红外监测及诊断技术

第5章红外监测与诊断技术热不仅能直接反映设备的过热故障，而且通过温度的监测常能发现绝缘性故障。对设备的热状态进行在线监测是至关重要的。红外非接触的测温技术恰好满足了电气设备在高温、高压、高速旋转、高电压、大电流等运行状态下的监测温度的要求。经验证明，红外监测技术在准确判断设备故障、有效降低维修费用和保证安全可靠供电方面有着良好的效果，已广泛应用于电气设备的在线监测。目前广泛应用的红外测温装置有：红外测温仪、红外热象仪和红外热电视。红外线的基本特性红外线的波长在0.76～1000um之间，分近红外(0.75um～3um)、中红外(3um～6um)、远红外(6um～15um)和极远红外(15um～1000um)。任何温度超过绝对零度的物体都会辐射红外线。红外线的频程比可见光宽，可以表现丰富的“颜色”。红外线要受大气的吸收使能量衰减，但空间中的大气、烟云、对红外的吸收程度与红外波长有关，对(2um～2.5um)(3um～5um)及(8um～14um)三个区域吸收相对较弱，通常成为“大气窗口”。无线电波红外线可见光谱紫外线X射线宇宙射线频率(Hz)10^510^1010^1510^2010^25波长(m)3003*10^-2780~380nm3*10^-73*10^-123*10^-17红外辐射的基本规律黑体辐射的基本规律：绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率与波长、温度的关系：11251])[exp()(TCCTMbC1:第一辐射常熟。C2:第二辐射常熟。实际物体的红外辐射规律4)()(TTTM实际物体的总辐射功率与绝对温度4次方成正比，还与实际物体的发射率ε有关。第一节红外测温仪1、基本原理光学系统收集被测目标的幅射能量，使之汇聚在红外探测器的接收光敏面上。红外检测器将接收到的红外幅射能量转换成电信号输出。信号处理提高信号的信噪比和进行线性化输出、辐射率调整等的处理。温度指示、存贮和纪录有多种方式，可根据应用场合选用不同的纪录和存贮方式。第一节红外测温仪2、光电检测器的选择光电检测器典型的有硅光电二极管、硫化铝、锑化铟，灵敏度高响应快。适用于制作扫描、高速、高温度分辨率的测温仪。由于对光谱有选择吸收的特性，只能在特定的红外光谱波段使用，有的使用条件苛刻。给使用带来不便。热检测器对红外光谱无选择性，使用方便而价廉，响应慢灵敏度低。适用对准确度要求不太高的测温仪。其中热释电探测器灵敏度较高，是对中低温较合适的红外探测器。第一节红外测温仪3、适用范围红外测温仪的测温范围一般分为高、中、低三类，往往中、低温(约700℃以下)在一起。红外测温仪的局限性是只能测量“点”温度，若干个“瞄准点”的温度常不足以反映整个设备的表面温度分布，特别是有些不容易被注意到的地方，往往又是散热相当多的部位。红外测温仪的局限性是无法对大型和远距离的电气设备进行检测。目前多数产品的视场角大而距离系数小，例如10视场角，其距离系数(距离／目标尺寸)为60，即当距离60米时，目标直径尺寸为l米才行，若目标面积过小，则测温结果不准。故多数红外测温仪适合于近距离(例如户内电气设备)测温，对于远距离小目标的测温需选用远距离测温仪。对大型设备的监测应配备红外热象仪或红外热电视。美国FLIR公司的TPT2-8系列重量轻、结构紧凑、使用方便。测试时，只要瞄准目标，扳动扳机，即可在背面的LCD显示屏上的温度值。具有激光瞄准精确定位所测目标、高低温报警，温度最大、最小、平均值、温差显示等功能。测温范围：TPT2,3型:-32℃--400℃TPT6,8型:-32℃--500℃距离系数比:TPT2,3,6型:8:1TPT8型：30：1分辨率：0.1℃精度：±1%第一节红外测温仪4、典型产品第二节红外热像仪1、基本原理热像仪是一个红外热成像系统，它利用红外线传感器接收被测目标的红外线信号，经放大和处理后送至显示器上，形成该目标温度分布二维可视图像，从而将目标的不可见热图像转换为可见图像。第二节红外热像仪1、基本原理红外摄像机由光学系统、扫描机构、致冷红外探测器、控制电路和前置放大器所组成。光机扫描机构可扫描被测目标的全部外表面，以达到测定整个目标温度分布的目的。有两种组成，一种是由垂直、水平两扫描棱镜及同步系统组成；另一种是只由一个旋转扫描棱镜构成。红外检测器一般选用光敏器件如锑化铟，碲镉汞。为降低热噪声，提高光电检测器的信噪比和灵敏度以及较短的响应时间，要求将这种光敏元件粘贴在致冷剂室(即绝热容器或杜瓦瓶内)的末端进行冷却，致冷器的工作温度由致冷剂决定，例如液氮为77K。检测器的主要技术性能探测度D*即表示检测器冷却在77K时的检测能力。红外检测器在任意瞬间只能探视目标的一小部分，称之为“瞬时视场”，看到任何瞬时视场时，只要检测器的响应时间足够快，就立即输出一个与接收的辐射通量成正比的信号。瞬时视场一般只有零点几个毫弧度或几个毫弧度，故为使一个几十度乘几十度的目标成像，需要对整个被测目标进行扫描。第二节红外热像仪1、基本原理监视器对经前置放大输出的信号分析处理后，进行实时纪录、存贮或显示。显示方式主要采用伪彩式图像显示二维温度场，以不同颜式代表不同温度，一般为16个等级色彩或黑白灰度来区分。设有等温区显示及各温度段的显示等等。先进的热像仪都要求达到电视兼容图像显示。第二节红外热像仪2、特点红外热像仪的视场角从几度到数十度，聚焦范围从零点几米到数百米或更远，空间分辨率为：0.1～10毫弧度（即在1米距离分辨0.1～10毫米的目标)。测温范围为摄氏零下数十度到零上数千度。温度分辨率一般在0.1一0.2℃。光谱范围决定于所选用的探测器，例如锑化铟为3～5μm，碲镉汞为8～13μm。测量误差因素很多，有的如目标的幅射特性、目标尺寸、测距等和使用有关。第二节红外热像仪3、典型实例IR913A型非制冷焦平面红外热像仪成像类型非制冷焦平面工作范围8～14μm温度分辨率0.06℃像素320×240像素数字化图像16Bit空间分辨率1mRad精度±1℃±1%测温范围-20℃～400℃（可扩展到1500℃）帧频50幅/秒视频输出PAL/NTSC聚焦范围0.5m～∞镜头50mm存储通用CF卡（1000幅）体积164×90×98mm重量1.5㎏外接电源7.2V工作环境-20～+50℃第二节红外热像仪第三节红外热电视1、基本原理热电视是由摄像机，电源和监视器三部分组成，以热释电材料为靶面和标准电视扫描方式相结合的热释电摄像管为关键部件而制成的二维实时成像的红外测温仪器。第三节红外热电视2、典型实例第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用1、应用范围及机理红外监测已用于电力系统的发、输、变电的各个方面，特别是变电设备方面应用更广泛，它可扫描全变电站及每个设备的全部外表面，包括变压器、电抗器、电容器、避雷器、互感器、断路器、隔离开关及母线、进出线绝缘子等均可形成清晰的热图像。在发电厂则可检测封闭母线的过热故障、定子铁芯的绝缘缺陷、定子线棒的焊接质量等等，尤其对高速旋转且通过上千安培电流的滑环和碳刷，更是提供了安全可靠的温度监测手段。输电线路方面可对上百个接头和节点接触状况和大量绝缘子串进行监测。可用车载或机载热像仪对线路进行巡视。1、应用范围及机理接触性故障：P=R*I^2。介质性故障：CtgUP绝缘表面脏污、受潮。具有磁回路的电气设备，由于磁回路漏磁、磁饱和或铁心片间绝缘局部短路造成铁损增大，引起局部环流或涡流发热。某些电气设备因故障改变电压分布状况或增大泄漏电流。•红外线成像检测标准依据《中华人民共和国电力行业标准DL/T664-1999带电设备红外线诊断技术应用导则》进行判断。•对缺陷性质的判断标准为1)相对温差;2)设备在空气中的最高允许温度。•缺陷性质说明:一般缺陷:指对近期安全运行影响不大,可列入年、季度检修计划中消除。20%相对温差80%。重大缺陷:指比较重大,但设备仍可在短期内继续运行的缺陷，应在短期内消除,消除前应加强监视。80%相对温差95%。紧急缺陷:指严重程度已使设备不能安全运行,随时可能导致发生事故或危及人身安全的缺陷。必须尽快消除或采取必要的安全技术措施进行处理。95%相对温差。第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用2、应用实效不少国家已形成常规的检测制度，设有热成像仪专用监测车进行变电站的巡检，英美等国还用直升飞机载热像仪进行输电线路的巡检。还规定了检测周期，有的对主要目标还采用连续监测。应用热像检测的效果明显，超温的部件数量和故障率逐年下降。意大利米兰地区设备的过热部件在1970～1975年间为l％，而1975～1978年间下降为0.5％；比利时三个电力公司的故障率从1971年的2.35％下降到1977年的0.24％；我国某供电公司采用热像检测后，故障次数逐年速减，88年为27次，89年19次，90年6次，91年仅为2次。第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用3、故障类型用红外监测出的故障类型按性质可分为外部热故障和内部热故障两类。外部热故障主要是各种裸露接头的热故障，以局部过热的状态向其周围辐射红外线，其红外热图像显示出以该故障为中心的热场图，故从设备热图像中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布场可准确地确定故障的部位。内部热故障是指设备内部故障而引起外部相关部件的温度变化，即其表现形式是外部件的热变化。其发热过程一般都较长，且为稳定发热。与故障点接触的固体、液体和气体．都将发生传导和对流热。因此从外部对其相关部件进行红外热成像监测分析，是可以诊断出内部热故障的。通过热像图也可发现其它潜伏性或早期故障，特别是电容型设备、电磁式电压互感器和避雷器等。第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用4、检测步骤先测定全部设备的温度分布，依据热图象调整出各设备的温度显示，判断有无温度异常，若有异常设备则要进行详细的温度测定，对异常部位则进行分解检测。还可用其它判断方法，对是否异常进行确认。热像是否异常的判别方法：一是和本设备正常状态的图像作比较，这里要考虑负荷电流、环境温度对热像的影响；二是和处于相同条件下的另两相设备的图像作比较。第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用4、检测步骤－热像判别方法第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用4、检测步骤－热像判别方法表面温度判断法相对温差判断法同类比较法热谱图分析法档案分析法纵向比较法第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用5、检测实例第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用5、检测实例第四节红外监测与诊断技术在电气设备上的应用5、检测实例5、检测实例异常温度:64.4C正常温度:19.0C最高温度:64.7C环境温度:17C相对温差:96%电流互感器电流比连接处接触不良。紧急缺陷五里堆变电站220kV202#B相电流互感器电流比连接处5、检测实例异常温度:207.0C正常温度:22.0C最高温度:210.0C环境温度:17C相对温差:97%隔离刀闸接线夹接触不良。紧急缺陷五里堆变电站110kV五炳线1536#A相隔离刀闸接线夹6、影响检测准确性的因数目标设备发射率设备运行状态太阳及背景辐射环境温度气象条件距离因数