紅外測溫技術在帶電設備維護中的應用

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京 昌平 102200）

紅外測溫技術在帶電設備維護中的應用

付朝霞

（北京十三陵蓄能電廠，北京 昌平 102200）

應用紅外測溫技術對帶電運行設備能進行有效的預測性維護，對紅外測溫的原理、紅外測溫條件及紅外測溫圖譜分析診斷方法進行了技術性總結，并通過實例分析了紅外測溫在設備維護中發現運行設備缺陷、避免設備事故的重要作用。

帶電設備；紅外測溫；發射率；圖譜分析

0 引言

紅外測溫技術是利用帶電設備的發熱效應，在設備正常運行、不停電的情況下，采用專用的測溫設備獲取設備表面發出的紅外輻射信息，利用紅外軟件進行分析比較，進而判斷設備狀況和缺陷性質的一種設備狀態檢測技術。

電力系統的各種設備異常，往往表現出局部溫度的異常升高，因此應用紅外測溫技術監測帶電設備的溫度變化，及時對設備故障做出診斷，對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能作出可靠的預測，使傳統電氣設備的預防性試驗維修提高到預知狀態檢修。紅外測溫技術能實時地在線監測和診斷電氣設備的大多數故障，對提高設備運行可靠性，提高設備運行經濟效益，降低設備維修成本和延長設備的使用年限，以及避免設備損壞和人身傷害都具有十分重要的意義。

1 紅外測溫技術原理

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體由于其自身分子的運動，不停地向周圍空間輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱“熱像”。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。

對于電力設備，紅外檢測與故障診斷的基本原理就是通過探測設備表面的紅外輻射信號，從而獲得設備的熱狀態特征，并根據這種熱狀態及適當的判據，作出設備有無故障及故障屬性、出現位置和嚴重程度的診斷判別。

1.1 發射率

發射率是指物體表面輻射出的能量與相同溫度下的黑體輻射能量的比率。黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。

實際物體的發射率與物體的表面狀態（包括物體表面溫度、表面粗糙度以及表面氧化層、表面雜質或涂層的存在）有關，所以其發射率在0-1之間。

1.2 發射率的修正

紅外測溫儀器在接收來自目標紅外輻射功率相同的情況下，因目標的表面發射率不同，將會得到不同的檢測結果。也就是說，相同輻射功率，發射率越低，就會顯示越高的溫度。應用紅外測溫儀準確地測量電氣設備溫度，必須要知道受檢目標的發射率值，并將該值作為計算溫度的重要參數輸入紅外軟件或者調整紅外測量儀的修正值，以便對所測量的溫度輸出值進行發射率修正，獲得可靠的測溫結果。

對于故障頻發設備部件，為使檢測結果具有良好的可比性，可以運用敷涂適當漆料的方法來增大和穩定其發射率值，以便獲得被測設備表面的真實溫度。

1.3 發射率的選擇

電動機、斷路器、隔離刀閘、變壓器、導線等以金屬為主的設備發射率一般取0．90，帶漆金屬類取0．94，磁套類取0．92。具體材料的發射率可以參考DL/T664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用規范》附錄E。

2 紅外測溫技術應用條件

帶電設備紅外測溫診斷的核心問題，是要求準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關部位的溫度值與溫升值。這個溫度信息不僅是判斷設備有無故障的依據，也是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀依據。因此，對被測設備故障相關部位溫度的計算與合理修正，將是提高檢測設備表面溫度準確性的關鍵環節。然而在現場進行設備紅外檢測時，由于檢測條件和環境變化的影響，可能導致同一設備因檢測條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提高紅外檢測的準確度，必須在現場檢測過程中或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場結果進行合理的修正。

2.1 環境條件

紅外測溫技術應用的環境溫度一般不宜低于5 ℃，空氣濕度不宜大于85 %，不應在有雷、雨、霧、雪及超過0．5 m/s風速（樹葉略有搖動時風速為0．3-1．5 m/s）的環境下進行檢測。若檢測中風速發生明顯變化，應記錄風速，必要時按DL/ T664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用規范》附錄D修正測量數據。

在進行戶外電力設備紅外檢測時，檢測儀器接收的紅外輻射除了包括受檢設備相應部位自身發射的輻射以外，還會包括設備其他部位和背景的輻射，以及直接射入的太陽輻射。這些輻射都將對設備待測部位的溫度造成干擾，對故障檢測帶來誤差。為了減少環境與背景輻射的影響，對于戶外設備的紅外檢測應在日出前、日落后無光照時間或陰天進行；戶內設備檢測宜關掉照明燈進行，應避免燈光直射。進行檢測時，在保證人身和設備安全的前提下，應打開遮擋紅外輻射的玻璃窗、保護屏門或蓋板。

2.2 故障類型

電氣設備的熱故障，一般分為電流致熱型和電壓致熱型。電流致熱型設備故障為由電流效應引起的發熱故障（導電回路故障），其發熱功率與負荷電流值的平方成正比。電壓致熱型設備故障為由電壓效應引起的發熱故障（絕緣介質故障），其發熱功率與運行電壓的平方成正比。因此在進行紅外檢測時，設備的工作電壓和負荷電流的大小，將直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。為了能夠取得可靠的檢測效果，要盡量保證設備在額定電壓和滿負荷下運行，即使不能做到連續滿負荷運行，也應編制一個運行方案，以便在檢測前和檢測過程中，能讓設備滿負荷運行一段時間（如4～6 h），使設備故障部位有足夠的發熱時間，并保證其表面達到穩定溫升。

由于電氣設備故障紅外診斷時，故障判斷標準往往是以設備在額定電流時的溫升為依據的，因此當檢測時實際運行電流小于額定電流時，應該將現場實際測量的設備故障點溫升換算為額定電流時的溫升。

2.3 測量方向

根據輻射的空間分布規律——朗伯余弦定律可知，黑體在任意方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比。

此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強。因此，在對設備進行紅外檢測時，應盡可能選擇在被測表面法線方向進行；如果在與法線成θ角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的cosθ倍。

2.4 測量距離

在保證帶電設備安全距離的條件下，紅外測溫儀器應盡量靠近被測設備，并使被測設備充滿整個視場，以提高紅外測溫儀器對被檢設備表面細節的分辨能力及測溫精度。檢測時，先用紅外測溫儀對所測設備進行全面掃描，找出熱態異常部位，然后對異常部位和設備的重點部位進行準確測溫。

2.5 大氣參數修正

檢測時，若儀器有大氣條件的修正模型，則在對設備進行測溫前將環境溫度、相對濕度、測量距離等補償參數輸入，進行修正，并選擇適當的測溫范圍以提高測量精度。

3 帶電設備紅外檢測

3.1 紅外檢測的設備范圍

只要表面發出的紅外輻射不受阻擋，帶電運行的設備都屬于紅外診斷檢測的范圍，如旋轉電機、變壓器、斷路器、互感器、避雷器、電力電纜、母線、導線、絕緣子串、二次回路等。

3.2 紅外檢測的圖譜分析診斷方法

用紅外測溫儀器對設備測溫后，應用紅外軟件對所拍攝的圖譜進行分析時，一般有下面幾種方法。

（1） 表面溫度判斷法。根據測得的設備表面的溫度值，對照GB/T11022—2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》的有關規定，溫度超過標準的可根據設備超標的程度、設備負荷率的大小、設備的重要性及設備承受的機械應力的大小來確定設備缺陷的性質，對在小負荷率下溫升超標或承受機械應力較大的設備要從嚴定性。

（2） 同類比較法。在同一電氣回路里，當三相電流對稱和三相（或兩相）設備相同時，比較三相（或兩相）電流致熱型設備對應部位的溫升值，可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現異常，可與同回路的同類設備比較。當三相負荷電流不對稱時，應考慮負荷電流的影響。

對于型號相同的電壓致熱型設備，可根據其對應點溫升值的差異來判斷設備是否正常。電壓致熱型設備的缺陷宜用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據確定。一般情況下當同類溫差超過允許溫差值30%時，應定為嚴重缺陷。當三相電壓不一致時應考慮工作電壓的影響。

（3） 相對溫差判斷法。溫差指用同一檢測儀器相繼測得的不同被測物或同一被測物不同部位之間的溫度差。相對溫差指2個相應測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數。

相對溫差δt可用下式求出：

式中：τ1和T1——發熱點的溫升和溫度；τ2和T2——正常相對應點的溫升和溫度；T0——環境參照體的溫度。

對于電流致熱型設備，若發現設備的導流部分狀態異常，應進行準確測溫，按照上述公式算出相對溫差值，參照DL/T664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用規范》中的電流致熱型設備的相對溫差判據的規定判斷設備缺陷性質。

4 帶電設備紅外診斷實例

（1） 某廠高變低壓側接頭發熱。圖1為某廠高變低壓側套管與電纜接頭處的紅外熱像，A，B，C三相的最高溫度分別為41．3 ℃，35．6 ℃，36．3 ℃。從圖譜中可明顯看出A相的電纜壓接處螺栓溫度稍高，但是溫升小于10 ℃；跟蹤測試幾次，溫度沒有升高，基本穩定，三相電流基本平衡。分析原因是由于A相的螺栓稍有松動，引起發熱。

廠高變大修時，檢查A相電纜壓接螺栓，發現稍有松動，低壓側三相所有螺栓換新后效果明顯，三相溫度基本一致。

（2） 某電機A相電纜接頭發熱。在很短的時間內，監測某電機A相電纜接頭溫度迅速升高（見圖2）。測量三相電流電壓基本平衡。環境參照體的溫度為22 ℃，正常相對應點的溫度為37．4 ℃，故障相溫度為92．9 ℃，用相對溫差法計算，相對溫差δt=78．3 %。根據DL/T664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用規范》中的相對溫差判據，相對溫差值δt≥80 %為重大缺陷，計算出的相對溫差為78．3 %，接近于重大缺陷。

圖2 電機接線端子電纜接頭處紅外熱像

由于三相電流電壓都平衡，分析原因可能為電纜接頭處壓接不實，接觸不良導致電纜接頭在短時間內迅速發熱。迅速將電機的電源斷開后，剝開故障相電纜外絕緣，檢查電纜接頭，發現電纜壓接頭變形、松弛；更換新備件后，運行1 h再檢測，三相溫度基本平衡，設備恢復正常。

5 結束語

紅外測溫技術作為設備故障非接觸式診斷的有效方法，已廣泛應用于電力生產。在實際應用中，操作人員應認真學習紅外測溫儀及分析軟件的使用方法，確保測量、診斷正確，以保障電力設備安全穩定運行。

1 劉焰峰，李劍剛．紅外診斷技術在蘇州電網中的應用［J］．高電壓技術，2008，34（2）：413-415．

2015-09-12；

2016-03-10。

付朝霞（1980-），女，工程師，主要從事水電站設備運行檢修維護工作， email：sunnyfzx@sina．com。