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1、带电设备红外诊断 洛阳供电公司,前言、红外线理论及基本概念,红外线是一种电磁波（英国物理学家FW赫胥尔在1800年发现）(0.75 m 1000m)，高于无线电波，位于可见光红色光带之外。,红外热像图和可见光图比较,可见光的波长范围为0.380.78 m，普通玻璃能透过可见光，但是却几乎不能透过红外线。,红外线就在我们身边！,热量或热辐射是红外线的主要来源，任何温度高于绝对零度（-273.16K）的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。,平时，我们是看不到红外线的，但它产生的热量我们的神经末梢是可以感觉到的。日常生活中，阳光、火、散热器等散发的被我们感觉到的热量都是红外辐射。不论是白天还
2、是夜晚红外辐射都在我们的身边。物体的温度越高它发射红外射线就越强。,红外热像技术红外热像技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸于应用的科学技术。热传输的方式热传输有三种方式，分别是：传导、对流和辐射。对流通常只发生在流体介质中。红外热成像仪显示目标热像的过程，叫做红外热成像。而实现这个过程的设备称为红外热成像装置。,红外探测器的工作原理A、红外探测器：能把被测物体红外辐射量的变化变成电量变化的装置。B、红外热像仪一般是由三部分组成：红外探测头、图像处理、监视器；探测器分为光机扫描型和聚焦平面凝视型。C、光机扫描指红外探测头由高速光学机扫描装置和低温致冷装置等组成其原理：光机扫描是通过
3、平行光束扫描技术，将进入硅窗口的被测物体表面红外辐射经红外光学器件扫描到多元探测器列阵上，该探测器列阵处于低温恒器内，一般是冷却到-186C的多元红外探测器列阵，逐点把红外辐射信号转换成电信号，经放大处理后，被测物体表面的热分布以可见光图像显示在屏幕上。,IR optics,2 dim.detector-matrix,焦平面探测器,光机扫描探测器,D、焦平面红外探测器的工作原理：是依靠探测微型辐射热量的热探测器(Microbolometer)。探测器通过吸收入射的红外辐射致使自身温度上升，从而引起探测器电阻变化，在外加电压的情况下进而产生信号电压。,整个成像技术过程如下图所示：,目标物体,黑体
4、：在任何情况下对一切波长的入射辐 射的吸收率都等于1的物体。普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬-波尔兹曼定律对黑体的辐射作了全面地描述。,普朗克定律：描述了黑体辐射强度、温度和波长的 关系。一个理想的辐射体所发出的电磁波功率，随波长的分布可用PLANCK定律公式示：,光波辐射量（J）,波 长(um),可以看到黑体辐射覆盖很宽的波谱，但它们有各自不同的辐射强度最大值。最大值处的波长可以计算出来。这公式就是著名的维恩位移定律，表达为 max=2898/T T：物体的绝对温度，开氏温标测量(K)max：最大强度的波长,物体的辐射率小于1且随着波长的变化而变化。技术上为了近似处理，就引入了灰体。灰体：辐
5、射率不随波长变化的物体。对于灰体，斯蒂芬-波尔兹曼公式为 W=T4 W/m2-斯蒂芬-波尔兹曼常数，其值为5.6697x10-2W/cm2.T4-物体表面发射率-物体的热力学温度,自然界中没有绝对的黑体,不同的物体具有不同的辐射性能，我们需要引入辐射率（）来描述这一性能。=Wbb：黑体的辐射能量；Wobj：同温度的“普通”物体的辐射能:辐射率由物体自身决定,Wobj,Wbb,自然界中的物体不但自身辐射能量，同时也接收到周围物体的辐射能量。,入射辐射 W,反射辐射 W,吸收辐射 W,透射辐射 W,吸收系数（）反射系数（）透射系数（）W=W+W+W,简化为：1=+。1=+；物体透射率=0时，1=+
6、当物体处在热平衡状态 时，辐射率等于吸收 率，即=，此即基尔 霍夫定律 或=1-。,影响辐射率的因素,不同的材料性质 化学成分和性质,物理性质和内部结构.绝大多数纯金属很低,非金属较高2.表面状态 表面粗糙度,非金属受影响较小,金属受影 响较大温度的影响 非金属随温度升高而减小,金属随温度升 高而减小,物体(非黑体)表面辐射特性：A、辐射率强烈的取决于其表面特性；B、高度抛光的金属表面的发射率非常小；C、所有金属表面的辐射率随温度而增加；D、表面粗糙和氧化层的形成使发射率明显地增加；E、非金属表面的发射率比金属表面的发射率高得多，一般随温度的增加而减少；F、具有有色氧化物的金属(铁、锌、铬)的
7、发射率比有白色氧化物的金属(钙、铝、镁)高得多。G、涂有油漆的金属表面辐射率比没涂油漆的金属表面会高H、红色油漆和黄色油漆的表面辐射率比较接近注：在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数，对于电力设备，其发射率一般在0.85-0.95之间。,气体的吸收和再辐射能力 由于物体所发出的热辐射在到达测量系统的过程中要穿过大气，因此必须考虑红外线通过大气时所受到的影响。红外线通过大气所受到的衰减，主要来自气体分子和尘埃的吸收散射。可参看下图：,红外热成像仪性能的重要参数,噪声等效温差（温度分辨率-灵敏度）准确度分辨频率空间分辨率,噪声等效温差（温度分辨率-灵敏度）NETD：用
8、热像仪观察一个低空间频率的标靶是，当其视频信号的信噪比（S/N）为1时，观察者可以分辨的最小目标与背景之间的等效温差。（可分辨两点之间的温度差别的能力）例如：0.08 准确度:在最大测温范围内，允许的最大温度误差，仪绝对误差货误差百分数表示。,在极佳的动态效果下(50帧/秒)，具有相当高的热灵敏度(0.08C)。,50帧/秒,30帧/秒,视场角(Field of view)FOV是光学系统视场角的简称，是一个立体角，表示以能够在光学系统成像的空间范围。视野范围水平H和垂直V宽度的大小可以表达为：H=24/3602 D(D代表目标距离)V=18/3602 D 空间分辨率(IFOV=Instant
9、aneous Field of View)红外热像仪的空间分辨率是指单只敏感元经光学系统变换后投射到空间的，(也就是仪器的瞬时视场角)以毫弧度表示。空间分辨率是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数。,空间分辨率是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数（仪器可分辨物体大小的能力）。以毫弧度表示。,空间分辨率=丌/180 x 镜头度数 像素数 3.14/180 x 24 320=1.3 毫弧度,视场角(Field of view)与水平、垂直宽度的关系H=24/3602 D V=18/3602 D(D代表目标距离),有效的检测距离能达到多远？-与仪器空间分辨率、检测目标大小、目标温度等因素有关。
10、例如:（24度镜头）空间分辨率为1.3毫弧度(mrad)代表仪器在10米远可分辨出大于或等于13mm（1.3厘米）的目标，100米远可分辨出大于或等于13厘米的目标。同理：（12度镜头）空间分辨率为0.65毫弧度(mrad)代表仪器在10米远可分辨出大于或等于6.5mm（0.65厘米）的目标，100米远可分辨出大于或等于6.5厘米的目标。,如常见220kV线路，导线LGJ2402，导线直径21.28mm22mm，一般杆塔呼称高24m。假如我们在30m测量，则要求红外仪器的毫弧度不能高于多少？1.3毫弧度(mrad)=10m-1.3mm=30m-3.9mm 0.65毫弧度(mrad)=10m-0
11、.65mm=30m-1.95mm要求红外仪器空间分辨率不大于0.7弧度(mrad)仪器标准镜头都不能实现，要加长焦镜头美国FLIR公司P65（价格约80万）标准镜头2418像素320240，空间分辨率为1.3毫弧度(mrad)，要配备12 或6 镜头,焦平面探测器,标准镜头2418,像素320240,带电设备红外诊断应用规范DL/T 664-2008,一、引用标准：,二、名词术语,温升temperature rise：被测设备表面温度和环境温度参照体之间温度之差。温差 temperature difference：不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差。相对温差点 relative tem
12、perature difference：两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。相对温差t可用下式求出：,二、名词术语,1和T1发热点的温升和温度；2和T2正常相对应点的温升和温度；T0环境参照体的温度。,二、名词术语,环境温度参照体reference body of ambient temperature：用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体。它可能不具有当时的真实环境温度，但它具有与被测物相似的物理属性，并与被测物处在相似的环境之中。一般检测normal measurement：适用于红外热像仪对电气设备进行大面积检测。精确检测precise measurement：主要用
13、于检测电压致热型和部分电流致热型设备的内部缺陷，以便对设备的故障进行精确判断。,二、名词术语,电压致热型设备heating of eqripenmt caused by voletage：由于电压效应引起发热的设备。电流致热型设备heating of eqripenmt caused by current：由于电流效应引起发热的设备综合致热型设备heating of eqripenmt caused by multiple effect：极有电压效应，又有电流效应，或者电磁效应引起发热的设备,二、名词术语,噪声等效温差（NETD）noise equivalent temperature dif
14、ference：用热像仪观察一个低空间频率的标靶是，当其视频信号的信噪比（S/N）为1时，观察者可以分辨的最小目标与背景之间的等效温差。（可分辨两点之间的温度差别的能力）准确度rccuracy:在最大测温范围内，允许的最大温度误差，仪绝对误差货误差百分数表示。,三、红外检测周期,检测周期应根据电气设备在电力系统中的作用及重要性，并参照设备的电压等级、负荷电流、投运时间、设备状况等决定。3.1变（配）电设备的检测3.2输电线路的检测3.2旋转电机的检测,三、红外检测周期,3.1变（配）电设备的检测正常运行变（配）电设备的检测应遵循检修和预试前普测、高温高负荷等情况下的特殊巡视相结合的原则。一般2
15、20kV及以上交（直）流变电站每年不少于两次，其中一次可在大负荷前，另一次可在停电检修及预试前，以便使查出缺陷能够得到及时处理，避免重复停电。110kV及以下重要重要变（配）电站每年检测一次,三、红外检测周期,3.1变（配）电设备的检测对于运行环境差、陈旧或有缺陷的设备，大负荷运行期间、系统运行方式改变且设备负荷突然增加等情况下，需对电气设备增加检测次数。新建、改扩建或大修后的电气设备，应在投运带负荷后不超过1个月内（但至少在21h以后）进行一次检测，并建议对变压器、套管、避雷器、电容式电压互感器、电流互感器、电缆头等电压致热型设备进行一次精确检测，对原始数据及图像进行存档。建议每年对330k
16、V及以上对变压器、套管、避雷器、电容式电压互感器、电流互感器、电缆头等电压致热型设备进行一次精确检测，作好记录，必要时将测试数据及图像存入红外数据库，进行动态管理。有条件的单位可开展220kV及以下设备的精确检测并建立图库。,三、红外检测周期,3.2输电线路的检测输电线路的检测一般在大负荷前进行。对正常运行的500kV及以上架空线路和重要的220（330）kV架空线路接续金具，每年宜检测一次110kV线路和其他的220（330）kV线路，可每两年进行一次新投运和做相关大修后的线路，应在投运带负荷后不超过1个月内（但至少在21h以后）进行一次检测,三、红外检测周期,3.2输电线路的检测对于线路上
17、的瓷绝缘子及合成绝缘子，有条件和经验的也可以进行检测。对正常运行的电缆线路设备，主要是电缆终端，110kV及以上电缆每年不少于两次；35kV及以下电缆每年至少一次。对重负荷线路，运行环境差时应适当缩短周期；重大事件、重大节日、重要负荷以及设备负荷突然增加等特殊情况应增加检测次数。,三、红外检测周期,3.3旋转电机的检测旋转电机运行中的检测主要包括碳刷及出线母线的检测，可每年一次或在机组检修前。进行定子铁芯损耗试验时，应使用红外热像仪进行温度分布测量。必要时可以利用红外热像仪进行定子绕组接头的开焊、断股缺陷的查找，以及用于线棒通流试验的检查。,四、检测环境条件要求,4.1一般检测要求被检设备是带
18、电运行设备，应尽量避开视线中的封闭遮挡物，如门和盖板等。环境温度一般不低于5，相对湿度一般不大于85%；天气以阴天、多云为宜，夜间图像质量为佳；不应在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行，检测时风速一般不大于5m/s。户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头，在室内或晚上检测应避开灯光的直射，宜闭灯检测。检测电流致热型设备，最好在负荷高峰下进行。否则，一般应在不低于30%的额定负荷下进行，同时应充分考虑小负荷对测试结果的影响。,四、检测环境条件要求,4.2精确检测要求除满足一般检查的环境要求外，还应满足以下要求：风速一般不大于0.5m/s。设备通电时间不小于6h，最好在24h以上。检测期间天气为
19、阴天、夜间或晴天日落2h后。被检测设备应具有均衡的背景辐射，应尽量避开附件辐射源的干扰，某些设备被检查时还应避开人体热源等的红外辐射。避开强电磁场，防止强电磁场影响红外热像仪的正常工作。,五、检测仪器要求,5.1便携式红外热像仪能满足精确检测的要求，测量精度和测温范围满足现场测试要求，性能指标较高，具有较高的温度分辨率和空间分辨率，具有大气条件的修正模型，操作简便，图像清晰、稳定，有目镜取景器，分析软件功能丰富，具体可参考带电设备红外诊断应用规范附录F,五、检测仪器要求,5.2手持（抢）式红外热像仪能满足一般检测的要求，由最高点温度自动跟踪，采用LCD显示屏，可无取景器，操作简单，仪器轻便，图
20、像比较清晰、稳定。具体可参考带电设备红外诊断应用规范附录G5.3线路适用型红外热像仪满足红外热像仪的基本功能要求，配备有中、长焦镜头，空间分辨率达到使用要求。,六、红外热像仪的校验,七、现场操作方法,7.1一般检测仪器在开机后需要进行内部温度校准，待图像稳定后即可开始工作。一般先远距离对所有被测设备进行全面扫描，发现异常后，再针对性地近距离对异常部位和重点被测设备进行准确检测。仪器的色标温度量程宜设置在环境温度加10K20K左右的温升范围。,七、现场操作方法,7.1一般检测有伪彩色显示功能的仪器，宜选择彩色显示方式，调节图像使其具有清晰的温度层次显示，并结合数值测温手段，如热点跟踪、区域温度跟
21、踪等手段进行检测。应充分利用仪器的有关功能，如图像平均、自动跟踪等，以达到最佳检测效果。环境温度发生较大变化时，应对仪器重新进行内部温度校准，校准方法按仪器的说明书进行。作为一般检测，被测设备的辐射率一般取0.9左右。,七、现场操作方法,7.2精准检测检测温升所用的环境温度参照体应尽可能选择与被测设备类似的物体，且最好能在同一方向或同一视场中选择。在安全距离允许的条件下，红外仪器宜尽量靠近被测设备，使被测设备（或目标）尽量充满整个仪器的视场，以提高仪器对被测设备表面细节的分辨能力及测温准确度，必要时，可使用中、长焦距镜头。线路检测一般需使用中、长焦距镜头。纪录被测设备的实际负荷电流、额定电流、
22、运行电压，被检物体温度及环境参照体的温度值。,七、现场操作方法,7.2精准检测为了准确测温或方便跟踪，应事先设定几个不同的方向和角度，确定最佳检测位置，并可做上标记，以供以后的复测用，提高互比性和工作效率。正确选择被测设备的辐射率，特别是要考虑金属材料表面氧化对选取辐射率的影响，辐射率选取具体可参考附录E将大气温度、相对湿度、测量距离等补偿参数输入，进行必要修正，并选择适当的测温范围。,八、判断方法,8.1表面温度判断法主要适用于电流致热型和电磁效应引起发热的设备根据测得的设备表面温度值，对照GB/T 11022中高压开关设备和控制设备各种部件、材料及绝缘介质的温度和温升极限的有关规定（详细规
23、定见带电设备红外诊断应用规范附录C），结合环境气候条件、负荷大小进行分析判断。,八、判断方法,8.2同类比较判断法根据同组三相设备、同相设备之间及同类设备之间不同部位的温差进行比较分析。对于电压致热型设备，应结合图像特种判断法进行判断。对于电流致热型设备，应结合相对温差判断法进行判断。,八、判断方法,8.3图像特种判断法主要适用于电压致热型设备。根据同类设备的正常状态和异常状态的热像图，判断设备是否正常。注意应尽量排除各种干扰因素对图像的影响，必要时结合电气试验或化学分析的结果，进行综合判断。,八、判断方法,8.4相对温差判断法主要适用于电流致热型设备。特别是对小负荷电流致热型设备，采用相对温
24、差判断法可降低小负荷缺陷的漏判率。,八、判断方法,8.5档案分析判断法分析同一设备不同时期的温度场分布，找出设备致热参数的变化，判读设备是否正常。8.6实时分析判断法在一段时间内使用红外热像仪连续检测某被测设备，观察设备温度随负载、时间等因素变化的方法。,九、判断依据,9.1电流致热型设备判断依据电流致热型设备判断依据详细见带电设备红外诊断应用规范附录A9.2电压致热型设备判断依据电致热型设备判断依据详细见带电设备红外诊断应用规范附录B9.3综合致热型设备判断依据当缺陷是由两种或两种以上因素引起的，应综合判断缺陷性质。对于磁场和漏磁引起的过热可依据电流致热型设备的判断依据进行处理,电流致热型设
25、备判断依据,十、缺陷类型的确定及处理方法,红外检测发现的设备过热缺陷应纳入设备缺陷管理制度的范围，按照设备缺陷管理流程进出处理。根据过热缺陷对电气设备运行的影响程度可以下三类：一般缺陷严重缺陷危急缺陷,十、缺陷类型的确定及处理方法,10.1一般缺陷：指设备存在过热，有一定温差，温度场有一定梯度，但不会引起事故的缺陷。这类缺陷一般要求纪录在案，注意观察其缺陷的发展，利用停电机会检修，有计划地安排检修消除缺陷。,十、缺陷类型的确定及处理方法,10.1一般缺陷当发热点温升值小于15K时，不宜采用附录A的规定确定设备缺陷性质。对于负荷率小、温升小但相对温差大的设备，如果符合有条件或机会改变时，可在增大
26、负荷电流后进行复测，以确定设备缺陷性质，当无法改变时，可暂定为一般缺陷，加强监视。,十、缺陷类型的确定及处理方法,10.2严重缺陷：指设备存在过热，程度较重，温度场分布梯度较大，温差较大的缺陷。这类缺陷应尽快安排处理。对电流致热型设备，应采取必要的措施，如加强检测等，必要时降低负荷电流。对电压致热型设备，应加强检测并安排其他测试手段，缺陷性质确定后，立即采取措施消缺。,十、缺陷类型的确定及处理方法,10.3危急缺陷：指设备最高温度超过GB/T 11022规定的最高允许温度的缺陷这类缺陷应立即安排处理。对电流致热型设备，应立即降低负荷电流或立即消缺。对电压致热型设备，当缺陷明显时，应立消缺或退出运行，如有必要，可安排其他实验手段，进一步确定缺陷性质。,十、缺陷类型的确定及处理方法,电压致热型设备缺陷一般定为严重及以上的缺陷。,谢谢！,
