變電一次容性設(shè)備紅外成像技術(shù)研究

方勇，鄒璟，王清波，施濤，韋瑞峰，段永生

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明650000）

0 前言

在變電站高壓設(shè)備中，容性設(shè)備包括耦合電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、變壓器套管等設(shè)備，它們占變電設(shè)備的40%-50%，其自身的健康程度直接關(guān)系到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行[1-2]。容性設(shè)備的絕緣劣化是一個漸變的過程，如不及時發(fā)現(xiàn)并檢修，可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，引發(fā)突發(fā)性事故，造成系統(tǒng)保護勿動或電網(wǎng)的波動。

紅外監(jiān)測診斷技術(shù)是變電設(shè)備在線監(jiān)測式基礎(chǔ)診斷方法，它集光電成像技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外輻射將其熱像顯示在熒光屏上[4-5]，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，集準(zhǔn)確、實時、快速、便捷等特點，在電氣領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域等得到廣泛的利用。目前，紅外檢測技術(shù)在容性設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，利用紅外技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)進行診斷，根據(jù)診斷的結(jié)果對其試驗，以此來判斷紅外診斷的有效性[6-8]。

由于電壓致熱性設(shè)備發(fā)熱集中在設(shè)備內(nèi)部，產(chǎn)熱量并不高，同時熱量從設(shè)備內(nèi)部往外傳輸過程中發(fā)生擴散，對其進行故障診斷就很難有效把握。本文應(yīng)用熱輻射的基本規(guī)律對容性設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生的熱輻射進行分析，得出容性設(shè)備的測溫原理；通過分析紅外輻射的特征和紅外輻射在大氣中傳輸規(guī)律，把握容性設(shè)備紅外傳輸規(guī)律。最后實際應(yīng)用效果表明，利用容性設(shè)備的熱發(fā)射規(guī)律和紅外傳輸規(guī)律，整體把握容性設(shè)備的實際運行狀態(tài)，一方面可以作為紅外測試中的理論指導(dǎo)，另一方面提高了紅外測試員的分析能力，對實際生產(chǎn)有一定的價值意義。

1 容性設(shè)備的熱輻射規(guī)律

本文將容性設(shè)備(耦合電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、變壓器套管等)看成一個圓柱型的外瓷套，套住電氣單元的設(shè)備一般輻射物體，已知其發(fā)射率，可通過測量物體的光譜輻射量來確定物體的溫度[9]。若紅外測試儀依據(jù)容性設(shè)備的總輻射而定溫，則所得到的是物體的輻射溫度（Tc）；若紅外測試儀器根據(jù)兩個或多個特征波長上的輻射而定溫，則所得到的溫度是物體的色溫度（Ts）；若紅外測試儀只根據(jù)某一個特征波長的輻射而定溫，則所得到的是物體的亮溫度（Tl）。輻射溫度、色溫度和亮溫度都不是物體表面真實的溫度（T），即使經(jīng)過了大氣傳輸因子等的修正，它們與物體表面的真實溫度之間仍存在一定的差異。

設(shè)有一容性設(shè)備的真實溫度為T，發(fā)射率為ε(T)，輻射出射度為M(T)。當(dāng)該容性設(shè)備的輻射出射度與某一溫度的黑體輻射出射度相等時，這個黑體的溫度就叫做該物體的輻射溫度Tc，由上述假設(shè)有：

式1中，Mb為黑體的輻射出射度，式1即可以寫成：

式2中，δ為換算系數(shù)，因為ε(T)＜1，所以T＞Tc。當(dāng)用紅外測試儀測量一個非黑體的真實溫度時，必須要知道物體的發(fā)射率ε(T)才能將測得的輻射溫度Tc換算成真實溫度T。在這里的假設(shè)，是沒有考慮容性設(shè)備所反射的環(huán)境輻射，在實際應(yīng)用中，反射比ρ(T)=1-ε(T)，必須要把反射的環(huán)境輻射一起考慮進去分析，對于物體溫度與周圍環(huán)境物體溫度相近的場合，考慮物體的反射環(huán)境輻射帶來的影響是很有必要的，否則真實溫度的換算表達式（2）就不正確了。

2 容性設(shè)備的紅外輻射的基本特征

容性設(shè)備的紅外特征與紅外輻射的特征一致，紅外輻射是一種電磁輻射，它既有與可見光相似的特性，如反射、折射、干射、衍射和偏振，又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被發(fā)射和吸收。此外，紅外輻射還有一些與可見光不一樣的獨有特性：

1）紅外輻射對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外輻射敏感的紅外測試儀器才能探測到；

2）紅外輻射的光量子能量比可見光的小，如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20；

3）紅外輻射的熱效應(yīng)比可見光要強得多；

4）紅外輻射更易被物質(zhì)所吸收，但對于有霧天氣來說，長波紅外輻射更容易通過。

3 容性設(shè)備的紅外輻射傳輸規(guī)律

3.1 容性設(shè)備的紅外輻射在大氣中的吸收

圖1紅外在1-15 μm波長之間的輻射光譜

由于大氣對紅外輻射的吸收，可以用各種不同強度的重疊光譜線組成的離散帶來表征，如圖1紅外在1-15μm波長之間的輻射光譜。重疊的程度取決于譜線的半寬度，而這些譜線在整個吸收帶內(nèi)的分布取決于吸收分子，因而才出現(xiàn)不同的吸收帶。一氧化碳在4.8μm處有一個吸收帶，甲烷在3.2μm和7.8μm處各有一個吸收帶，7.8μm處也可以觀察到一氧化碳的吸收帶，然而一氧化碳最強的吸收帶在4.7μm處，臭氧有三個吸收帶，其中4.8μm處的吸收帶很弱。剩下的就是二氧化碳和水蒸氣，二氧化碳在2.7μm、4.3μm和15μm處有三個強吸收帶，水蒸氣比其它任何氣體有更多的吸收帶，其位置在0.94μm、1.14μm、1.38μm、1.87μm、2.7μm、3.2μm和6.3μm處。

由圖1可以看出，大氣的紅外吸收的特點是具有一些離散的吸收帶，而每一吸收帶是由大量不同程度重疊的各種強度光譜線組成，這些譜線重疊的程度與譜線的半寬度有直接關(guān)系，并且還與譜線的間隔有關(guān)系，當(dāng)然與譜線的實際線型也是有關(guān)的。

3.2 容性設(shè)備紅外輻射在大氣中傳輸過程中的散射衰減

紅外輻射在大氣中傳輸時，除因分子的選擇吸收導(dǎo)致輻射能衰減外，輻射還會在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小微粒，使輻射改變方向，從而使傳播方向的輻射能減弱，這就是散射。一般來說，散射比分子吸收弱，隨著波長增加散射衰弱所占的地位逐漸減少。但是在吸收很小的大氣窗口波段，相對來說散射就是使輻射衰減的主要原因。

散射是由于媒質(zhì)不均勻所致，另外大氣中各種類型的懸浮粒也都是引起散射的原因之一，當(dāng)一束單色輻射在不均勻媒質(zhì)中傳播xm 后，由于散射作用將使輻射衰減，其衰減是按指數(shù)規(guī)律進行的，即：其中Pλ(0)和Pλ(x)分別為散射前和經(jīng)過x距離散射后的光譜輻射功率，μ(λ)為散射系數(shù)，λ為散射系數(shù)變量，因此純散射決定了介質(zhì)的投射率，投射率τx(λ,x)表達式為：

一般情況下，大氣中的散射是由兩類散射元的作用所構(gòu)成，即大氣分子的散射和大氣中懸浮粒的散射，所以散射系數(shù)μ(λ)又可以寫成下列兩項之和：

式5中，μf(λ)和μxf(λ)分別表示分子散射系數(shù)和懸浮微粒的散射系數(shù)。

4 算例分析

將一臺容性設(shè)備放置在恒溫（20℃）環(huán)境中運行，設(shè)備的運行溫度為23.2℃。將環(huán)境作為變量，開啟日光燈模擬晴天，關(guān)掉日光燈在昏暗的環(huán)境下模擬陰天，對環(huán)境加水蒸氣模擬霧天。分別在這三種環(huán)境下，同一個測試位置對容性設(shè)備進行紅外測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1容性設(shè)備在不同的環(huán)境下的測試溫度

從表1橫向可以看出，當(dāng)把空氣對紅外輻射的吸收效應(yīng)、空氣對紅外輻射散射考慮進去，換算出的容性設(shè)備真實溫度比理想環(huán)境下的環(huán)境溫度要小；單一只考慮空氣一方面的環(huán)境效應(yīng)影響，其換算出的真實溫度比所有影響因素都考慮進去換算的溫度要大，但是都沒有理想環(huán)境下的換算溫度大。

表1中的數(shù)據(jù)縱向比較，可以看出晴天的測試溫度較陰天和有霧的天氣測試溫度大，這是由于晴天設(shè)備被反射，被反射的輻射被紅外設(shè)備所接收，所以測試的溫度是最大的；陰天天氣由于設(shè)備被太陽反射較弱，所以測試的溫度更接近設(shè)備實際運行溫度；有霧天氣測試的溫度最小，這是由于有霧天氣水蒸氣對紅外輻射進行吸收，紅外設(shè)備所接收的到輻射比較弱，所以測試溫度相對晴天和陰天都要小。

5 結(jié)束語

本文首先分析了紅外輻射的規(guī)律，指出了紅外輻射的特征，接著分析了紅外在大氣中的傳輸規(guī)律，分別得到了容性設(shè)備在運行過程中也具備相應(yīng)的紅外規(guī)律。最后通過算例分析得到，在同一環(huán)境溫度下，不同天氣下對容性設(shè)備進行紅外測試，所測試的溫度不一樣。當(dāng)考慮空氣對紅外輻射的吸收和散射的時候，其真實溫度也各不相同。在實際的測試過程中，沒有理想環(huán)境，但是通過上述的分析可以看出，最佳的測試環(huán)境是在陰天，空氣透明度比較高的環(huán)境下測試。