红外测温技术在电气防火中的应用

刘树成 赵艳秋

摘要：在分析了我國电气防火现状并介绍了红外热像仪的工作原理之后，重点介绍了气象条件、环境、背景辐射、大气衰减和被测目标发射率对测量精度的影响及相应对策，最后通过应用实例证明了红外测温技术在电气防火中的重要地位。

关键词：红外测温、电气防火、红外热像仪

0引言

当今社会，电能已成为人类最重要的能源之一。然而，在用电量大幅提升的同时，电气火灾也随之大量发生。发生电气火灾的起因主要有短路、过热、超负荷、接触不良和漏电等。但是，电气系统的局部过热的火花放电往往由于处于十分隐蔽的部位，往往不容易被传统的检查所发现。

红外测温技术由于其非接触、不停电、不取样等优点，已在高压电线巡检、配电设备和变电站等电气设备的故障诊断、火灾的探测等领域得到了广泛的应用，并取得了可观的经济效益[1]。

1、红外热像仪的工作原理及影响因素

根据红外辐射信号不同，热成像可分为主动式和被动式两大类。目前电力系统常用被动式红外热像仪。它的基本结构由红外镜头、探测器、显示记录系统等构成。工作过程是把被测目标表面温度分布借助红外辐射信号的形式，经接收光学系统和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术已省去了光机扫描系统）成像在红外探测器上，再由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理后通过电视屏或监测器显示出被测物体表面温度分布的红外热像图。

由红外热像仪的工作原理可知，实际上物体的温度不是直接量测到的，而是红外线辐射能投射到热像仪上，此种辐射能与物体表面温度遵循斯蒂芬·波尔兹曼定律[2]。也就是说红外热像仪测量的是辐射通量。探测器所测量的辐射通量通常由三部分组成。

用公式可表示为：

式中  S0——接收到的总辐射能量   St——被测物体辐射能量

Sa——环境物体反射辐射能量         Satm——大气的辐射能量

所以影响红外热像仪测温的因素主要有环境、背景辐射、大气衰减、被测目标发射率等因素的影响。

2、影响红外热像仪测温的因素及修正方法

2.1 气象条件、环境、背景辐射的影响及对策

不良的气象条件（如雾、雨、雪、低温、大风等），不仅会对红外辐射在大气传输过程中能量衰减产生影响，还会给故障检测带来不利影响。因为在这样的天气检测，会改善故障部位的散热条件，使故障部位增大散热量。

风速是影响设备表面对流散热的重要因素，风速越大、对流散热量越多。并且，与环境大气温差越大，对流散热量也越多。因此，随着风速增大，不仅降低良好设备表面相对环境大气的温升，而且也降低电气设备有无故障部位或相间的温差，使得故障检测与识别变得更加困难[3]。

太阳光的照射也对检测结果产生很大的影响，当被测设备处于阳光照射下时，仪器接收到的红外辐射就会包括直接入射和经背景反射和散射的太阳辐射。另外太阳光的照射还会造成被测设备温升的叠加，可引起设备产生大约10-15℃的附加温。另外大气辐射构成背景辐射也会影响设备运行状态。

针对这种情况，我们就要选择无雾、无雨雪、无风的天气进行检测。检测户外设备时尽量在无阳光照射的时间内。

2.2大气衰减的影响及对策

自然界中无处不在的大气对红外辐射有着显著的影响。被测设备辐射信号向检测仪器传输过程中大气的吸收和散射导致被测目标辐射信号衰减。大气中以水蒸汽及CO2以为主的气体分子对一定波长的红外线有选择性的吸收作用，以及大气尘埃的其他悬浮粒子的散射作用使红外辐射在传输过程中能量衰减。所以，设备辐射能量的传输衰减随着检测仪器到被测设备之间距离的增大而增加。

实验研究表明，大气对红外辐射的吸收程度与红外辐射的波长有关。红外线按波长范围可分为近红外（0.75～3.0μm）、中红外（3.0～6.0μm）、远红外（6.0～15.0μm）、极远红外（15.0～1000μm）四类。其中在3.0～5.0μm 和8.0～14.0μm处辐射在大气传输中透过率较高，约为80%，这两个波段被我们称之为“红外窗口”。利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在雨、雪等恶劣环境，能够清晰地观察到所需监控的目标。所以我们要尽量选用响应波长范围为8.0～14.0μm的红外检测仪器。另外，为减少大气衰减对红外检测的影响，我们应尽量安排在天气较干燥和清洁的季节检测，在不影响安全的条件下，尽量缩小检测距离。

2.3被测目标发射率的影响及对策

任何红外检测仪器都是通过设备表面红外辐射功率来获得设备温度（或故障）信息的。然而，在红外仪器接收目标红外辐射功率相同的情况下，因设备表面发射率不同，将得到不同的温度测量结果。当仪器接收相同辐射功率时，发射率占越低的物体，显示的温度越高。因为物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态，所以，即使由同种材料制成的相同设备部件（如变压器三相套管），或同一部件在不同时期，尽管实际温度相同，但因表面状态不同，仍可显示不同测温结果。这必将给检测结果和诊断判别带来不统一。而且，在同一设备不同相的部件之间也难以做有无故障的比较。

为克服发射率影响，在检测前应首先从有关资料中查出被测设备部件表面的发射率值，通过红外仪器进行发射率修正，也可采用红外软件对发射率值进行修正。

3、结论

红外检测技术以其不接触设备、不需要取样、不要求设备停运等优点在电力诊断中越来越重要，它对保证电力安全生产和提高可靠性方面取得了明显的效果。

某变电站变压器10KV套管A相线夹发热红外热像图70℃时与运行一段时间后103℃红外热像图明显有差别，能够看出该设备缺陷已演变非常严重，我们就应该及时处理。

参考文献：

[1] 胡红光.电力设备红外诊断技术与应用[M]，中国电力出版社， 2012-8-1

[2] 罗军川.电气设备红外诊断实用教程[M] ，中国电力出版社， 2013-1-1

[3] 杨立.红外热成像测温原理与技术[M]，科学出版社发行部， 2012-6-1