紅外測溫技術在電氣防火中的應用

劉樹成 趙艷秋

摘要：在分析了我國電氣防火現狀并介紹了紅外熱像儀的工作原理之后，重點介紹了氣象條件、環境、背景輻射、大氣衰減和被測目標發射率對測量精度的影響及相應對策，最后通過應用實例證明了紅外測溫技術在電氣防火中的重要地位。

關鍵詞：紅外測溫、電氣防火、紅外熱像儀

0引言

當今社會，電能已成為人類最重要的能源之一。然而，在用電量大幅提升的同時，電氣火災也隨之大量發生。發生電氣火災的起因主要有短路、過熱、超負荷、接觸不良和漏電等。但是，電氣系統的局部過熱的火花放電往往由于處于十分隱蔽的部位，往往不容易被傳統的檢查所發現。

紅外測溫技術由于其非接觸、不停電、不取樣等優點，已在高壓電線巡檢、配電設備和變電站等電氣設備的故障診斷、火災的探測等領域得到了廣泛的應用，并取得了可觀的經濟效益[1]。

1、紅外熱像儀的工作原理及影響因素

根據紅外輻射信號不同，熱成像可分為主動式和被動式兩大類。目前電力系統常用被動式紅外熱像儀。它的基本結構由紅外鏡頭、探測器、顯示記錄系統等構成。工作過程是把被測目標表面溫度分布借助紅外輻射信號的形式，經接收光學系統和光機掃描系統（目前先進的焦平面技術已省去了光機掃描系統）成像在紅外探測器上，再由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理后通過電視屏或監測器顯示出被測物體表面溫度分布的紅外熱像圖。

由紅外熱像儀的工作原理可知，實際上物體的溫度不是直接量測到的，而是紅外線輻射能投射到熱像儀上，此種輻射能與物體表面溫度遵循斯蒂芬·波爾茲曼定律[2]。也就是說紅外熱像儀測量的是輻射通量。探測器所測量的輻射通量通常由三部分組成。

用公式可表示為：

式中 ?S0——接收到的總輻射能量 ? St——被測物體輻射能量

Sa——環境物體反射輻射能量 ? ? ? ? Satm——大氣的輻射能量

所以影響紅外熱像儀測溫的因素主要有環境、背景輻射、大氣衰減、被測目標發射率等因素的影響。

2、影響紅外熱像儀測溫的因素及修正方法

2.1 氣象條件、環境、背景輻射的影響及對策

不良的氣象條件（如霧、雨、雪、低溫、大風等），不僅會對紅外輻射在大氣傳輸過程中能量衰減產生影響，還會給故障檢測帶來不利影響。因為在這樣的天氣檢測，會改善故障部位的散熱條件，使故障部位增大散熱量。

風速是影響設備表面對流散熱的重要因素，風速越大、對流散熱量越多。并且，與環境大氣溫差越大，對流散熱量也越多。因此，隨著風速增大，不僅降低良好設備表面相對環境大氣的溫升，而且也降低電氣設備有無故障部位或相間的溫差，使得故障檢測與識別變得更加困難[3]。

太陽光的照射也對檢測結果產生很大的影響，當被測設備處于陽光照射下時，儀器接收到的紅外輻射就會包括直接入射和經背景反射和散射的太陽輻射。另外太陽光的照射還會造成被測設備溫升的疊加，可引起設備產生大約10-15℃的附加溫。另外大氣輻射構成背景輻射也會影響設備運行狀態。

針對這種情況，我們就要選擇無霧、無雨雪、無風的天氣進行檢測。檢測戶外設備時盡量在無陽光照射的時間內。

2.2大氣衰減的影響及對策

自然界中無處不在的大氣對紅外輻射有著顯著的影響。被測設備輻射信號向檢測儀器傳輸過程中大氣的吸收和散射導致被測目標輻射信號衰減。大氣中以水蒸汽及CO2以為主的氣體分子對一定波長的紅外線有選擇性的吸收作用，以及大氣塵埃的其他懸浮粒子的散射作用使紅外輻射在傳輸過程中能量衰減。所以，設備輻射能量的傳輸衰減隨著檢測儀器到被測設備之間距離的增大而增加。

實驗研究表明，大氣對紅外輻射的吸收程度與紅外輻射的波長有關。紅外線按波長范圍可分為近紅外（0.75～3.0μm）、中紅外（3.0～6.0μm）、遠紅外（6.0～15.0μm）、極遠紅外（15.0～1000μm）四類。其中在3.0～5.0μm 和8.0～14.0μm處輻射在大氣傳輸中透過率較高，約為80%，這兩個波段被我們稱之為“紅外窗口”。利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪等惡劣環境，能夠清晰地觀察到所需監控的目標。所以我們要盡量選用響應波長范圍為8.0～14.0μm的紅外檢測儀器。另外，為減少大氣衰減對紅外檢測的影響，我們應盡量安排在天氣較干燥和清潔的季節檢測，在不影響安全的條件下，盡量縮小檢測距離。

2.3被測目標發射率的影響及對策

任何紅外檢測儀器都是通過設備表面紅外輻射功率來獲得設備溫度（或故障）信息的。然而，在紅外儀器接收目標紅外輻射功率相同的情況下，因設備表面發射率不同，將得到不同的溫度測量結果。當儀器接收相同輻射功率時，發射率占越低的物體，顯示的溫度越高。因為物體表面發射率主要決定于材料性質和表面狀態，所以，即使由同種材料制成的相同設備部件（如變壓器三相套管），或同一部件在不同時期，盡管實際溫度相同，但因表面狀態不同，仍可顯示不同測溫結果。這必將給檢測結果和診斷判別帶來不統一。而且，在同一設備不同相的部件之間也難以做有無故障的比較。

為克服發射率影響，在檢測前應首先從有關資料中查出被測設備部件表面的發射率值，通過紅外儀器進行發射率修正，也可采用紅外軟件對發射率值進行修正。

3、結論

紅外檢測技術以其不接觸設備、不需要取樣、不要求設備停運等優點在電力診斷中越來越重要，它對保證電力安全生產和提高可靠性方面取得了明顯的效果。

某變電站變壓器10KV套管A相線夾發熱紅外熱像圖70℃時與運行一段時間后103℃紅外熱像圖明顯有差別，能夠看出該設備缺陷已演變非常嚴重，我們就應該及時處理。

參考文獻：

[1] 胡紅光.電力設備紅外診斷技術與應用[M]，中國電力出版社， 2012-8-1

[2] 羅軍川.電氣設備紅外診斷實用教程[M] ，中國電力出版社， 2013-1-1

[3] 楊立.紅外熱成像測溫原理與技術[M]，科學出版社發行部， 2012-6-1