射热能取决于σ—常数发射率——ε温度——T史提芬-波兹曼定律Q=σ.ε.T4发射率：ε——取决于材料性质ε=Wbb/WobjWbb——黑体的辐射能量；Wobj——同温度的“普通”物体的辐射能影响辐射率的因素1、不同材料的性质化学成分和性质,物理性质和内部结构；绝大多数纯金属很低,非金属较高；2、表面状态表面粗糙度,非金属受影响较小,金属受影响较大；涂有油漆的金属表面辐射率比没有涂油漆金属表面辐射率；3、温度的影响非金属随温度升高而减小,金属随温度升高而增加；注：对于电力设备，其发射率一般在0.85-0.95之间。辐射温度因以下原因改变：视角的变化目标形状的改变弯曲物体的边缘处于不同的温度物体温度越高，它发射红外射线越强。红外热像技术红外热像技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸应用的科学技术。热传输方式传导、对流和辐射，对流通常只发生在流体介质中。红外热像仪显示目标热像的过程称为红外热成像。而实现这个过程的设备称为红外热成像装置。二、红外成像技术红外探测器的工作原理A、红外探测器：把被测物体红外辐射量的变化变成电量变化的装置。B、红外热像仪一般由三个部分组成：红外探测头、图像处理器、监视器。C、探测器分为光机扫描型和焦平面凝视型。红外成像技术过程：红外热像仪的重要参数：温度分辨率—灵敏度（NETD）空间分辨率（IFOV）分辨物体大小的能力，以毫弧度表示：空间分辨率=π/180×镜头度数÷像素数检测距离与仪器空间分辨率、检测目标大小、目标温度等因素有关。例如:（24度镜头）空间分辨率为1.3毫弧度(mrad)代表仪器在10米远可分辨出大于或等于13mm（1.3厘米）的目标，100米远可分辨出大于或等于13厘米的目标。测温精度：仪器测量温度的精确性（例如:±２度）保证仪器测温的精确性和稳定性措施：仪器自校准功能(包括对大气系数的校准和仪器本体的校准)例如:辐射系数、距离、大气环境相关定义：温升——用同一检测仪器相继测得的被测物和环境温度参照体表面温度之差。温差——用同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差。相对温差——两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。T1发热点的温度T2正常相对应点的温度T0环境参照体的温度环境温度参照体——用来采集环境温度的物体。它可能不具有当时的真实环境温度，但它具有与被测物体相似的物理性质，并于被测物处在相似的环境中。外部缺陷——致热部位裸露，能用红外检测仪直接检测的缺陷。内部缺陷——致热效应部位被封闭，不能直接检测，只能通过设备表面温度场进行比较、分析和计算才能确定的缺陷。三、红外诊断相关知识1、电力红外诊断的特点红外监测设备不需停电，不解体、不接触、不取样，省时省力，降低设备维修费用，红外热像对设备的巡检效率远高于人的效率；监测电力设备适应面广，实现对大范围设备温度变化快速高效监测；设备缺陷形象直观，红外图像资料存档，进一步分析，确定故障属性、部位、程度等，进行诊断；通过对热缺陷的判断，实现电力设备从预防性维修到预知性维修的过渡；红外热像仪是一个重要的、有效的预防潜在性过热故障的武器；在没有红外检测之前，电力设备在1%的故障状态下工作，红外检测1-3年后，电力设备故障率下降到0.5%；红外诊断理论提升、作业标准化、实际广泛应用上努力。2、红外诊断缺陷热缺陷按照温升的高低及对设备的危害程度分为一般性缺陷、严重性缺陷、危险性缺陷三种。热缺陷按照温升的高低及对设备的危害程度分为一般性缺陷、严重性缺陷、危险性缺陷三种。一般缺陷----指设备存在过热，有一定温差，温度场有一定梯度，但不会引起事故的缺陷。这类缺陷一般要求记录在案，注意观察其缺陷的发展，利用停电机会检修，有计划地安排试验检修消除缺陷。当发热点温升值小于15K时，对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备，如果负荷有条件或机会改变时，可在增大负荷电流后进行复测，以确定设备缺陷的性质，当无法改变时，可暂定为一般缺陷，加强监视。严重缺陷----指设备存在过热，程度较重，温度场分布梯度较大，温差较大的缺陷。这类缺陷应尽快安排处理。对电流致热型设备，应采取必要的措施，如加强检测等，必要时降低负荷电流;对电压致热型设备，应加强监测并安排其他测试手段，缺陷性质确认后，立即采取措施消缺。危急缺陷----指设备最高温度超过GB/T11022规定的最高允许温度的缺陷。这类缺陷应立即安排处理。对电流致热型设备，应立即降低负荷电流或立即消缺;对电压致热型设备，当缺陷明显时，应立即消缺或退出运行，如有必要，可安排其他试验手段，进一步确定缺陷性质。电压致热型设备的缺陷一般定为严重及以上的缺陷。一、检测准备1、制定红外检测计划：根据实际情况编制实施计划，根据空间和布局，避免遗漏，实现故障普查和保障重点检测。2、高压设备的红外检测准备条件：选择高压设备在满负荷状态运行的时机进行红外检测，使设备有足够的发热时间，设备表面达到稳定温升，提高检测效率。3、检测位置的选择：多角度、全方位对运行设备扫描寻找热点；发现热点后，固定热像仪位置，以后检测中取原位置，保证不同时期相同位置的检测结果具有可比性。四、红外现场检测二、现场检测步骤开机后设备自检正常，根据环境调整仪器背景温度；在仪器上调整受检目标发射率，并设置色标温度量程；将仪器测量距离调至较远，进行大范围的一般检测，寻找可以发热点；将背景温度和测量距离调至适当值，对可疑发热点做精确检测，区分发热类型；对可疑发热点进行拍摄，应有设备整体成像、发热点的局部成像以及可供参考的同类正常热备的对比成像；记录成像设备编号、相别、以及发热点的方位，与图像编号相对应；收集发热设备的负荷情况和最高负荷情况。三、检测条件的影响与对策1、太阳和背景辐射选择夜晚和阴天、加装红外滤光片。2、环境温度的影响3、检测前，查被测设备表面的发射率值4、运行状态的影响高压设备满负荷的状态下进行，使设备有足够的发热功率使表面产生固有的故障热区特征。五、红外诊断方法1、热像特征判别法设备出现内部和外部故障，故障发热必须通过热传导形势进行热交换，改变设备相应部位的稳定温升或温度分布。eg：SF6断路器红外热像图中出现设备某部位的温升，就可判断断路器内部导电回路或电流互感器发热故障。2、相间互比判别法高压设备同组、同类设备出现三相局部故障温升的概率极小，三相运行条件相同，具有可比性。eg：变压器三相套管将军帽之间温差超过10℃，即可判断温度高的那相套管导电杆内部接头存在连接不良故障。输电线路导线连接件故障，就是通过相同导线1m处温升来鉴别。3、历史状态比较判别法通过对历次采集图像的对比，发现同一设备的差异，对设备缺陷随时间变化作出正确及时的诊断。4、机理比较判别法电流致热型—发热功率与电流成正比电压致热型—发热功率与电压的平方成正比5、温差比判别法η=（T1-T0）/(T2-T0)T1——设备发热异常部位温度T2——同组设备正常部位温度T0——环境参照体温度η为0.75——设备发热部位注意值η为0.95——设备发热部位危险值6、辅助判别法在一些设备的内部故障诊断上，因设备结构与内部传热过程的复杂性，设备表面的温升不明显，难于对故障属性、位置、严重程度作出准确判断，需借助电气测量、色谱分析、解体试验等手段综合判断。7、同类型设备相比法同一类型设备结构相同，在同样环境下其温度情况大致相同，若局部所测温度相差悬殊，则登记缺陷，分析过热原因。设备缺陷诊断依据一、电流致热型缺陷判断二、电压致热型缺陷判断六、现场拍摄方法和注意事项1、调清楚焦距手动或自动调焦，确保图像清晰2、调好图像明亮度和对比度手动或自动调节图像明亮度和对比度，使图像层次分明注意：对于微小温差故障设备，一定要通过手动调节图像明亮度和对比度通过改变电平值和温宽值来调节图像的亮度和对比度，使图像达到最佳效果。1、电流致热型设备，采用自动调节方式方便快捷；2、电压致热或混合致热设备，应采用手动调节方式调节，这样才能更好调节图像亮度和对比度，以便进行准确判断。3、保存图像冻结和保存图像后，有三点不能改变A、温度范围B、光学聚焦C、构图所以冻结或保存图像之前一定要选择合适的温度范围、光学聚焦和构图。图像最佳化方法1、选择不同的调色板2、选择温度范围在不超过测量范围的条件下，尽可能选择低的测温范围。3、选择合适的电平值和温宽值，即图像明亮度和对比度，使图像清晰，层次分明。1、变压器检测变压器箱体、储油柜、套管、引线接头及电缆终端，红外热像图显示应无异常温升、温差或相对温差。拍摄注意事项聚焦到位，主变的整体要完整，刚好充满画面，并且四周留有适当的空间。图片定格并保存，仔细观察图片，是否存在明显缺陷。观察内容并包括：主变整体温度是否符合下冷上热的梯度分布；三相套管的温度是否均衡，接头有无发热；油枕的油位在何处；散热器打开与否，各风扇电机之间有无较大温差。七、电力设备现场检测重点正面图侧面图1、箱体涡流损耗发热——变压器漏磁通产生的涡流损耗引起箱体或部分连接螺杆发热，其热像特征是以漏磁通穿过而形成的环流的区域为中心的热像。2、变压器内部异常发热——当变压器内部出现异常发热时，可能引起箱体局部温度升高，这种热谱图不具有环流形状，这类缺陷伴有变压器内部油的气化，可与油色谱结合判断。3、冷却装置及油路系统异常——潜油泵过热；管道堵塞或阀门未开（无油循环部分管道或散热器在热谱图上呈现低温区）；油枕缺油或假油位（热谱图上油枕内油气分界面清晰可辨）；油枕内有积水（热谱图上油枕的底部有明显的水油分界面）。110kV主变套管缺油220kV主变器身漏磁29.4℃40.8℃303234363840AR01220kV主变散热器油阀未开110kV主变套管末屏内部连接不良主变油枕拍摄注意事项聚焦到位，油枕的整体要完整，刚好充满画面，并且四周留有适当的空间。图片定格并保存，仔细观察图片，是否存在明显缺陷。整体拍完后，应用同一距离，将正面、侧面分别单独拍摄。观察内容并包括：油枕的油位在何处，是过低还是过满溢出；油位面是水平面还是弧形面2、套管检测高压引线连接处、套管本体等，红外热像图显示应无异常温升、温差或相对温差。聚焦到位，套管的整体要完整，刚好充满画面，并且四周留有适当的空间。整个套管包括：升高座、柱体、顶帽、出现接头。图片定格并保存，仔细观察图片，是否存在明显缺陷。整体拍完后，应用同一方向、角度、距离，将三相分别单独拍摄。观察内容并包括：三相套管的温度是否均衡，接头有无热点；套管的油位在何处。3、电流互感器检测高压引线连接处、电流互感器本体等，红外热像图显示应无异常温升、温差或相对温差。拍摄注意事项聚焦到位，三相的整体要完整，刚好充满画面，并且四周留有适当的空间。由于CT本身较细长，拍摄时尽量使CT竖直。独立CT包括：下部油箱、引线、柱体、顶帽、两侧线接头。图片定格并保存，仔细观察图片，是否存在明显缺陷（顶帽发热、接头发热）。三相整体拍完后，应用同一距离，将三相分别单独拍摄。观察内容并包括：三相顶帽，接头之间是否存在温差；由于设备的缺陷为内部电压制热型缺陷，所以当温度存在较小温差也有可能存在严重缺陷。220kV35kV1、内部损耗异常电流互感器相间温差不得超过2~3K。必要时配合色谱及电气试验结果综合分析。2、内部连接件接触不良——以接触不良处为中心的热谱图，最高温度在出线头或顶部油面、铁帽处。3、外部连接接触不良4、缺油5、外壳发热——某些设计制造不合理的干式电流互感器用导磁材料做外壳，没采取限制磁通的措施，因涡流损耗而发热。110kV电流互感器内部连接不良35kV电流互感器局部发热4、电压互感器、耦合电容器检测高压引线连接处、耦合电容器本体等，红外热像图显示应无异常温升、温差或相对温差。电压互感器拍摄注意事项聚焦到位，三相的整体要完整，刚好充满画面，并且四周留有适当的空间。由于PT本身较细长，拍摄时尽量使