紅外熱成像技術及其在電力設備檢測與診斷中的應用引言太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78?1000^m的電磁波。其中波長為0.78?1.5^m的部分稱為近紅外，波長為1.5?10um的部分稱為中紅外，波長為10?1000um的部分稱為遠紅外線。而波長為2.0?1000^m的部分，也稱為熱紅外線。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大;反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。紅外熱成像技術的發展從1800年，英國物理學家赫胥爾發現了紅外線后，開辟了人類應用紅外技術的廣闊道路。在第二次世界大戰中，德國人用紅外變像管，研制出了主動式夜視儀和紅外通信設備，為紅外技術的發展奠定了基礎。二次世界大戰后，首先由美國德克薩斯儀器公司（TI）在1964年首次開發研制成功第一代用于軍事領域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統（FLIR）。它是利用光學機械系統對被測目標的紅外輻射掃描，由光子探測器接收兩維紅外輻射，經光電轉換及處理，最后形成熱圖像視頻信號，并在熒屏上顯示。六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典國家電力局，在紅外尋視裝置的基礎上，開發了具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置。這種第二代紅外成像裝置，通常稱為熱像儀。七十年代，法國湯姆蓀公司又研制出，不需致冷的紅外熱電視產品。1986年，瑞典研制出工業用的實時成像系統，它無須液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電；1988年又推出全功能熱像儀，它將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7kg，使儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。九十年代中期，美國FSI公司首先研制成功由軍用轉民用并商品化的新一代紅外熱像儀，它是屬焦平面陣列式結構的一種凝視成像裝置，技術功能更加先進，現場測溫時只需對準目標攝取圖像，并存儲到機內的PC卡上。各種參數的設定，可回到室內用軟件進行修改和分析，最后直接得出檢測報告。由于取代了復雜的機械掃描，儀器重量已小于2kg，如同手持攝像機一樣，單手即可操作使用。七十年代，中國有關單位已經開始對紅外熱成像技術進行研究。八十年代末，中國已經研制成功了實時紅外成像樣機，其靈敏度、溫度分辨率都達到很高的水平。進入九十年代，中國在紅外成像設備上使用低噪聲寬頻帶前置放大器，微型致冷器等關鍵技術方面有了發展，并且從實驗走向應用。如用于部隊的便攜式野戰熱像儀，反坦克飛彈、防空雷達以及坦克、軍艦火炮等。近幾年來，中國的紅外成像技術得到突飛猛進的發展，與西方的差距正在逐步縮小，有些設備的先進性也可同西方同步。如目前己能生產面積小于30um2的1000X1000像素的探測器陣列，由于采用了基于銻化金因的新器件，目前己達到了分辨率小干0.01°C的溫差，使對目標的識別達到更高的水平。紅外熱成像儀，可以分為致冷型和非致冷型兩大類。紅外電視產品和非致冷焦平面熱成像儀是非致冷型產品，其他為致冷型紅外熱成像儀。前一代的熱像儀主要由帶有掃描裝置的光學儀器和電子放大線路、顯示器等部件組成，已經成功裝備部隊，并己用于夜間的地面觀察、空中偵查、水面保險等方面。目前，新的熱成像儀主要采用非致冷焦平面陣列技術，集成數萬個乃至數十萬個信號放大器，將芯片置于光學系統的焦平面上，無須光機掃描系統而取得目標的全景圖像，從而大大提高了靈敏度和熱分辨率，并進一步地提高目標的探測距離和識別能力。紅外熱成像技術原理依據紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度（-273C）的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎。利用這一特性，通過光電紅外探測器將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經系統處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖，即紅外熱圖像。他所參照的依據有：著名的普朗克定律表明溫度、波長和能量之間存在一定的關系，紅外總能量隨溫度的增加而迅速增加；峰值波長隨溫度的增加向短波移動。根據斯蒂芬?玻耳茲曼定律，當溫度變化時，紅外總能量與絕對溫度的四次方成正比，當溫度有較小的變化時，會引起總能量的很大變化。紅外熱成像技術在電力設備的溫度監測與診斷中的應用一、 故障分類正常運行的電力設備，由于電流、電壓的作用將產生發熱.主要包括電流效應引起的發熱和電壓效應引起的發熱。當電力設備存在缺陷或故障時，缺陷或故障部位的溫度就會產生異常變化。從而引起設備的局部發熱，假設未能及時發現并及時制止這些隱患的發展，最終會促成設備故障或事故的發生，嚴重的會擴大成電網事故。電力設備發熱故障基本上可分為兩大類，即外部故障和內部故障，其基本特征如下：1） 外部發熱故障:它以局部過熱的形態向其周圍輻射紅外線，各種裸露接頭、連接體的熱故障，其紅外熱圖顯現出以故障點為中心的熱場分布。所以，從設備的熱圖中可直觀地判斷是否存在熱故障，根據溫度分布可以準確地確定故障的部位及故障嚴重程度。2） 內部發熱故障：它的發熱過程一般較長，且為穩定發熱，與故障點接觸的固體、液體和氣體，形成熱傳導、對流和輻射，并以這樣的方式將內部故障所產生的熱量不斷地傳遞至設備外殼，從而改變設備外表面的熱場分布情況。二、 紅外熱成像儀常用檢測分析方法1） 表面溫度判斷方法。根據測得的設備表面溫度值，對照有關電力設備檢測規范的相關規定，可以確定一部分電流致熱型設備的缺陷。2） 相對溫差判斷法。電力設備在正常運行時都會發出一定熱量，而這種熱量按設計要求是允許的。若用熱像儀對全部運行設備進行掃描檢查時，發現存在異常溫度點，然后對溫度異常的部位進行重點檢測，測出異常點的溫度。為了判斷是否為故障，應將異常點溫度與正常運行時的溫度進行比較，同時考慮周圍環境條件的影響，最后根據設備的相對溫差以及是否超出規定值，來確定設備故障與否。3） 同類比較法。包括：三相之間的橫向比較和相同各部位的縱向比較。三相之間溫度比較：在發電、輸電、變電、供電回路中，大部分以三相形式輸送電能，用于三相連接的金屬材料是相同的，一般講三相上升的溫度是均衡的，則設備正常運行。當三相中的某一相或兩相出現溫度過高現象，可以判定溫度高的相存在缺陷，圖13是平果變電站中壓套管B相溫度異常，用熱像儀檢測時的熱圖像。其連接處可能存在松動、生銹，使其接觸電阻增加，引起電流過大，導致故障。而電流大又會導致接觸電阻增大勢必形成惡性循環，出現嚴重后果。同一部件的溫度比較同一部件的材料、流過的電流都相同，正常情況下整個部件上升的溫度應該是一樣的。然而由于某些產品由于材質上存在缺陷，如材料存在雜質、氣泡，使材料特性發生變化，當電流通過時，會產生不同的熱量，表現出部件局部發熱。如絕緣子串的局部發熱，避雷器的局部發熱，導線電纜的局部發熱等。4） 熱圖譜分析法。根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱圖譜的差異來判斷設備是否正常。5） 檔案分析法。分析同一設備在不同時期的檢測數據（例如溫升、相對溫差和熱譜圖），找出設備致熱參數的變化趨勢和變化速率，以判斷設備是否正常。6） 運行負荷比較法。系統設備運行時的溫度和運行負荷有著直接關系，眾所周知，電流越大，持續時間越長，設備累積的溫度越高。當用紅外熱像儀進行檢測時，發現設備某個部件，或線路的某一相溫度出現異常，這時要檢查設備運行負荷的大小，來判斷設備是否會出現故障。若當時負荷已很大，而發熱部件溫度又不是很高，則不會發生故障。反之，當檢測時，負荷很小，設備部件已發熱，那么一當負荷增加，發熱部件的溫度會急劇增加，從而導致故障的發生。所以測試時，一定要注意設備運行的負荷大小，然后再診斷系統和設備可能出現的故障。實例1.鄒縣發電廠2000年鄒縣發電廠利用遠紅外熱成像儀，發現了大量設備缺陷，避免了許多設備事故的發生，減少損失上百萬。該儀器在狀態檢修工作中發揮的作用，是實現狀態檢修以來最明顯和最成功的。發現的設備缺陷類型主要有：高壓設備接頭發熱、變壓器箱體渦流損耗、鍋爐汽機方面的問題、閥門保溫、高壓電機引線發熱、端子排端子發熱、電路板發熱、電纜鼻子發熱等。另外熱成像儀的應用，解決了高壓絕緣子的檢零、避雷器在線檢測、開關內部觸頭的間接檢測等問題。下面舉幾個典型的應用實例。鍋爐方面的應用三期5號爐投產以來，5B上軸承漏灰、漏熱嚴重。2000年6月，5號爐臨修前，使用遠紅外熱成像儀從多個角度檢查漏風情況并做詳細記錄，找到了確切的漏點，臨修后上軸承溫度由80°C下降到47°C，解決了存在幾年的遺留問題。高壓電機引線方面的應用采用遠紅外熱成像儀對電機接線盒外三相電纜和接線盒溫度進行定期檢測后，把電機接頭過熱事故減少到了最低程度。如1號爐甲排電機接線盒外電纜溫度達到130C以上，由于及時發現，及時停電檢修，避免了一次重大事故。高壓設備電氣接頭方面的應用定期用遠紅外熱成像儀檢測所有高壓電氣設備，可及時發現并消除設備隱患，避免異常事故的發生，為開關實行狀態檢修提供有力的依據。端子排、電路板方面的應用定期用遠紅外熱成像儀檢查端子排、電路板，可及時發現隱患，避免因端子排端子過熱引起跳閘事故和很多重要電路板的損壞及設備的跳閘。變壓器方面的應用使用遠紅外熱成像儀發現了變壓器上下節油箱的部分連接螺栓發熱的缺陷，個別螺栓溫度已經達到120C以上，嚴重威脅了變壓器的安全運行。而因漏磁通產生的渦流損耗，引起的螺栓發熱缺陷平時是很難發現的。低壓電氣設備方面的應用發現了大量的低壓電氣設備接頭過熱、母排接頭過熱、刀閘過熱、保險口過熱、接地線過熱等缺陷。如發現400V一接地螺栓嚴重過熱（130°C）,原因是接地扁鐵未正確連接在地網上。而這樣的缺陷平時很難發現，也容易造成人身傷害。電纜接頭方面的應用對電纜中間接頭進行編號，定期用遠紅外熱成像儀進行監測和分析，把電纜接頭隱患消滅在萌芽狀態，因而再也沒有發生過電纜中間接頭過熱事故。保溫方面的應用用遠紅外熱成像技術完全可以檢查出大面積保溫的薄弱環節，大修時可以只拆除保溫薄弱的地方，既解決了問題，也節省了大量費用。閥門內漏方面的應用只要管道內介質與環境溫度存在一定的差值，通過遠紅外熱成像儀能對閥門進行紅外檢測和分析，確認內漏的閥門及內漏的程度。但由于閥門、管道有保溫、鐵皮，給分析內漏的程度和原因帶來了一定的困難。如果閥門、管道上沒有保溫，內漏的閥門就容易判斷出來。特別是很多管子的閥門接到總管很難確定哪個閥門泄露時，使用遠紅外熱成像儀能很快查出泄露的閥門并加以更換，避免了工作的盲目性，節省了費用。2.隴南從2004年開始，隴南供電公司給下屬各變電運行工區配置了FLIR型紅外熱成像儀，并在早期應用中就發現了江洛變電站1號主變35kV~套管接頭B相異常發熱的故障，使檢測人員對這項檢測技術的開展充滿了信心。檢修人員利用紅外熱成像儀對所轄變電站設備進行定期（各站一月一次）常態化的全面測試，并進行不定期的有針對睦（如設備重負荷及特殊運行方式時期）的跟蹤監測，能夠及時發現設備接頭的發熱缺陷，并形成圖片報告上報。通過對圖片報告分析，公司相關部門采取及時的、有針對陛的缺陷消除工作。同時，利用對圖片報告的仔細分析，將分析結果做為狀態檢修的重要依據，檢修人員根據報告情況，有針對性對電氣發熱部位進行維護和檢修。總結紅外檢測技術應用中的優缺點1、 紅外熱成像技術的優點紅外熱成像技術是一種被動式的非接觸的檢測與識別在進行設備狀態診斷時具有遠距離、不接觸、不取樣、不觸體，又具有準確、快速、直觀等特點，實時地在線監測和診斷電氣設備大多數故障。從而使紅外熱成像儀的操作者更安全。紅外熱成像技術不受電磁干擾，能遠距離精確跟蹤熱目標紅外熱成像技術利用的是熱紅外線，因而不受電磁干擾，在變電所應用更突出其優點。紅外熱成像技術能真正做到24h全天候監控紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，而大氣、煙云等可吸收可見光和近紅外線，但是對3—51xm和8—14txm的紅外線卻是透明的，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。因此，利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪等煙云密布的惡劣環境，清晰地觀察到監控的目標。紅外熱成像技術的探測能力強，作用距離遠。紅外熱成像儀探測器焦距為20cm一無窮遠，適用于非接觸大面積的遙測。并且溫度分辨率高達0.1—0.02°C，測溫范圍一5O?2000C，應用領域寬，測溫精度高。紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場。不受強光影