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文檔簡介
紅外探測技術紅外檢測技術基本原理紅外技術的原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度的物體,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探測和判別各種被測目標的溫度高低與熱分布場提供了客觀的基礎。紅外線是波長在0.76?1000“m之間的一種電磁波,按波長范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類,它在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。紅外線輻射在真空中的傳播速度C=299792458m/s◎3xlOlQcm/s紅外輻射的波長九二£式中:C:速度
九:波長°:頻率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,并不停的輻射出熱紅外能量,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。其中黑體頻譜輻射能流密度對紅外輻射波長的關系,根據普郎克定律:(瓦?(瓦?厘米「2?微米_1)式中:p—波長九,熱力學溫度為T時,黑體的紅外輻射功率。XTC—光速度(3x1013m/s)1一2 2C—第一輻射常數=3.7415x104(瓦厘米微米)2X—波長(微米),T熱力學溫度(K)溫度輻射的能量密度峰值對應的波長,隨物體溫度的升高波長變短。根據維思定律:X=型8(um)T式中:九一峰值波長,單位:UmT—物體的絕對溫度單位K物體的紅外輻射功率與物體表面絕對溫度的四次方成正比,與物體表面的發射率成正比。物體紅外輻射的總功率對溫度的關系,根據斯蒂芬一波爾茲曼定律:P=8R?T4(W/m2式中:T—物體的絕對溫度P—物體紅外輻射功率(輻射能量)e—物長表面紅外發射率(輻射系數)R—斯蒂芬一波爾茲曼常數(1.380662x10-23J/K)物體表面絕對溫度的變化,使的物體發熱功率的變化更快。物體產生的熱量在紅外輻射的同時,還形成物體周圍一定的表面溫度分布場這種溫度分布場取決于物體材料的熱物性,物體內部的熱擴散和物體表面溫度與外界溫度的熱交換。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后,成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布,經電子系統處理,傳至顯示屏上,得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。紅外線輻射的特點,除了具有電磁波的本質特性外,還同時具有兩個重要的特性。其一,物體表面紅外線輻射的峰值波長與物體表面分布的溫度有關,峰值波長與溫度成反比。溫度越高,輻射的波長越短;溫度越低,輻射的波長越長。與紅外線輻射峰值波長對應的溫度見表。表1—1與紅外線輻射峰值波長對應的溫度類別峰值波長范圍Um溫度°C近紅外0.76?1.53540?165中紅外1.5?151658?-80遠紅外15?750-80?-269極遠紅外750?1000-269?-270因此,物體紅外輻射的能量大小及波長分布與表面溫度有十分密切的關系。根據紅外線輻射的這一特性,通過對被測物體紅外輻射的探測,便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷。其二,紅外輻射電磁波在大氣中傳播要受到大氣的吸收而使輻射的能量被衰減,但空間的大氣、煙云對紅外輻射的吸收程度與紅外線輻射的波長有關,特別對波長范圍在(2?2.5pm),(3?5pm)及(8?14pm)的三個區域相對吸收很弱,紅外線穿透能力較強,透明度較高,這三個區域被稱之為“大氣窗口”,“大氣窗口”以外的紅外輻射在傳播過程中由于大氣、煙云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸氣等物質的分子具有強烈吸收作用而被迅速衰減,利用紅外輻射中“大氣窗口”的特性,使紅外輻射具備了夜視功能,并能實現全天候對目標的搜索和觀察。2紅外檢測設備種類及其特性比紅外輻射的探測是將被測物體的輻射能轉換為可測量的形式,對被測物體的熱效應進行熱電轉換來測量物體紅外輻射的強弱,或利用紅外輻射的光電效應產生的電性質的變化來測量物體紅外輻射的強弱,由于電量的測量最方便、最精確,因此一般紅外輻射的探測總是把紅外輻射量轉換成電量進行測量,而紅外輻射的探測是通過紅外探測器來實現的。紅外探測器種類繁多,根據不同的功能已覆蓋整個紅外波段,按其性質可分為兩大類:其一是依據物體輻射特性進行測量和控制,其二是依據材料的紅外光學特性進行分析和控制。目前,我國電力行業所使用的紅外探測器可分為紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀三種,以下是三種紅外設備的基本工作原理及其性能比:3.1紅外測溫儀的基本工作原理紅外測溫儀的基本原理是將目標的紅外輻射能量經儀器透鏡會聚,并通過紅外濾光片進入探測器,探測器將輻射能轉換成電能信號,經放大器放大電子電路處理,由液晶顯示器顯示出被測物體的表面溫度。3.2紅外熱電視的基本工作原理紅外熱電視是通過熱釋電攝像管(PEV)接收被測目標物體的表面紅外輻射,并把目標內熱輻射分布的不可見熱圖像轉變成視頻信號,最后經信號放大,處理由屏幕顯示出目標熱圖像。3.3紅外熱像儀的基本工作原理紅外熱像儀是利用光學系統收集被測目標的紅外輻射能,經光譜濾波、空間濾波、使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上,利用光學系統與紅外探測器之間的光機掃描機構對被測物體紅外進行掃描,由探測器將紅外輻射能轉換成電信號、經放大處理轉換成標準視頻信號通過電視屏顯示紅外熱像。3.4三種紅外檢測設備的特性比我國目前所使用的紅外檢測設備性能比較見表。表3-1紅外診斷設備的種類與特性機型主要技術特點紅外熱像儀光機掃描式可穩定成像,具有彩色、定格、圖像分析功能,測溫準確。圖像質量,溫度分辨力、空間分辨力、幀頻良好。適合外部、內部故障診斷。焦平面式可穩定成像,測溫準確。圖像質量,溫度分辨力、空間分辨力、幀頻性能好,功能十分強大。適合外部、內部故障診斷。紅外熱電視平移式工作時必須不停搖動攝像機。平移有嚴重拖尾信號失真。圖像質量較差、測溫誤差較大,無彩色、定格、圖像分析功能。適合杳找接頭討熱,但不適合內部故障診斷。瞬變式平移時仍有拖尾,但瞬變工作時無拖尾。圖像質量略有改善,本機有彩色、定格、圖像分析功能。適合查找接頭過熱,也可用于簡單的內部故障診斷。折波式工作時無須搖動攝像機即可穩定成像。完全無拖尾,圖像質量好、測溫準確。有較強圖像分析功能及彩色、定格、圖像存儲功能。適合外部、內部故障診斷。紅外測】曰溫儀激光瞄準式不能成像、只能測溫、功能簡單。只能用于接頭過熱故障的監視和初略查找。光學望遠瞄準式不能成像、只能測溫、功能簡單。只能用于接頭過熱故障的監視和初略查找。3紅外檢測技術故障診斷方法4.1表面溫度判斷法在對設備表面溫度進行判斷時,可將所測表面溫度值,對照《交流高壓電器在長期工作時的發熱》(GB763-90)3.2條的有關規定,凡是溫度(或溫升)超過標準的可根據設備溫度超標的程度、設備負荷率的大小、設備的重要性及設備承受機械應力的大小來確定設備的缺陷性質,尤其是對在小負荷率下溫度超標或設備承受機械應力較大的設備應當嚴格對待。4.2相對溫差判斷法4.2.1對電流致熱型設備,若發現設備的導流部分熱像異常,可按相對溫差公式算出相對溫差值,同時按表4—2的規定判斷設備缺陷的性質。相對溫差5t可用下式求出:eT-T T-T5=1 2X100%=1 2X100%tT %T-T %110式中:t1和T—發熱點的溫升和溫度t2和t2—正常相對應點的溫升和溫度t0—環境參照體的溫度表4—2部分電流致熱型設備的相對溫差判據設備類型相對溫差值%—般缺陷重大缺陷視同緊急缺陷SF6斷路器三20三80三95真空斷路器三20三80三95充油套管三20三80三95高壓開關柜三35三80三95空氣斷路器三50三80三95隔離開關三35三80三95其他導流設備三35三80三954.2.2對于負荷率小、溫升小但相對溫差大的設備,可增大負荷電流后進行復測,以確定設備缺陷的性質。4.3同類比較法4.3.1在同一電氣回路中,當三相電流對稱和三相設備相同時,可以比較三相電流致熱型設備對應部位的溫升值,即可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現異常,可與同回路的同類設備比較。但當三相負荷電流不對稱時,則應當考慮負荷電流的影響。4.3.2對于型號規格相同的電壓致熱型設備,可以根據其對應點溫升值的差異來判斷設備是否正常。電壓致熱型設備的缺陷適合用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據來確定。在一般情況下,同類溫差超過允許溫升值的30%時,應定為重大缺陷。但當三相電壓不對稱時,則應當考慮工作電壓的影響。4.4熱圖譜分析法在對溫度異常設備進行缺陷判斷時,可根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱像圖的差異來判斷設備是否正常。4.5檔案分析法可以根據試驗報告來分析同一設備在不同時期的檢測數據(例如溫升、相對溫差和熱像圖),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。4影響紅外診斷的因素及解決對策5.1大氣吸收的影響由于大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷、一氧化碳等氣體分子有選擇性地吸收一定波長的紅外線,紅外線輻射在傳輸過程中總會受到一定的能量衰減,從而造成測量的誤差。因此,在室外進行紅外測溫診斷時應在無雨無霧,空氣濕度最好低于75%的環境條件下進行。5.2大氣塵埃及懸浮粒子的影響由于大氣塵埃的懸浮粒子可以吸收紅外能量并重新輻射出去的同時改變了紅外輻射的方向和輻射的偏振度,從而影響測量的精確度。因此,紅外診斷應在無塵或空氣較清新的環境條件下進行。5.3風力的影響在風力較大的環境下,由于受風速的影響,存在發熱缺陷的設備熱量會被風力加速發散,使得設備的散熱系數增大,從而使缺陷設備的溫度下降。因此,在室外進行紅外測溫診斷時應在無風或風力很小的條件下進行。5.4太陽光的影響當被測電氣設備處于陽光輻射下時,由于陽光的反射在3?14“m波長區域這與紅外儀器設定的波長區域相同而極大地影響儀器的正常工作和準確判斷。所以紅外測溫應當選擇在沒有陽光的天氣條件下進行。5.5被測物體距離和鄰近物體熱輻射的影響當被測物體的距離太遠時,儀器接收到的紅外輻射能減少,從而對溫升小的設備檢測存在一定的誤差。因此在現場測試工作中應當盡量避免由于被測物體距離太遠而造成的測量誤差。當環境溫度比被測物體的表面溫度高很多或低很多時,或被測物體本身的輻射率很低時,鄰近物體的熱輻射的反射將對被測物體的測量造成影響。5高壓設備熱故障實例以及原因分析電力設備的熱故障主要分為外部故障和內部故障兩大類型,外部故障主要是各種電氣引流的裸露接頭,包括高壓設備或線路中的連接件由于壓接不良、或因受到氧化、腐蝕及灰塵的影響,或因材質不良和加工、安裝工藝的問題、或沖擊負荷、機械振動等原因造成的接觸電阻增大而出現的局部過熱等。而設備內部故障的生成原因有內部導流接點接觸不良造成的過熱缺陷,有內部絕緣材料受潮、老化引起介損值增大造成的發熱缺陷,有油浸設備缺油造成的發熱缺陷,有電導電流變化或內部繞組局部短路,磁路的局部故障造成的熱缺陷等。以下是不同設備發生熱故障實例及原因分析。6.1隔離刀閘與導線連接件接觸不良導致的熱缺陷2001年10月18日我們在古城變紅外測溫時發現3502丙刀閘母線側引流線C相與刀閘連接處設備線夾溫度為140°C,A、B相溫度均為27°C(當時運行電流是320A),并且發現C相引流線有斷股和散股現象,而且引線接頭處有燒傷發紅痕跡,屬設備過熱故障缺陷,緊急停電處理發現C相導線有2根已燒斷,多根導線已燒傷和散股,隨時有將導線燒斷的可能。(古城變2#主變最大運行電流可以達到400A)6.2T型線夾由于氧化腐蝕造成的熱缺陷2001年5月25日我們在華林變進行紅外測溫發現1115乙刀閘乙母側T型線夾A相:265.7°C、B相:16.8°C、C相:16°C,經停電處理后檢查發現線夾由于氧化腐蝕使接觸電阻變大,造成局部發熱缺陷。由于發現處理及時,避免了事故。6.3隔離刀閘觸頭接觸不良的過熱缺陷2001年7月31日我們在220KV建設坪變電站進行紅外測溫時發現2214旁刀閘觸頭發熱A、B、C三相溫度分別103°C、100C和106°C,當時環境溫度為31C觸頭發熱點外表無異常變化,經用令克棒將80C試溫蠟片觸接觸頭部位發現蠟片冒煙熔化,判斷為故障缺陷,經停電處理發現發熱的3只刀閘觸頭的壓力彈簧斷裂或退火已失去彈性而造成接觸不良引起嚴重過熱。6.4電纜頭出線接頭接觸不良產生的過熱缺陷2001年6月11日焦家灣變112出線電纜001#桿電纜頭A相嚴重過熱溫度高達298C,B相為23.8°C、C相為23C,現場觀察電纜頭已變色,檢修人員立即進行停電處理,對電纜頭進行重新包扎,避免了因電纜頭起火而引起的事故。6.5避雷器內部絕緣不良的發熱缺陷2001年3月20日我們在龔家灣變測溫發現1#主變220KV側避雷器上節(型號:FCZ3—220,西安生產),B相避雷器從上往下第六裙處局部有明顯發熱現象三相溫度分別為A相13.49°C、B相19C、C相13.43C,隨后對該避雷器退出運行,解體發現該避雷器閥片有貫穿性受潮痕跡,并聯電阻連接處銅片長期發熱使銅片顏色發紅,內部元件與瓷套絕緣層大約5—6裙處有兩處12X9cm的樹狀燒傷痕跡,屬典型設備嚴重受潮缺陷。我們在建設坪變測得3#所用變的磁吹避雷器A相較B、C兩相高4.5C,局部過熱,停電做電氣試驗,泄漏電流已超過1000mA,解體發現內部受潮,屬設備受潮發熱缺陷。6.6避雷器內部元件損壞的故障我們在淌溝變測得35KV乙母避雷器B相熱像較A、C相暗淡,經試驗證實該相并聯電阻斷線,屬設備元件故障缺陷。6.7套管端部絕緣不良造成的過熱缺陷2000年10月16日我們在建設坪變測得3#主變220KV側B相套管將軍帽溫度達70C。在停電檢查時發現將軍帽內引線連接絲扣殘缺,導電回路接觸面積太小造成發熱,且由于穿纜引線未包絕緣層,在引線與銅管內壁相碰處有分流,多處發熱,燒斷引線多股,屬典型的制造不良缺陷。6.8電流互感器內部接頭接觸不良導致的發熱缺陷2001年5月20日我們在宣家溝變
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