摘 要：電力行業(yè)是目前我國(guó)民用紅外熱像儀應(yīng)用最多的行業(yè)，紅外熱成像技術(shù)在電廠檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。依據(jù)紅外熱像測(cè)溫和熱像檢測(cè)原理，討論電力設(shè)備的發(fā)熱原理、過(guò)熱損耗的危害、故障的在線診斷方法以及影響熱像測(cè)溫的因素等。最后針對(duì)紅外熱像技術(shù)在電廠的應(yīng)用進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀；熱像測(cè)溫；紅外診斷；熱像檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-181-03

Application of the Infrared Thermal Imaging Technology in the Power Plant

LI Yunhong LI Junhua2，LI Pei2

(1.School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China；2.Xi′an Power Supply Bureau，Xi′an，710032，China)

Abstract：Infrared imaging technology has been widely used in industrial inspection，especially for power plant in China nowadays.Based on the basic principles of infrared temperature measurement and thermal imaging test，this paper demonstratesthe principle of temperature raising，the damage of high heat wasting，and the factors affecting imaging temperature.Testing experiments on infrared thermal imaging technology in electric power factory are discussed finally.

Keywords：infrared thermal imaging；thermal imaging temperature measurement；infrared diagnosis；thermal image detection

1 引 言

紅外檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域中的前沿學(xué)科，國(guó)外于20世紀(jì)60年代開(kāi)始應(yīng)用紅外儀器測(cè)定與診斷電力設(shè)備的熱缺陷。我國(guó)電力部門(mén)從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始引進(jìn)紅外熱像儀，并相繼開(kāi)展理論方面的探討與研究。目前診斷電氣設(shè)備故障有以下幾種比較判別方法^[1]：

絕對(duì)溫度判別法；相對(duì)溫差法；同類(lèi)比較法；檔案分析法；熱像特征(熱譜圖)分析法。

1998年，內(nèi)蒙古超高壓供電局趙墨林等^[2]提出溫差比診斷法，胡世征^[3]提出電氣設(shè)備紅外診斷的相對(duì)溫差判別法及判斷標(biāo)準(zhǔn)，并作為標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)入DL/T664-1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》。他們認(rèn)為相對(duì)溫差法可排除負(fù)荷電流、風(fēng)速、環(huán)境溫度、測(cè)量距離、發(fā)射率選擇等因素的影響。但由于影響紅外測(cè)溫的因素較多，有些因素對(duì)相對(duì)溫差的影響不能忽略。2007年，楊寶東等^[4]對(duì)電氣設(shè)備紅外診斷相對(duì)溫差判別法的影響因素做了深入的分析研究，得出了環(huán)境溫度對(duì)相對(duì)溫差影響較小，設(shè)備表面發(fā)射率對(duì)相對(duì)溫差有一定影響，在相同條件下，使用長(zhǎng)波熱像儀測(cè)溫對(duì)相對(duì)溫差影響較小的結(jié)論。電力行業(yè)是目前我國(guó)民用紅外熱像儀應(yīng)用^[5-7]最多的行業(yè)，但僅限于廣東、浙江、江蘇、山東等沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，而且目前這些發(fā)達(dá)地區(qū)的擁有量也僅為需求量的20%。作為最成熟、最有效的電力在線檢測(cè)手段，紅外熱像儀可以大大提高供電設(shè)備運(yùn)行的可靠性，大大降低設(shè)備的檢修時(shí)間。因此，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其他內(nèi)陸省份的電力行業(yè)也將使用紅外熱像儀，這為紅外熱像儀行業(yè)的發(fā)展提供巨大的發(fā)展空間。本文在紅外熱像檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，討論了電力設(shè)備的發(fā)熱原理、過(guò)熱損耗的危害、故障的在線診斷方法以及熱像測(cè)溫的影響因素等。最后針對(duì)紅外熱成像技術(shù)在電廠的應(yīng)用進(jìn)行討論。

2 紅外熱像檢測(cè)基本原理及熱像測(cè)溫影響因素

所有溫度超過(guò)絕對(duì)零度的物體均對(duì)外發(fā)射紅外輻射，物體的輻射出射度和物體發(fā)射率的比值M(T)ε等于同一溫度下黑體的輻射出射度Mb(T)，與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。該比值表明，吸收本領(lǐng)大的物體其發(fā)射本領(lǐng)也大，如果該物體不能發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射能，也決不能吸收此波長(zhǎng)的輻射能。實(shí)際物體的輻射出射度除了依賴于溫度和波長(zhǎng)外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。當(dāng)不考慮波長(zhǎng)的影響，只研究物體在某一溫度下的全發(fā)射率，則物體的發(fā)射率為：

ε(T)=M(T)Mb(T)(1)

斯蒂芬-玻耳茲曼定律應(yīng)用于實(shí)際物體可表示為：

M(T)=ε(T)σT4(2)

可見(jiàn)物體發(fā)射率對(duì)設(shè)備狀態(tài)的紅外熱像監(jiān)測(cè)信息有影響。另外，物體對(duì)于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸收率α，反射率β和透射率τ之和必然等于1，即α+β+τ=1。在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉(zhuǎn)化為該物體向外發(fā)射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發(fā)射率：α(T)=ε(T)。定性地分析可知，影響被測(cè)物體發(fā)射率大小的因素包括：

(1) 不同材料性質(zhì)的影響。不同性質(zhì)的材料因?qū)椛涞奈栈蚍瓷湫阅芨鳟?，因此他們的發(fā)射性能也不同。一般當(dāng)溫度低于300 K時(shí)，金屬氧化物的發(fā)射率大于0.8。

(2) 表面狀態(tài)的影響。任何物體表面都不是絕對(duì)光滑的，總會(huì)表現(xiàn)為不同的表面粗糙度。

因此這種不同的表面形態(tài)將對(duì)反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值。例如，對(duì)于非金屬電介質(zhì)材料，發(fā)射率受表面粗糙度影響較小或無(wú)關(guān)。但對(duì)于金屬材料，表面粗糙度將對(duì)發(fā)射率產(chǎn)生較大的影響。如當(dāng)熟鐵表面狀況為毛面、溫度300 K時(shí)，其發(fā)射率為0.94；當(dāng)表面狀況為拋光、溫度為310 K時(shí)，發(fā)射率僅為0.28。除了表面粗糙度以外，一些人為因素如施加潤(rùn)滑油及其他沉積物都會(huì)明顯地影響物體的發(fā)射率。因此，在檢測(cè)時(shí)應(yīng)該首先明確被測(cè)物體的發(fā)射率。對(duì)于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在0.85～0.95之間。

熱像測(cè)溫的影響主要是由被測(cè)物體發(fā)射率不同引起的，表1是幾種常見(jiàn)物體的發(fā)射率(總的法向發(fā)射率)。

表1 常見(jiàn)物體的發(fā)射率

表2 同一溫度水杯發(fā)射率不同測(cè)量結(jié)果不同

由上表可以看出被測(cè)物體發(fā)射率確定的準(zhǔn)確與否關(guān)系到測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，發(fā)射率誤差大，測(cè)量誤差也大，所以，實(shí)際測(cè)量前正確確定被測(cè)物體發(fā)射率是減小測(cè)量誤差的重要因素。

3 故障在線診斷方法

3.1 電氣設(shè)備相對(duì)溫差判斷法

在電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，因電流的熱效應(yīng)會(huì)引起設(shè)備局部溫度升高，散發(fā)出熱量。電氣設(shè)備有規(guī)定地允許溫升值，用熱像儀對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行掃描診斷時(shí)，若發(fā)現(xiàn)有溫度異常點(diǎn)，則應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，并計(jì)算相對(duì)溫差值，計(jì)算公式為：

δt=T1-T2T1-T0×100%(3)

式中：T1為發(fā)熱點(diǎn)的溫度；T2為正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度；T0為環(huán)境參照體溫度；δt為相對(duì)溫差值。

計(jì)算出相對(duì)溫差值后，在發(fā)熱點(diǎn)溫升>10 K的條件下，按表3規(guī)定判斷設(shè)備缺陷的性質(zhì)。

表3 設(shè)備缺陷對(duì)應(yīng)的δt值[STBZ]^[8]

3.2 同一設(shè)備三相比較法

同一電氣設(shè)備三相所用金屬材料是相同的，在一般情況下三相電流對(duì)稱，如果三相上升的溫度均衡，則設(shè)備正常；如果三相中的某一相或兩相出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，則認(rèn)為溫度高的相存在缺陷。

3.3 同一部件的溫度比較

同一部件材料流過(guò)電流值都一樣，整個(gè)部件的溫升基本相同。如果產(chǎn)品由于材質(zhì)上存在缺陷，如材料中雜質(zhì)氣泡與缺陷等使材料特性發(fā)生了變化，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的熱量，表現(xiàn)出局部發(fā)熱，如絕緣子串的局部發(fā)熱、避雷器局部發(fā)熱、導(dǎo)線電纜的局部發(fā)熱等。

3.4 運(yùn)行負(fù)荷比較法

設(shè)備運(yùn)行時(shí)的升溫和負(fù)荷有直接關(guān)系，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備某部件或線路某一相的溫度出現(xiàn)異常，應(yīng)先考慮該設(shè)備運(yùn)行的負(fù)荷。若當(dāng)時(shí)負(fù)荷很大，而發(fā)熱部件溫度相對(duì)高些，屬正常情況；反之，如果當(dāng)時(shí)負(fù)荷很小，設(shè)備部件已發(fā)熱，那么一旦負(fù)荷增加，發(fā)熱部件的溫度將會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致故障的發(fā)生。

3.5 熱像特征(熱譜圖)分析法

利用紅外熱像儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行紅外成像，將物體發(fā)出的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光的熱分布圖像，從而獲得設(shè)備的溫度及熱分布，即熱像圖。通過(guò)對(duì)設(shè)備表面溫度分布的測(cè)量，可以分析設(shè)備內(nèi)部熱損耗部位和性質(zhì)，從而判斷該設(shè)備的健康狀態(tài)。熱點(diǎn)溫度直觀顯示，熱圖像清晰，能儲(chǔ)存和打印。

紅外熱成像儀具有定性成像與定量測(cè)量的雙重功能，并有較高空間分辨率和溫度分辨率，能夠辨別很小的溫差。實(shí)時(shí)熱圖像能夠清晰顯示在屏幕上，為建立熱圖像數(shù)據(jù)庫(kù)提供條件，實(shí)現(xiàn)圖像采集、儲(chǔ)存、分析于一體的功能。

用紅外熱成像儀檢測(cè)設(shè)備，屬于遠(yuǎn)距離非接觸式的掃描巡檢，可以保證人身設(shè)備的安全。使用起來(lái)如同用攝像機(jī)錄像，能夠快速的對(duì)大面積的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確、直觀地發(fā)現(xiàn)與運(yùn)行電壓、電流有關(guān)的設(shè)備缺陷，還可對(duì)缺陷的性質(zhì)、位置、程度做出定性、定量的判斷。

4 電廠應(yīng)用討論

在紅外熱像儀未普及之前，對(duì)電力設(shè)備的測(cè)溫非常簡(jiǎn)陋。最早是在絕緣棒頂端涂上一層蠟去接觸被測(cè)設(shè)備的可能發(fā)熱地點(diǎn)，通過(guò)觀察蠟是否融化來(lái)判斷該位置是否過(guò)熱?，F(xiàn)在的紅外測(cè)溫大都采用點(diǎn)測(cè)溫儀，他與熱像儀相比具有成本低、攜帶方便、傳感器不需制冷等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯，首先是只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)(局部區(qū)域)的溫度，不能提供圖像和足夠的溫度信息，而且難以對(duì)準(zhǔn)被測(cè)點(diǎn)；其次是使用距離常受儀器視場(chǎng)的限制；再就是對(duì)環(huán)境溫度起伏敏感。

紅外熱成像技術(shù)是一種先進(jìn)的在線檢測(cè)技術(shù)，可在設(shè)備不停電的情況下，檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備表面溫度及其分布的測(cè)試、分析和判斷，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行中的異常和缺陷，從而使部分事故檢修轉(zhuǎn)為預(yù)見(jiàn)性檢修，為電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

發(fā)電廠應(yīng)用熱像儀進(jìn)行掃描的范圍主要包括鍋爐熱保溫部分、蒸汽管道、熱風(fēng)道、除塵器煙道、輸煤皮帶、閥門(mén)、電動(dòng)機(jī)控制中心、電氣控制盤(pán)、變壓器、升壓站設(shè)備、電路板、電纜接頭等。紅外熱像儀作為一種新型設(shè)備，在電力系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明紅外熱像儀在檢查電力設(shè)備的外部故障和內(nèi)部故障時(shí)起著巨大的作用，具有非接觸、非破壞、不解體、不停電等優(yōu)點(diǎn)，是電力系統(tǒng)不可多得的現(xiàn)代化工具，為電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)由計(jì)劃?rùn)z修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變提供有力手段。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用紅外熱像檢測(cè)技術(shù)可預(yù)防電氣設(shè)備的一些重大事故發(fā)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，使設(shè)備的定期檢修、搶修變成狀態(tài)檢修；降低事故的發(fā)生率、減少了設(shè)備的維修時(shí)間，可以杜絕大量的事故隱患。從這個(gè)意義上講為電氣設(shè)備的安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于紅外熱像儀檢測(cè)的都是物體的表面溫度，而電氣設(shè)備內(nèi)部的溫度因結(jié)構(gòu)復(fù)雜不能準(zhǔn)確測(cè)出，所以紅外檢測(cè)必須與其他的測(cè)量技術(shù)和科學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，才能更好地發(fā)揮他的作用。

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作者簡(jiǎn)介 李云紅 女，1974年出生，滿族，遼寧錦州人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生，西安工程大學(xué)講師。主要從事紅外熱成像技術(shù)、紅外熱像儀的溫度測(cè)量技術(shù)的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。