红外技术在电气设备在线检测中的应用综述

红外技术在电气设备在线检测中的应用综述
0引言
红外检测技术是集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一体的一种新兴的综合技术，包括红外测温技术、红外成像技术。

红外检测技术已广泛用于电气设备安全运转检查、医学诊断、容器管道泄漏、冶金炉衬损伤、消防救火、航空蜂窝结构材料贮水和液压油渗漏的无损检测和识别等领域。

红外检测技术能够对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性做出可靠而快速的预测，使电气设备的检修从预防性试验维修提高到预知状态检修，而且在使用过程中可以实现不接触、不停电、不解体，因而备受国内外电力行业的重视，并得到快速发展。

近年随着先进的红外热成像仪的出现和红外检测水平的提高, 以及电力行业标准DL/T664- 1999《带电设备红外诊断技术应用导则》的颁布实施, 电力统已较广泛地把红外检测项目列为高压电气设备定期检测和巡检的内容, 每年在对电流致热型设备的检测中都发现了大量“重大”或“紧急”缺陷, 为电力系统的安全和经济运行提供了有力保障。

1 红外技术的原理
众所周知, 人体病变往往引起体温升高。

在电力系统的各种设备中, 由于出现故障而导致设备运行的温度状态发生异常, 电气设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障, 将会引起介质损耗增大, 在运行电压下发热。

具有磁回路的电气设备,由于磁回路漏磁、磁饱和或铁芯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。

还有些电气设备, 因故障而改变电压分布状态或增大泄漏电流, 同样会导致设备运行中出现温度分布异常。

总之, 许多电气设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来, 因此通过监测电气设备的这种状态变化, 可以对设备故障做出诊断。

世间万物都会发射人眼看不见的红外辐射能量, 而且物体的温度越高, 发射的红外辐射能量越强。

因此, 既然电气设备故障绝大多数都以局部或整体过热或温度分布异常为征兆; 那么, 只要运用适当的红外仪器检测电气设备运行中发射的红外辐射能量, 就可以获得电气设备表面的温度分布状态及其包含的设备运行状态信息, 分析处理红外监测到的上述设备运行状态信息, 就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性、具体位置和严重程度做出定量的判断。

【1】
红外诊断仪器主要有3种类型:红外热像仪、红外热电视、红外测温仪(点温仪)。

其中，红外热像仪是电气设备检测中最常用的。

红外热像仪的物镜接收电力设备表面的红外辐射，经光学系统会聚，使红外辐射正好落在红外探测器的焦平面上，经探测器光电转换，将电力设备的红外能转变成电能，再经过一系列的电信号处理，在热像仪的取景器上就可得到所测电力设备的热图像，找出图像中温度异常点后即可测出其温度值。

【2】
红外热像仪的系统主要由红外热像仪温度测量部分、计算机状态监测及故障分析部分和结果输出保存部分组成。

红外热像温度测量部分的主要仪器就是焦平面红外线热像仪。

焦平面红外线热像仪集光电技术、红外探测器和红外图像处理技术于一体,具有测温速度快、灵敏度高、测温范围广、图像直观、非直接接触、不干扰被测设备运行等优点,成为目前热故障诊断和检测领域对载流导体发热检测的先进手段之一。

焦平面红外线热像仪同计算机的接口有USB及其它总线接口,应用简单方便。

其系统硬件组成见图1。

在系统硬件设备工作正常的情况下就要通过计算机软件来完成电气设备运行状态的故障诊断,以监测设备运行是否正常,以及判断设备运行可能存在的危险等级。

【3】本系统采用基于知识的专家系统来实现,主要包括前期的数字图像预处理、计算机数字图像处理及特征参量提取专家系统诊断、诊断结果输出、诊断数据存入数据库等几部分。

软件系统结构见图2
2红外诊断的技术特点
与传统的测温方式(如热电偶、不同熔点的蜡片等放置在被测物表面或体内)相比,热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度,通过扫描,还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图,而且灵敏度高,不受电磁场干扰,便于现场使用。

它可以在-20℃～2000℃的宽量程内以0.05℃的高分辨率检测电气设备的热致故障,揭示出如导线接头或线夹发热,以及电气设备中的局部过热点等。

【2】
与传统的预防性试验和离线诊断相比, 红外诊断方法具有以下的技术特点。

1. 不接触、不停运、不取样、不解体。

2. 可以及时发现运行中设备的异常征兆, 避免发生事故。

3. 可实现大面积快速扫描成像, 状态显示快捷、灵敏、形象、直观, 检测效率高, 劳动强度低。

4. 既可定性反映设备的故障存在与否, 又能定量地反映故障严重程度。

5. 可以适当延长设备试周期, 逐步达到代替预试、减少停电、减少误操作等不安全因素, 节省大量人力、物力和时间。

6. 对老旧或存在隐患的设备, 可以随时跟踪监视其运行状况, 最大限度地利用其剩余寿命。

【1】
3 电气设备故障分类
3.1电气设备的外故障
3.1.1接触不良
长期暴露在大气中的各种电气裸接头因接触不良常常引起过热故障,接触不良的主要原因为:
(1)设备设计不合理;
(2)安装施工工艺不严格,不符合工艺要求,如连接件的接触表面未除净氧化层及其污垢、焊接工艺差、紧固螺母不到位、未加弹簧垫、未拧紧、连接件内导体不等径等;
(3)导体在风力舞动下,或外界引起的振动等机械力的作用下,以及线路周期性过载及环境温度的周期性变化,都会使部件周期热胀冷缩,引起连接松驰;
(4)长期裸露在大气环境中工作,因受雨、雪、雾、有害气体及酸、碱、盐等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀,造成接头表面材料氧化;
(5)长期运行引起弹簧老化等。

3.1.2绝缘强度降低
由于表面污秽或机械力作用引起绝缘性能降低造成的过热故障。

如绝缘子劣化或严重污秽,引起泄漏电流增大而发热。

3.2电气设备的内部故障
这是指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的故障。

根据各种电气设备的内部结构和运行状态,依据传热学理论,分析金属导电回路、绝缘油和气体等引起的传导、对流,从电气设备外部显现的温度分布热像图,可以判断出以下各种内部故障:
(1)内部电气连接或接触不良引起的故障;
(2)内部绝缘材料受潮、劣化引起的介质损耗增大故障;
(3)绝缘老化、开裂或脱落故障;
(4)电压分布不均或泄漏电流过大性故障;
(5)磁路的涡流损耗增大性故障;
(6)浸油设备的缺油故障。

【2】
4 电气设备发热来源
设备在工作的时候, 由于电流、电压的作用将产生以下三种主要来源的发热。

（1）电阻损耗发热
按照焦耳定律，过电阻时将产生热能,这是电流效应引起的发热, 大量表现在载流电气设备中。

（2）介质损耗发热
发热绝缘介质由于交变电场的作用, 使介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热。

由此产生的发热功率为:
P= U2ωCtgδ
式中：
U———施加的电压;
ω———交变电压角频率;
C———介质的等值电容;
tgδ———介质损耗角正切值。

这种发热为电压效应引起的发热。

（3）铁损耗致热
当在励磁回路上施加工作电压时, 由于铁芯的磁滞、涡流而产生电能损耗并引起发热。

【2】
5红外技术故障检测的方法
电气设备致热故障红外检测的主要判断方法分析及适用范围根据《带电设备红外诊断技术应用导则》的规定, 用红外热像图的分析结果和在实际检修设备确定故障点的统计, 可以将电气设备致热故障红外检测的主要判断方法归结于以下 4 种, 它们分别有不同的特点, 适用于不同类型的电气设备致热故障。

5.1表面温度判断法
表面温度判断法根据测得的设备表面温度值, 对照GB763 中对有关材料部件的最高温度的规定, 从而确定故障点, 是目前通行的现场查找异常点的直接手段。

它的判断依据如
表1 所示。

它的优点是分析简单而直观, 利于发现缺陷部份, 可以直接诊断发展得比较严重和异常突出的缺陷和故障, 缺点是由于受到距离、环境和辐射率等方面的影响, 绝对温度值不十分准确, 不利于小温升缺陷的查找, 也不利于对温升不明显的故障进行定性。

5.2相对温差判断法
相对温差判断法测定运行设备全部的温度分布, 依据设备热像图谱中的相对温差, 计算出异常点的相对温升值, 比较正常状态下的温升, 从而对异常部位进行分解检测, 是现场判断异常的间接手段。

为判定设备的异常, 需要同一设备( 线路) 三相之间相同部位的横向比较, 或与其它同类设备( 线路) 相同各部位的纵向比较。

其相对温差计算公式为: δ=（τ1- τ2）/τ1×100%=（T1- T2）/（T1- T0）×100%
公式中: τ1和T1分别发热点的温升和温度; τ2和T2分别是正常相对点的温升和温
度; T0为环境参照体的温度。

电气设备缺陷的判断依据为( 见表2) :
当如热点的温升小于10K 时, 不宜按上表确定设备的缺陷性质。

对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备, 如果有条件改变负荷率, 可增大负荷后进行复测, 以确定设备缺陷的性质。

相对温升判断法与表面温度判断相比, 由于它采用的判断标准的一个差额比值, 其具有较高的准确性, 同时由于判断依据简单而明确, 易于得出故障结论, 而且不受环境的影响; 但它必须测试多个运行设备的整体, 工作量也随之加大, 不适宜大范围的检测, 也不适用于小电流致热和电压致热造成的小温差故障, 一般运用在单一供电线路或设备的红外检测分析。

5.3热图谱分析法
该方法根椐同类设备在正常状态和异常状态下的热图谱色温的差异来判断设备是否正常, 是红外热像图的后期分析手段。

其特点是以存档图片来观察分析, 利于准确计算温差, 也利于检修人员直观而准确地了解故障点, 是红外检测必不可少的技术; 但其依赖于热图谱的分析软件的好坏与易用性。

可以用于对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备缺陷分析。

5.4档案分析法
分析同一设备在不同时期的检测数据( 例如温升、相对温差和热谱图) , 找出设备致热参数的变化趋势和变化速率, 以判断设备是否正常。

该方法需要建立设备正常运行的热像图档案, 一般适用于重要设备运行状态的监测, 可以判断出设备绝缘等指标的劣化趋势, 但信息量大工作量大, 目前应用不广。

5．5红检测技术在电气致热故障中的应用经验在某供电部门的供电系统的检修中, 大部份在红外检测中发现三相温升差值较大的小负荷电流设备, 检修时发现设备的接触电阻已远远超过了设备本身的技术要求, 成了设备安全运行的隐患, 也增加了不必要的电能损耗。

回路电阻严重超标而负荷电流较小的设备, 正常运行除了相间温差( 或同类设备对应点之间的温差) 较大之外, 其本身温度或温升并不高, 很容易被忽略。

所以在判断小电流设备或电压致热型的内部故障时, 使用相对温升、热图谱分析和档案分析的判断方法进行综合分析, 目的就是为了及时准确地发现这些小电流设备的缺陷。

【2】
6 现场典型实例分析
6.1导线断股
导线缺股情况见图3。

图3可以看出导线的温度分布极不均匀，导线上的最高温度为95 ℃，其他两相的温度分别为32 ℃和38 ℃，而且用肉眼明显可以看出导线缺股，导线的局部有过热的暗红色。

图3
6.2刀闸帽子引线连接松动
刀闸承载着全部负荷，在变电站里起着不可小视的作用。

刀闸帽子过热现象见图4。

图4刀闸帽子下部渗出近似白色的红外光，这说明刀闸的缺陷不在外部连接处，而是帽子内部的软连螺丝松动，造成接触电阻过大致热，热量由帽子内部传导出来。

图4
6.3电容器铝排接头螺丝松动
铝排接头螺丝松动现象见图5电容器的铝排接头，最高温度136 ℃，负荷电流260 A，其他两相的温度分别只有45 ℃和48℃。

由此可以清晰地看出连接的螺丝处是最热的，螺丝旁已经有融化的铝呈液态滴流。

这就是因T 接部位的接触电阻变大，在电流作用下造成了过热缺陷。

【4】
图5
7 红外热像技术的不足
由于红外热像技术所具有的多种优点，其必将在电气设备状态监测和故障诊断中得到广泛应用，前景广阔。

但是作为一种比较新的技术它同样存在着一些不足之处，如: (l)温度的标定比较困难。

使用红外热像仪可以显示出设备热状态的微小差异和细微变化，但很难准确地确定出设备上某一点确切的温度值。

这主要是因为辐射测温准确度受被检测表面发射率及环境条件的影响。

在检测过程中经常和红外测温计搭配使用。

(2)难于确定设备内部的热状态。

设备的红外辐射主要是其表面的红外辐射，主要反映其表面的热状态，而不能直接反映出设备内部的热状态，不能对设备的内部故障做出准确判
断。

因此对于内部故障的检测应将常规试验手段和红外成像检测手段有机结合，才能互补。

(3)红外热图像表征目标的温度分布，是灰度图像，没有彩色或立体感觉，所以对人眼而言，分辨率比较低。

因此，在实际动作过程中为了更有效地判断被测目标的红外热场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实际校正，伪色彩描绘等高线和直方进行运算、打印等。

【5】
总结
红外成象诊断高压电气设备故障的覆盖面很广，是对电气设备运行过程中的性能动态变化监测的有效手段，是需要考虑诸多因素的试验技术，测量分析时要考虑设备的结构、环境、材料的性能、设备负荷等，是综合知识的应用。

红外成象诊断技术诊断电气设备发热故障时，电气设备不停运、不取样、不解体、不接触，具有很强的优越性，该技术能对电气设备发热故障大面积扫描成象，快速、灵便和直观，对设备的早期热故障缺陷的“诊断”有非常积极的作用。

红外成象诊断技术是一项不断研究、不断向前发展的技术，需要有大量的综合知识和实践经验来支持。

这就需要从事这项工作的人员不断学习、不断实践、不断积累经验，做到科学分析、准确判断。

可以肯定的是，随着红外技术的不断发展，它在电气设备在线监测中的应用一定会朝着更加经济和自动化程度更高的方向发展。

这种技术的广泛普及，将会为电力系统安全性做出更大的贡献。

参考文献
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