红外测温技术在带电设备维护中的应用

2016-08-05付朝霞

电力安全技术 2016年6期

关键词：发射率温升测温

付朝霞

（北京十三陵蓄能电厂，北京昌平 102200）

红外测温技术在带电设备维护中的应用

付朝霞

（北京十三陵蓄能电厂，北京昌平 102200）

应用红外测温技术对带电运行设备能进行有效的预测性维护，对红外测温的原理、红外测温条件及红外测温图谱分析诊断方法进行了技术性总结，并通过实例分析了红外测温在设备维护中发现运行设备缺陷、避免设备事故的重要作用。

带电设备；红外测温；发射率；图谱分析

0 引言

红外测温技术是利用带电设备的发热效应，在设备正常运行、不停电的情况下，采用专用的测温设备获取设备表面发出的红外辐射信息，利用红外软件进行分析比较，进而判断设备状况和缺陷性质的一种设备状态检测技术。

电力系统的各种设备异常，往往表现出局部温度的异常升高，因此应用红外测温技术监测带电设备的温度变化，及时对设备故障做出诊断，对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能作出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修提高到预知状态检修。红外测温技术能实时地在线监测和诊断电气设备的大多数故障，对提高设备运行可靠性，提高设备运行经济效益，降低设备维修成本和延长设备的使用年限，以及避免设备损坏和人身伤害都具有十分重要的意义。

1 红外测温技术原理

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体由于其自身分子的运动，不停地向周围空间辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。

对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，作出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。

1.1 发射率

发射率是指物体表面辐射出的能量与相同温度下的黑体辐射能量的比率。黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。

实际物体的发射率与物体的表面状态（包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在）有关，所以其发射率在0-1之间。

1.2 发射率的修正

红外测温仪器在接收来自目标红外辐射功率相同的情况下，因目标的表面发射率不同，将会得到不同的检测结果。也就是说，相同辐射功率，发射率越低，就会显示越高的温度。应用红外测温仪准确地测量电气设备温度，必须要知道受检目标的发射率值，并将该值作为计算温度的重要参数输入红外软件或者调整红外测量仪的修正值，以便对所测量的温度输出值进行发射率修正，获得可靠的测温结果。

对于故障频发设备部件，为使检测结果具有良好的可比性，可以运用敷涂适当漆料的方法来增大和稳定其发射率值，以便获得被测设备表面的真实温度。

1.3 发射率的选择

电动机、断路器、隔离刀闸、变压器、导线等以金属为主的设备发射率一般取0．90，带漆金属类取0．94，磁套类取0．92。具体材料的发射率可以参考DL/T664—2008《带电设备红外诊断技术应用规范》附录E。

2 红外测温技术应用条件

带电设备红外测温诊断的核心问题，是要求准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位的温度值与温升值。这个温度信息不仅是判断设备有无故障的依据，也是判断故障属性、位置、严重程度的客观依据。因此，对被测设备故障相关部位温度的计算与合理修正，将是提高检测设备表面温度准确性的关键环节。然而在现场进行设备红外检测时，由于检测条件和环境变化的影响，可能导致同一设备因检测条件不同，而得到不同的结果。因此，为了提高红外检测的准确度，必须在现场检测过程中或对检测结果的分析处理中，采取相应的对策与措施或选择良好的检测条件，或对检测现场结果进行合理的修正。

2.1 环境条件

红外测温技术应用的环境温度一般不宜低于5 ℃，空气湿度不宜大于85 %，不应在有雷、雨、雾、雪及超过0．5 m/s风速（树叶略有摇动时风速为0．3-1．5 m/s）的环境下进行检测。若检测中风速发生明显变化，应记录风速，必要时按DL/ T664—2008《带电设备红外诊断技术应用规范》附录D修正测量数据。

在进行户外电力设备红外检测时，检测仪器接收的红外辐射除了包括受检设备相应部位自身发射的辐射以外，还会包括设备其他部位和背景的辐射，以及直接射入的太阳辐射。这些辐射都将对设备待测部位的温度造成干扰，对故障检测带来误差。为了减少环境与背景辐射的影响，对于户外设备的红外检测应在日出前、日落后无光照时间或阴天进行；户内设备检测宜关掉照明灯进行，应避免灯光直射。进行检测时，在保证人身和设备安全的前提下，应打开遮挡红外辐射的玻璃窗、保护屏门或盖板。

2.2 故障类型

电气设备的热故障，一般分为电流致热型和电压致热型。电流致热型设备故障为由电流效应引起的发热故障（导电回路故障），其发热功率与负荷电流值的平方成正比。电压致热型设备故障为由电压效应引起的发热故障（绝缘介质故障），其发热功率与运行电压的平方成正比。因此在进行红外检测时，设备的工作电压和负荷电流的大小，将直接影响到红外检测与故障诊断的效果。为了能够取得可靠的检测效果，要尽量保证设备在额定电压和满负荷下运行，即使不能做到连续满负荷运行，也应编制一个运行方案，以便在检测前和检测过程中，能让设备满负荷运行一段时间（如4～6 h），使设备故障部位有足够的发热时间，并保证其表面达到稳定温升。

由于电气设备故障红外诊断时，故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据的，因此当检测时实际运行电流小于额定电流时，应该将现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流时的温升。

2.3 测量方向

根据辐射的空间分布规律——朗伯余弦定律可知，黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比。

此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，在对设备进行红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向进行；如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的cosθ倍。

2.4 测量距离

在保证带电设备安全距离的条件下，红外测温仪器应尽量靠近被测设备，并使被测设备充满整个视场，以提高红外测温仪器对被检设备表面细节的分辨能力及测温精度。检测时，先用红外测温仪对所测设备进行全面扫描，找出热态异常部位，然后对异常部位和设备的重点部位进行准确测温。

2.5 大气参数修正

检测时，若仪器有大气条件的修正模型，则在对设备进行测温前将环境温度、相对湿度、测量距离等补偿参数输入，进行修正，并选择适当的测温范围以提高测量精度。

3 带电设备红外检测

3.1 红外检测的设备范围

只要表面发出的红外辐射不受阻挡，带电运行的设备都属于红外诊断检测的范围，如旋转电机、变压器、断路器、互感器、避雷器、电力电缆、母线、导线、绝缘子串、二次回路等。

3.2 红外检测的图谱分析诊断方法

用红外测温仪器对设备测温后，应用红外软件对所拍摄的图谱进行分析时，一般有下面几种方法。

（1）表面温度判断法。根据测得的设备表面的温度值，对照GB/T11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》的有关规定，温度超过标准的可根据设备超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受的机械应力的大小来确定设备缺陷的性质，对在小负荷率下温升超标或承受机械应力较大的设备要从严定性。

（2）同类比较法。在同一电气回路里，当三相电流对称和三相（或两相）设备相同时，比较三相（或两相）电流致热型设备对应部位的温升值，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。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。

对于型号相同的电压致热型设备，可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宜用允许温升或同类允许温差的判断依据确定。一般情况下当同类温差超过允许温差值30%时，应定为严重缺陷。当三相电压不一致时应考虑工作电压的影响。

（3）相对温差判断法。温差指用同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差。相对温差指2个相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δt可用下式求出：

式中：τ1和T1——发热点的温升和温度；τ2和T2——正常相对应点的温升和温度；T0——环境参照体的温度。

对于电流致热型设备，若发现设备的导流部分状态异常，应进行准确测温，按照上述公式算出相对温差值，参照DL/T664—2008《带电设备红外诊断技术应用规范》中的电流致热型设备的相对温差判据的规定判断设备缺陷性质。

4 带电设备红外诊断实例

（1）某厂高变低压侧接头发热。图1为某厂高变低压侧套管与电缆接头处的红外热像，A，B，C三相的最高温度分别为41．3 ℃，35．6 ℃，36．3 ℃。从图谱中可明显看出A相的电缆压接处螺栓温度稍高，但是温升小于10 ℃；跟踪测试几次，温度没有升高，基本稳定，三相电流基本平衡。分析原因是由于A相的螺栓稍有松动，引起发热。

厂高变大修时，检查A相电缆压接螺栓，发现稍有松动，低压侧三相所有螺栓换新后效果明显，三相温度基本一致。

（2）某电机A相电缆接头发热。在很短的时间内，监测某电机A相电缆接头温度迅速升高（见图2）。测量三相电流电压基本平衡。环境参照体的温度为22 ℃，正常相对应点的温度为37．4 ℃，故障相温度为92．9 ℃，用相对温差法计算，相对温差δt=78．3 %。根据DL/T664—2008《带电设备红外诊断技术应用规范》中的相对温差判据，相对温差值δt≥80 %为重大缺陷，计算出的相对温差为78．3 %，接近于重大缺陷。