红外检测技术介绍

红外探测技术
红外检测技术基本原理
红外技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术探测和判别各种被测目标的温度高低与热分布场提供了客观的基础。

红外线是波长在0.76～1000μm 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射在真空中的传播速度
C ＝299792458m/s
10103⨯≈cm/s
红外辐射的波长
ωλc
=
式中：C:速度
λ：波长
ω：频率
红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停的辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外
线。

其中黑体频谱辐射能流密度对红外辐射波长的关系，根据普郎克定律：
e C p T T c λλλ2
151⨯= （瓦·厘米
2-·微米1-）
式中： p T
λ—波长λ，热力
学温度为T 时，黑体的红外辐射功率。

C 1—光速度（10103⨯cm/s ）
C 2
—第一辐射常数=4107415.3⨯（瓦厘米2-微米2）
λ—波长（微米），T 热力
学温度（K ）温度辐射的能量密
度峰值对应的
波长，随物体温度的升高波长变短。

根据维思定律：T
=2898λ（μm ） 式中：
λ—峰值波长，单位：μm
T —物体的绝对温度单位K
物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。

物体红外辐射的总功率对温度的关系，根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：
P=4T
ε（W/2m）
R⋅
式中：
T—物体的绝对温度
P—物体红外辐射功率（辐射能量）
ε—物长表面红外发射率（辐射系数） R—斯蒂芬—波尔兹曼常数
（23
⨯J/K）
.1-
10
380662
物体表面绝对温度的变化，使的物体发热功率的变化更快。

物体产生的热量在红外辐射的同时，还形成物体周围一定的表面温度分布场这种温度分布场取决于物体材料的热物性，物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热交换。

通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。

红外线辐射的特点，除了具有电磁波的本质特性外，还同时具有两个重要的特性。

其一，物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反比。

温度越高，辐射的波长越短；温度越低，辐射的波长越长。

与红外线辐射峰值波长对应的温度见表。

表1—1与红外线辐射峰值波长对应的温度
因此，物体红外辐射的能量大小及波长分布与表面温度有十分密切的关系。

根据红外线辐射的这一特性，通过对被测物体红外辐射的探测，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。

其二，红外辐射电磁波在大气中传播要受到大气的吸收而使辐射的能量被衰减，但空间的大气、烟云对红外辐射的吸收程度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（2～2.5μm）, （3～5μm）及（8～14μm）的三个区域相对吸收很弱,红外线穿透能力较强,透明度较高,这三个区域被称之为“大气窗口”, “大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中由于大气、烟云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸气等物质的分子具有强烈吸收作用而被迅速衰减，利用红外辐射中“大气窗口”的特性，使红外辐射具备了夜视功能，并能实现全天候对目标的搜索和观察。

2红外检测设备种类及其特性比
红外辐射的探测是将被测物体的辐射能转换为可测量的形式，对被测物体的热效应进行热电转换来测量物体红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生的电性质的变化来测量物体红外辐射的强弱，由于电量的测量最方便、最精确，因此一般红外辐射的探测总是把红外辐射量转换成电量进行测量，而红外辐射的探测是通过红外探测器来实现的。

红外探测器种类繁多，根据不同的功能已覆盖整个红外波段，按其性质可分为两大类：其一是依据物体辐射特性进行测量和控制，其二是依据材料的红外光学特性进行分析和控制。

目前，我国电力行业所使用的红外探测器可分为红外测温仪、红外热电视、红外热像仪三种，以下是三种红外设备的基本工作原理及其性能比：
3.1红外测温仪的基本工作原理
红外测温仪的基本原理是将目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通过红外滤光片进入探测器，探测器将辐射能转换成电能信号，经放大器放大电子电路处理，由液晶显示器显示出被测物体的表面温度。

3.2红外热电视的基本工作原理
红外热电视是通过热释电摄像管（PEV）接收被测目标物体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号,最后经信号放大,处理由屏幕显示出目标热图像。

3.3红外热像仪的基本工作原理
红外热像仪是利用光学系统收集被测目标的红外辐射能，经光谱滤波、空间滤波、使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，利用光学系统与红外探测器之间的光机扫描机构对被测物体红外进行扫描，由探测器将红外辐射能转换成电信号、经放大处理转换成标准视频信号通过电视屏显示红外热像。

3.4三种红外检测设备的特性比
我国目前所使用的红外检测设备性能比较见表。

表3-1红外诊断设备的种类与特性
3红外检测技术故障诊断方法
4.1表面温度判断法
在对设备表面温度进行判断时,可将所测表面温度值,对照《交流高压
电器在长期工作时的发热》(GB763-90) 3.2条的有关规定，凡是温度（或温升）超过标准的可根据设备温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备的缺陷性质，尤其是对在小负荷率下温度超标或设备承受机械应力较大的设备应当严格对待。

4.2相对温差判断法
4.2.1对电流致热型设备,若发现设备的导流部分热像异常,可按相对温差公式算出相对温差值,同时按表4—2的规定判断设备缺陷的性质。

相对温差t δ可用下式求出：
100121⨯-=τττδt ％1000
121⨯--=T T T T ％ 式中：1τ和1T —发热点的温升和温度
2τ和2T —正常相对应点的温升和温度
0T —环境参照体的温度
表4—2 部分电流致热型设备的相对温差判据
4.2.2对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备，可增大负荷电流后进
行复测，以确定设备缺陷的性质。

4.3同类比较法
4.3.1在同一电气回路中,当三相电流对称和三相设备相同时,可以比较三相电流致热型设备对应部位的温升值,即可判断设备是否正常。

若三相设备同时出现异常，可与同回路的同类设备比较。

但当三相负荷电流不对称时，则应当考虑负荷电流的影响。

4.3.2对于型号规格相同的电压致热型设备,可以根据其对应点温升值的差异来判断设备是否正常。

电压致热型设备的缺陷适合用允许温升或同类允许温差的判断依据来确定。

在一般情况下，同类温差超过允许温升值的30％时，应定为重大缺陷。

但当三相电压不对称时，则应当考虑工作电压的影响。

4.4热图谱分析法
在对温度异常设备进行缺陷判断时，可根据同类设备在正常状态和异常状态下的热像图的差异来判断设备是否正常。

4.5档案分析法
可以根据试验报告来分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热像图），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。

4影响红外诊断的因素及解决对策
5.1大气吸收的影响
由于大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧、氧化氮、甲烷、一氧化碳等气体分子有选择性地吸收一定波长的红外线，红外线辐射在传输过程
中总会受到一定的能量衰减，从而造成测量的误差。

因此，在室外进行红外测温诊断时应在无雨无雾，空气湿度最好低于75%的环境条件下进行。

5.2大气尘埃及悬浮粒子的影响
由于大气尘埃的悬浮粒子可以吸收红外能量并重新辐射出去的同时改变了红外辐射的方向和辐射的偏振度，从而影响测量的精确度。

因此，红外诊断应在无尘或空气较清新的环境条件下进行。

5.3风力的影响
在风力较大的环境下，由于受风速的影响，存在发热缺陷的设备热量会被风力加速发散，使得设备的散热系数增大，从而使缺陷设备的温度下降。

因此，在室外进行红外测温诊断时应在无风或风力很小的条件下进行。

5.4太阳光的影响
当被测电气设备处于阳光辐射下时，由于阳光的反射在3～14μm波长区域这与红外仪器设定的波长区域相同而极大地影响仪器的正常工作和准确判断。

所以红外测温应当选择在没有阳光的天气条件下进行。

5.5被测物体距离和邻近物体热辐射的影响
当被测物体的距离太远时，仪器接收到的红外辐射能减少，从而对温升小的设备检测存在一定的误差。

因此在现场测试工作中应当尽量避免由于被测物体距离太远而造成的测量误差。

当环境温度比被测物体的表面温度高很多或低很多时，或被测物体本身的辐射率很低时，邻近物体的热辐射的反射将对被测物体的测量造成
影响。

5高压设备热故障实例以及原因分析
电力设备的热故障主要分为外部故障和内部故障两大类型,外部故障主要是各种电气引流的裸露接头,包括高压设备或线路中的连接件由于压接不良、或因受到氧化、腐蚀及灰尘的影响，或因材质不良和加工、安装工艺的问题、或冲击负荷、机械振动等原因造成的接触电阻增大而出现的局部过热等。

而设备内部故障的生成原因有内部导流接点接触不良造成的过热缺陷，有内部绝缘材料受潮、老化引起介损值增大造成的发热缺陷，有油浸设备缺油造成的发热缺陷，有电导电流变化或内部绕组局部短路，磁路的局部故障造成的热缺陷等。

以下是不同设备发生热故障实例及原因分析。

6.1隔离刀闸与导线连接件接触不良导致的热缺陷
2001年10月18日我们在古城变红外测温时发现3502丙刀闸母线侧引流线C相与刀闸连接处设备线夹温度为140℃，A、B相温度均为27℃（当时运行电流是320A），并且发现C相引流线有断股和散股现象，而且引线接头处有烧伤发红痕迹，属设备过热故障缺陷，紧急停电处理发现C 相导线有2根已烧断，多根导线已烧伤和散股，随时有将导线烧断的可能。

（古城变2#主变最大运行电流可以达到400A）
6.2 T型线夹由于氧化腐蚀造成的热缺陷
2001年5月25日我们在华林变进行红外测温发现1115乙刀闸乙母侧T型线夹A相：265.7℃、B相：16.8℃、C相：16℃，经停电处理后检查发现线夹由于氧化腐蚀使接触电阻变大，造成局部发热缺陷。

由于发现
处理及时，避免了事故。

6.3隔离刀闸触头接触不良的过热缺陷
2001年7月31日我们在220KV建设坪变电站进行红外测温时发现2214旁刀闸触头发热A、B、C三相温度分别103℃、100℃和106℃，当时环境温度为31℃触头发热点外表无异常变化，经用令克棒将80℃试温蜡片触接触头部位发现蜡片冒烟熔化，判断为故障缺陷，经停电处理发现发热的3只刀闸触头的压力弹簧断裂或退火已失去弹性而造成接触不良引起严重过热。

6.4电缆头出线接头接触不良产生的过热缺陷
2001年6月11日焦家湾变112出线电缆001#杆电缆头A相严重过热温度高达298℃，B相为23.8℃、C相为23℃，现场观察电缆头已变色，检修人员立即进行停电处理，对电缆头进行重新包扎，避免了因电缆头起火而引起的事故。

6.5避雷器内部绝缘不良的发热缺陷
2001年3月20日我们在龚家湾变测温发现1#主变220KV侧避雷器上节（型号：FCZ3—220，西安生产），B相避雷器从上往下第六裙处局部有明显发热现象,三相温度分别为A相13.49℃、B相19℃、C相13.43℃，随后对该避雷器退出运行,解体发现该避雷器阀片有贯穿性受潮痕迹,并联电阻连接处铜片长期发热使铜片颜色发红,内部元件与瓷套绝缘层大约5—6裙处有两处12×9cm的树状烧伤痕迹，属典型设备严重受潮缺陷。

我们在建设坪变测得3#所用变的磁吹避雷器A相较B、C两相高4.5℃，局部过热，停电做电气试验，泄漏电流已超过1000μA，解体发现内部受
潮，属设备受潮发热缺陷。

6.6避雷器内部元件损坏的故障
我们在淌沟变测得35KV乙母避雷器B相热像较A、C相暗淡，经试验证实该相并联电阻断线，属设备元件故障缺陷。

6.7套管端部绝缘不良造成的过热缺陷
2000年10月16日我们在建设坪变测得3#主变220KV侧B相套管将军帽温度达70℃。

在停电检查时发现将军帽内引线连接丝扣残缺，导电回路接触面积太小造成发热，且由于穿缆引线未包绝缘层，在引线与铜管内壁相碰处有分流，多处发热，烧断引线多股，属典型的制造不良缺陷。

6.8电流互感器内部接头接触不良导致的发热缺陷
2001年5月20日我们在宣家沟变测温发现2#主变10KV侧102C相CT 本体热像异常温度为28℃,A、B相温度分别为19.24℃和19.16℃，当时运行电流70A，由于相间比较温度不高未能引起运行单位重视。

2001年6月8日2#主变由于102电流互感器C相二次绕组接地，造成差动保护动作三侧开关跳闸，事故检查发现该CT二次绕组绝缘电阻对地为零，分析认为由于该CT二次接头接触不好导致二次绕组长期发热，破坏了二次绝缘强度，造成了事故的发生。

6经济效益分析
我局自1995年购进日本航空电子公司生产的TVS—2100型红外热像系统，经过理论分析并结合电气设备测试的特点，对全局330KV、220KV、110KV、35KV四个电压等级共53座变电站进行了全面的红外
普测工作，在七年的检测工作中共发现各类缺陷2212处，其中重大缺陷357处，紧急缺陷171处，一般缺陷1684处，在大量的检测工作中共发现设备故障2312处、其中外部故障2080处，内部故障232处。

缺陷按内外部故障分类见表7—1
缺陷按温度等级分布情况见表7—2。