（电气工程专业论文）红外诊断技术在电气设备状态检测中的研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o nt h ei n f r a r e dd i a g n o s t i c so fe l e c t r i c a le q u i p m e n tt e s t i n g s u b m i t t e dt ot h es c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n gi np a r t i a l f u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f 【a s t e r a tt h e s ha n d o n gu n i r s i t y b y l id e g a n g d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nq i n g o c t 2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：查垒! 壹： 日 期：兰! ! 仝：! 呈：! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 啼 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：俎导师签名： 一 、 一 山东大学工程硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 1绪论5 1 1状态监测和故障诊断技术的发展概况5 1 2红外热像技术的基本原理及在电力设备中的应用6 1 2 1 红外热像诊断技术的基本原理j 7 1 2 2红外热像技术的主要内容及技术特点7 1 2 3红外热像技术在电气设备状态监测中的发展状况8 1 3本文的主要工作9 2 电气设备故障信息的红外诊断技术1 1 2 1电气设备红外检测的基本理论1 1 2 1 1 红外辐射和热1 1 2 1 2 红外辐射的基本规律1 2 2 1 3 实际物体的红外辐射规律1 4 2 1 4红外探测原理1 5 2 2红外检测常用的基本仪器一1 5 2 2 1红外辐射测温仪15 2 2 2红外热像仪。1 6 2 3电力设备温度的监测1 7 2 3 1红外诊断仪器的监测方法。1 8 、。 2 3 2 测温探头的在线监测18 2 3 3 红外成像的在线监测19 2 4几种温度监测方法的比较2 0 3 红外热像仪的工作原理2 1 3 1 红外热像仪的发展2 1 山东大学工程硕士学位论文 3 2 红外热像仪的组成和工作原理2 2 3 2 1 红外热像仪成像的物理原理一2 2 3 2 2红外热像仪的工作原理2 2 3 3红外热像仪的主要性能参数。2 3 3 4影响检测准确性因素的分析2 5 4 电气设备故障原因分析及红外诊断方法3 0 4 1 电气设备的发热源3 0 4 2红外故障诊断常用方法介绍。31 4 2 1 应用红外热像仪检测设备时的几点要求一3 1 4 2 2诊断方法和判断依据3 2 4 3电气设备故障的发展与演变3 4 4 4红外热像技术对电气设备外部故障的诊断。3 5 4 5 红外热像技术对电气设备内部故障的诊断。3 6 4 5 1内部导电体连接或联结不良故障。3 6 4 5 2 内绝缘不良故障j 3 7 4 5 3非常规性特殊故障3 8 4 6 电气设备红外缺陷典型图谱一3 9 5 总结与展望。4 3 5 1 总结4 3 5 2 进一步研究工作的展望4 3 参考文献。4 5 1 致谢4 9 i i 山东大学工程硕士学位论文 摘要 在电力系统中，保证供电系统的安全、稳定、可靠运行是电力管理的根本 目标，实施状态检修可以有效缩短设备检修停电时间，提高供电可靠性。状态 检修是根据状态检测数据评估设备“健康状况 ，据此采取相应的检修策略，准 确诊断和评估设备的健康状况即设备的故障诊断是状态检修的技术关键。红外 检测与诊断技术的飞速发展，为解决设备状态检测与故障诊断提供了新途径。 电气设备存在外部或内部故障时，往往伴随着不正常的局部或整体过热或 温度分布异常，以此对应的是红外热图像的变化。红外检测通过探测设备表面 的红外辐射信号获得设备的热状态特征，从而对设备有无故障、故障属性、存 在位置和严重程度进行判别。红外检测技术既可检测出各种类型的设备外部接 触性过热故障，又能比较有效地检测出设备内部导流回路的缺陷和绝缘故障。 红外检测技术以其安全性高、测温准确、非接触等诸多优点越来越受到广泛应 用，其中红外热像技术因可以实时显示物体表面温度二维分布与变化情况而成 为红外检测技术发展的方向。以红外热像技术为基础的电气设备状态检测与诊 断成为电力部门一种行之有效的检测手段。 _ 本文基于红外热像技术，进行了电气设备检测和故障诊断研究，旨在为电 气设备状态检修提供可靠的理论依据。文中首先介绍了状态监测和故障诊断技 术的发展、电力设备温度红外探测的基本理论以及目前采用的一些温度监测技 术并做了相应比较，由此提出了本文的研究目标；对研究涉及的基本理论、概 念、定律等基础理论知识进行了总结与介绍。通过研究红外热像仪的发展、组 成、工作原理及其主要性能参数，详尽分析了影响红外检测准确性的因素，并 针对具体影响因素提出了减小误差的方法及注意事项。在此基础上，结合红外 热像技术在电气设备故障诊断中广泛应用的现状，研究了电气设备的发热源、 电气设备故障的发展与演变、红外故障诊断常用的诊断方法和判断依据，对红 外热像技术对电气设备外部、内部故障的诊断进行了介绍，详细论述了电气设 备内部导电体连接或联结不良、绝缘介质不良以及一些非常规性的特殊故障属 性与对应的红外热像图的特征关系，并提供有各类电气设备红外缺陷典型图谱。 本文的研究工作对于电力部门使用红外热像技术进行电气设备状态检测具有一 山东大学工程硕士学位论文 定的借鉴意义。 关键词：电气设备；状态检测；红外热像：故障诊断 2 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i np o w e rs y s t e m ，p o w e rs u p p l ys y s t e mt oe n s u r et h es e c u r i t y ，s t a b i l i t y , r e l i a b l e o p e r a t i o no fp o w e rm a n a g e m e n ti s t h ef u n d a m e n t a lg o a lo fc b mc a nr e d u c e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c eo u t a g et i m ea n di m p r o v er e l i a b i l i t y s t a t em a i n t e n a n c ei s b a s e do ns t a t et e s td a t at oa s s e s se q u i p m e n t ”h e a l t hs t a t u s ”，a c c o r d i n gt ot h e a p p r o p r i a t em a i n t e n a n c es t r a t e g y ，a c c u r a t ed i a g n o s i sa n da s s e s s m e n to ft h eh e a l t h s t a t u so ft h ee q u i p m e n t ，e q u i p m e n tf a u l td i a g n o s i si st h ek e yt e c h n i c a lc o n d i t i o n - m a i n t e n a n c e i n f r a r e dd e t e c t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to fd i a g n o s t i ct e c h n i q u e s ， 簟 f o re q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sp r o v i d e san e ww a y t h e r ee x t e r n a lo ri n t e r n a le l e c t r i c a lf a i l u r e ，o f t e na c c o m p a n i e db ya b n o r m a l l o c a lo rg e n e r a lo v e r h e a t i n go ra b n o r m a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h i sc o r r e s p o n d s t oc h a n g ei ni n f r a r e di m a g e s i n f r a r e dd e t e c t i o nb yi n f r a r e dr a d i a t i o nd e t e c t i o n e q u i p m e n ts u r f a c et h e r m a ls t a t eo ft h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c sr e c e i v e de q u i p m e n tt o m a l f u n c t i o no fe q u i p m e n ta v a i l a b i l i t y ，f a u l tp r o p e r t i e s ，t h e r ei st h el o c a t i o na n d 山东大学工程硕士学位论文 t e c h n o l o g ya n dac o r r e s p o n d i n gc o m p a r i s o ni nt h i sp a p e r ，t h i sr e s e a r c hg o a l s ； s e c o n do nb a s i cr e s e a r c hi n v o l v i n gt h e o r y ，c o n c e p t s ，l a w sa n do t h e rb a s i ct h e o r yi s s u m m a r i z e da n di n t r o d u c e d b y s t u d y i n gt h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e di m a g i n g s y s t e m ，c o m p o s i t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n di t sm a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a d e t a i l e d a n a l y s i so ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fi n f r a r e dd e t e c t i o n ，a n d s p e c i f i cf a c t o r sp r o p o s e dm e t h o d sf o rr e d u c i n ge r r o r sa n dp r e c a u t i o n s o nt h i s b a s i s ，c o m b i n e dw i t hi n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g yi nt h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n ti sw i d e l yu s e di nf a u l td i a g n o s i so ft h ec u r r e n ts t a t u s ，t h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，h e a ts o u r c e s ，e l e c t r i c a le q u i p m e n tf a i l u r e i nt h ed e v e l o p m e n ta n d e v o l u t i 。no ff a u l td i a g n o s i su s e di n f r a r e dd i a g n 。s t i cm e t h 。da n dd e t e r m i n et h e b a s i so fi n f r a r e dt h e r m o g r a p h yo ne l e c t r i c a le q u i p m e n t ，e x t e r n a la n di n t e r n a lf a u l t d i a g n o s i sw a si n t r o d u c e di nd e t a i lt h ee l e c t r i c a lc o n n e c t i o no ra s s o c i a t i o nw i t h i n t h ec o n d u c t i v eb o d yb a d ，b a d ，a n ds o m ed i e l e c t r i cu n c o n v e n t i o n a lp r o p e r t i e so ft h e p a r t i c u l a rf a u l ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e dt h e r m a li m a g e s r e l a t i o n s ，a n dp r o v i d ev a r i o u st y p e so fe l e c t r i c a le q u i p m e n td e f e c t st y p i c a li n f r a r e d m a p t h i sr e s e a r c hw o r kf o rt h ep o w e rs e c t o ru s i n ga ni n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g 啼 t e c h n o l o g yf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fe l e c t r i c a le q u i p m e n th a sac e r t a i nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a le q u i p m e n t ；s t a t ed e t e c t i o n ；i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g ； f a u l td i a g n o s i s 4 砖 山东大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 状态监测和故障诊断技术的发展概况 在工业发展史中，检修策略归纳起来经历了三个阶段：事故检修、预防性 定期维修、状态检修。状态检修是一种以设备状态为基础，以预测设备状态 发展趋势为依据的检修方式，是根据设备所处的状态来决定维修时间的维修方 法一1 。它根据对设备日常检查，定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提 供的信息，经过分析处理，判断设备的健康和性能劣化状况及其发展趋势，并 在设备故障发生前及性能降低到不允许的极限前有计划地安排检修，克服了传 统的事后维修、预防性计划检修检修不足、检修过剩和盲目维修的缺陷1 。设 备的故障诊断是设备状态检修技术的核心部分之一。设备的诊断是根据设备状 态监测得到的设备运行中的参数，采用正确的分析处理方法，结合设备的历史 状态信息，弄清设备的客观状态，进而获取设备性能发展的趋势。设备诊断是 状态监测和状态检修的桥梁，没有设备的故障诊断，状态检修也无法实现”p 1 。 据报道，实施状态检修可使电力系统中每年用于设备检修的费用降低2 5 5 0 ，故障停电时间减少7 5 ，对电力系统可靠性贡献极大p 1 。 设备故障诊断技术始于上世纪5 0 6 0 年代，随着计算机技术、传感器技术、 信息技术的飞速发展，加之企业对设备进行状态检修的呼声越来越高，该领域 取得了长足发展，已形成为一门新兴的学科，称为“技术诊断学”( t e c h n i c a l d i a g n o s t i c s ) 或“工程诊断学”( e n g i n e e r i n gd i a g n o s t i c s ) 1 7 , 8 。 我国从上世纪5 0 年代开始，几十年来一直根据电力设备预防性试验规程的 规定，对电力设备进行定期的停电试验、检修和维护。定期试验不能及时发现 设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些缺 陷反映也不够灵敏。 随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，保证电力设备的安全运行 越来越重要，停电事故给生产和生活带来的影响及损失也越来越大。因此迫切 需要对电力设备运行状态进行实时或定时的在线监测和实时的故障诊断，及时 反映设备的劣化程度，以便采取预防措施，避免停电事故发生。 进入上世纪8 0 年代以来，电力设备在线监测技术发展很快。随着电子技术 山东大学工程硕士学位论文 的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术等的发展和向各 领域的渗透，系统监控技术中广泛应用了这些先进的科研成果，在线监测技术 逐步走向实用化阶段。与预防性试验相比，在线监测系统采用更高灵敏度的传 感器以采集运行中设备的各种信息，信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件 支持的计算机网络，不仅可以把某些预试项目实时化而且还可以引进一些新的 更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，促 进电力设备由定期试验向状态检修过渡的进程。随着状态监测和诊断系统在可 靠性、智能化和经济性方面的进一步提高，状态监测和故障诊断技术将在电力 系统中获得广泛应用阶n 1 。 状态监测利用了整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特征，开发应用 一些具有特殊用途的设备，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展 的趋势，状态监测和故障诊断系统一般来说包括以下四个部分【1 2 1 ： ( 1 ) 传感器。它用于把物理量转换为电信号，传感器的选择取决于监控方 法和设备故障机理的有关知识。通常选用的传感器应适于在线测量。 ( 2 ) 数据获取。数据获取单元用于对来自传感器的信号进行放大和预处理， 例如：实现数模转换和传感器误差修正。 ( 3 ) 故障检测。故障检测的主要目的是弄清机器内是否有潜在故障出现， 以便给出报警信号并作进一步的分析。 ( 4 ) 故障诊断。对检测到的异常信号需要进一步处理以给出明确的维护指 示。过去故障诊断通常由专家或离线分析来完成，目前倾向于由计算机在线自 动实施。 1 2 红外热像技术的基本原理及在电力设备中的应用 随着科学技术的发展，尤其是19 6 8 年b a r n e s 提出“诊断热图术( d i a g n o s t i c t h e r m o g r a p h y ) 的可行性以后1 1 3 1 ，红外检测诊断技术日臻完善，它是一种简便、 快捷的设备在线检测技术，具有直观、准确、灵敏度高、快速、安全及应用范 围广等优点，是及早发现设备外部股热故障和内部绝缘故障的重要手段，对电 气设备早期故障缺陷能做出可靠性预测，使传统电气设备由预防性试验维修提 高到状态检修1 1 4 。红外诊断技术能很好的解决设备热故障检测问题，它可以在 不停电的情况下，定时或连续地对设备进行带电在线检测，不破坏设备在运行 6 山东大学工程硕士学位论文 中的真实温度分布状态，可获得探测目标的二位温度分布热像图，便于与设备 邻近部位或不同相间进行对比诊断，温度分辨率及空间分辨率高，图像清晰， 能可靠地诊断出设备中的细微热状态变化。基于红外热像技术的电力设备状态 检测技术，是综合红外技术、传热学、电机学、设备故障诊断技术于一体的方 法。由于现代红外技术不断成熟和日臻完善，利用红外检测的远距离、不接触， 准确、实时、快速等特点发展起来的电力设备状态检测技术，备受国内外电力 行业的重视而得到迅速发展。发展较成熟的红外热像仪，还配备有辅助的计算 机图像处理系统，可对采集的设备热状态图像进行各种计算、分析和处理，提 高诊断可靠性，并建立设备运行状态管理数据库【1 5 1 。基于上述优点，红外热像 仪是目前电力系统状态检修领域一种行之有效的检测手段。 1 2 1 红外热像诊断技术的基本原理 红外诊断技术是利用红外物理的理论和研究成果，根据设备诊断工作的具 体需要，把红外辐射特性的分析应用于设备状态诊断的一个综合应用工程技术。 因此，红外诊断技术是红外技术的一个组成部分，同时又是设备状态诊断的一 个重要的手段0 。 物体的绝对温度只要大于零，就会发射出人眼看不见的红外辐射能量，而 且物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。红外热像仪就是检测设备运行 中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号，再经过专门的电信号处理系 统处理，就可以以图像的形式显示运行设备表面的温度分布及其包含的设备运 行状态信息。根据不同设备的不同性质、不同部位和不同故障程度，在设备 表面产生的不同的温升值及不同的空间分布特征，分析处理红外热像仪检测到 的上述设备运行状态信息，就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性、具体 位置和严重程度作出定量的判定。 1 2 2 红外热像技术的主要内容及技术特点 红外热像技术利用红外辐射原理，通过测取目标物体表面的红外辐射能， 将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热图像( 灰度图或彩色图) ，形象 而直观地描绘出设备表面的温度分布场，快速、准确地普查运行设备，并诊断 出设备的热状态异常部位。红外热像技术的应用研究美国最为活跃，其次是瑞 7 山东大学工程硕士学位论文 典、英国和日本等国家1 8 1 。红外热像仪是二十世纪六十年代早期美国德克萨兰 仪器公司在红外前视系统的基础上增加了测温功能而研制成功的。美国是目前 红外热像技术最为先进的国家，绝大多数的红外热像仪器供应商也集中在美国 【1 9 1 红外热像技术近几十年的主要研究内容是： ( 1 ) 热像显示装置的研制与应用。 ( 2 ) 设备热状态精密诊断：使用成套的精密红外热成像系统对设备的热状 态参数进行采集、分析、处理和贮存，并在专家系统的配合下，更直接地做出 结论。 ( 3 ) 光导纤维材料的应用：通过预置的光纤，可以更加精确设备内部温度， 获得设备内部温度三维分布，为定量性诊断打下坚实的基础。 红外热像技术与其它诊断技术及常规测温相比，具有如下优点： ( 1 ) 操作安全。由于进行红外诊断时不需要与设备直接接触，所以操作十 分安全。这一优点在带电设备、转动设备、高空设备的诊断中表现大为突出。 ( 2 ) 不停运、不取样、不解体。做到了省时、省力，降低设备维修费用， 大大提高了设备的运行有效度。 ( 3 ) 可实现大面积快速扫描成像，状态显示快捷、灵敏、形象、直观。检 测效率高，劳动强度低。 ( 4 ) 红外诊断适用面广，效益、投资比高。 ( 5 ) 易于进行计算机分析，促进向智能化方向发展。 1 2 3 红外热像技术在电气设备状态监测中的发展状况 电力设备和其它任何设备一样，都具有一定的温度( 即高于绝对零度) ，处 于一定的热状态中。设备在运行中处于何种热状态，直接反映了设备工作是否 正常。正常运行的电力设备，由于电流、电压的作用，将产生发热。这种发热， 主要包括电流效应引起的发热( 其反映在载流电力设备中) 和电压效应引起的 发热( 其常反映电力设备内部损耗的变化) 。当电力设备发生缺陷或故障时，在 缺陷部位的温升将发生明显的变化。这些温度或热状态的变化为红外热像技术 在电力设备中的应用提供了充分的特征参数。 国外应用红外检测技术始于上世纪六十年代，七十年代开始把热像仪装在 面包车或者直升机上对变电站设备或高压输电线路接头故障作巡回检测，随着 8 山东大学工程硕士学位论文 红外探测仪器，尤其是红外热像仪的日趋完善，逐步形成了专门的红外诊断技 术，并分别制定出相应的技术规范和红外诊断故障判定标准，现在已在世界各 发达国家普遍推广，并取得了良好的经济效益。在美国有文章进行过这样的比 较，即在红外测温系统及检测上的投资与每年节约的检修和故障损失费用之比 为l ：2 7 2 们。 1 9 9 0 年，在国际大电网会议上充分肯定了红外热像诊断技术在检测电力设 备故障方面的应用。红外技术将在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先 进的预知性状态检修体制转变中发挥重要的作用”。 我国研究开发电力设备红外诊断技术开始于上世纪七十年代初，利用国内 研制的红外测温仪测量高压输电线接头温度的试验研究工作，开创了我国红外 技术的应用。从八十年代中期开始，随着性能优良可靠的红外诊断仪器的发展 及主管部门的重视，通过一些电力科研单位的大量室内模拟试验和现场试验， 取得了不少实践经验。不仅在现场试验中发现了一大批设备故障隐患，经及时 嚣 抢修，杜绝了一些恶性突发事故的发生，收到了良好的经济效益和社会效益， 而且也从中积累了很多实践经验，逐步形成了故障的评判标准。1 9 9 9 年，电力 工业部颁布了d l t6 6 4 1 9 9 9 带电设备红外诊断技术导则，该导则指导设备 管理人员和现场工作人员应用红外诊断技术对带电设备的表面温度场进行检测 和诊断，发现设备的缺陷和异常情况，为设备检修提供了依据，极大地推动了 红外诊断技术在基层电力部门的应用。此标准已于2 0 0 8 年6 月重新修订，并由国 家发展和改革委员会发布，即( ( d l t6 6 4 2 0 0 8 带电设备红外诊断应用规范。 1 3 本文的主要工作 本文主要介绍了红外诊断技术在电气设备状态检测中的应用。文章对状态 监测和故障诊断技术的发展、电力设备温度红外探测的基本理论及目前采用的 一些温度监测技术进行了综述。根据红外辐射测温的基本理论，介绍了一些基 本概念，以及红外物理的一些基本定律。通过研究红外热像仪的发展、组成、 工作原理及其主要性能参数，详尽分析了影响红外检测准确性的因素，并针对 具体影响因素提出了减小误差的方法及注意事项。结合红外诊断技术在电气设 备故障诊断中广泛应用的现状，研究了电气设备的发热源、电气设备故障的发 展与演变、红外故障诊断常用的诊断方法和判断依据，对红外热像技术对电气 9 山东大学工程硕士学位论文 设备外部、内部故障的诊断进行了介绍，详细论述了电气设备内部导电体连接 或联结不良、绝缘介质不良以及一些非常规性的特殊故障属性与对应的红外热 像图的特征关系，并提供有各类电气设备红外缺陷典型图谱。本文的研究工作 对于电力部门使用红外热像技术进行电气设备状态检测具有一定的借鉴意义。 1 0 山东大学工程硕士学位论文 2 电气设备故障信息的红外诊断技术呤2 1 2 1 电气设备红外检测的基本理论 变电站中电力设备的许多故障模式都以设备热状态异常表现出来，而红外 检测的基本原理就是通过探测被检测设备的红外辐射信号，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，做出设备是否处于健康状态的判 别。为了理解电力设备检测的基本原理，本节将深入探讨红外检测的基本原理。 2 1 1 红外辐射和热1 6 ，2 3 1 红外线是波长在o 7 5 1 0 0 0 z , n 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红 外( o 7 5 - - 3 0 朋) 、中红外( 3 0 - - 6 0 o n ) 、远红外( 6 0 1 5 0p m ) 、极远红外 ( 15 o l0 0 0p m ) 四类。红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射， 它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并 不停地辐射出红外能量。红外辐射的能量可以用物体表面的温度来度量，物体 的分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，物体的表面温度愈高；反之， 辐射的能量愈小，温度就愈低。 温度是反映物体冷热程度的物理量，温度的数值是通过温标来表示的，物 体的冷热程度才能准确客观地表示出来。常用来衡量物体温度变化的有华氏温 标、摄氏温标和热力温标，红外检测中一般采用摄氏温标和热力温标两种表示 方法。摄氏温标的单位用表示，是国际单位制单位，也是我国的法定温度计 量单位。热力学温标是国际单位制单位，也是研究红外辐射和测温技术中最常 用的温度单位。 红外检测技术因其非接触和高效率的特点，在电力设备故障检测中广泛应 用，但是非接触的特点使其存在测温精度不够高的可能。此外，红外检测中测 量的温度一般指物体某一部分的平均温度。从工程应用的角度出发，在电气设 备红外检测技术中提出温升、温差、相对温差的概念【2 4 1 。 温升 即同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之 差。 c = l 一气2 ( 2 - 1 ) 山东大学工程硕士学位论文 式中，z 一一温升( k ) ； 气。一一被测物的表面温度( ) ； 气：一一环境温度参照体的温度( ) 。 温差 即同一检测仪器测得的不同被测物或同一被测物的不同部位之间的温度 差。 瓦= f 1 一t 2 ( 2 - 2 ) 式中，贮一一温差( k ) ； 厶一一高温点( ) ； ，一一低温点( ) 。 相对温差 即两个对应测点的温差与其中较热点的温升之比的百分数。 6 。：三凸1 0 0 ：( r , - r o ) - ( 正- t o ) 1 0 0 ：兰l 二! 1 0 0 ( 2 3 ) 。 f l五一r o互一r o 式中，f 。和五一一发热点的温升( k ) 和温度( k ) ； f ：和互一一正常相对应点的温升( k ) 和温度( k ) ； 最一一相对温差； 瓦一一环境参照体的温度。 相对温差很大程度上只反映回路电阻、泄漏电流和介质损耗等设备参数的 内在关系，排除了负荷电流、风速、环境温度、相对湿度、测量距离和发射率 选择等相同因素的影响。在电流大小相同的情况下，利用相对温差值的变化， 一般情况下能明显反映被测物体电阻值的变化，方便对设备发热状态的判断 1 2 5 1 。 2 1 2 红外辐射的基本规律n 6 2 3 加1 现代红外检测技术是以红外物理学、红外光电子技术、信号与信息处理技 术、数字图像处理技术及计算机应用技术为基础发展而来的一门新兴的综合性 技术。由于实际物体的情况较为复杂，所以在红外辐射技术的研究和应用中， 设定了一种具有最大辐射功率的物体模型一一黑体。所谓黑体，简单讲就是在 任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都为1 的物体。尽管它只是人们抽象 出来的一种理想化物体模型，但是黑体热辐射的基本规律却是红外科学领域中 1 2 山东大学工程硕士学位论文 许多理论研究和技术应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波 长变化的定量关系，可以概括为四个基本规律： 辐射的光谱分布规律一一普朗克黑体辐射定律 一个绝对温度为r ( 后) 的黑体，单位表面积在波长a 附近单位波长间隔内向 整个半球空间发射的辐射功率( 简称光谱辐射度) m 肋( a ，t ) ，与波长a 、温度r 满足下列关系： 耻等赤钉，5 【e x p ( c ：似) - 1 】q ( 2 - 4 ) 式中，c 一一真空中的光速，c = 3 1 0 8 m s ； 办一一普朗克常数，h = 6 6 2 5 6 1 0 。3 4 w s 2 ； 七一一玻尔兹曼常数，k = 1 3 8 0 5 4 1 0 。2 3 w - s k ； c l 一一第一辐射常数，g = 2 7 r h c 2 = 3 7 4 1 5 1 0 8 w m z m 4 ； c 一一第二辐射常数，c = h c k = 1 4 3 8 7 9 1 0 4 t i n k 。 式( 2 - 4 ) 就是黑体普朗克辐射定律，它给出了黑体在温度t ( k ) 时的辐射光 谱分布特征。如果以不同的温度值代入式( 2 - 4 ) ，可计算出黑体在不同温度下 的发射辐射的光谱分布曲线如图2 1 所示。 喜 兰 喜 盔 蕖 图2 1不同温度下的黑体光谱辐射度 从图中曲线可以看出黑体辐射具有以下几个特征：在任何温度下，黑体 的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；随着温度的 升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐 射中的短波长辐射所占比例增加；随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高， 即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 l 二l 山东大学工程硕士学位论文 辐射光谱的移动规律一一维恩位移定律 为了确定与黑体光谱辐射度极大值相对应的波长九( 俗称峰值辐射波长) 随温度的变化关系，可把( a ，丁) 对波长允求微商，并令其等于零，解方程式 则可得到： 丸t = 2 8 9 7 8 p m k ( 2 - 5 ) 该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长丸随其绝对温度丁成反比移 动。 辐射功率随温度的变化规律一一斯蒂芬一玻尔兹曼定律 该定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射 功率( 丁) ( 简称全辐射度) 随其温度的变化规律。该定律的数学表达式可由 式( 2 - 4 ) 对波长积分得到： m h ( t ) = m ( 妒) 觑= 。? f 分【e x p ( c c 2 l a z 丽= 吾邑n 蚪4 ( 2 - 6 ) 式中，仃= 5 6 6 9 7 1 0 8 渺( m 2 k 4 ) 称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数。 该定律表明，凡是温度高于开氏零度( 2 7 3 16 c ) 的物体，都会自发地向 外发射红外热辐射，且黑体单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次 方成正比。 辐射的空间分布规律一一朗伯余弦定律 所谓朗伯余弦定律就是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，数学表述如下： 厶= 厶c o s 0 ( 2 - 7 ) 式中，厶一一在与辐射表面法线夹角为9 方向上的辐射强度； 厶一一在辐射表面法线方向( 0 = 0 ) 的辐射强度。 这个结果表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强，因此实际做红外检 测时应尽可能选择在被测电力设备表面法线方向进行。 2 1 3 实际物体的红外辐射规律 从前面的讨论可以看出，黑体的辐射光谱和强弱，只与温度及波长有关， 与构成黑体的材料无关。然而实际物体( 如电力设备) 则有所不同。理论和实 验均可证明，所有实际物体发射或吸收辐射的量值都低于在相同条件下的黑体 的相应辐射量值。并且实际物体的辐射量除依赖于温度和波长外，还与构成该 1 4 山东大学工程硕士学位论文 物体的材料性质及表面状态等因素有关。引入一个随材料性质及表面状态变化 的辐射系数，则可把黑体辐射的四个基本定律应用于实际物体。这里所说的辐 射系数称为发射率，又称为比辐射率或辐射率，实验证明发射率与波长和温度 相关，所以可以表示为( 旯，) 。根据这个定义可把式( 2 - 4 ) 表示成如下形式： m ( a ，丁) = ( a ，t ) m z b ( r ) = e ( z ) c , z - 5 e x p ( c ：a 丁) 一q - 1 ( 2 8 ) m ( 丁) = 6 ( r ) m b ( r ) = ( r ) 仃t 4 ( 2 - 9 ) 式中，m ( x ，t ) 和m ( 丁) 一一为实际物体在t ( k ) 温度下的光谱辐射度和全辐 射度； s ( a ，丁) 和( 丁) 一一为该物体在丁( 七) 时的光谱发射率和全发射率。 2 1 4 红外探测原理 红外辐射的探测是将被测设备的辐射能转换为可测量的形式，如对被测设 备的热效应进行热电转换来测量设备红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电 效应产生的电性质的变化来测量红外辐射的强弱，这样就把红外辐射的信号功 率转换成便于直接处理的电信号，进一步放大处理后，以数字或二维热图像的 形式，显示设备表面的温度值或温度场分布。在设备热状态信息的红外探测过 程中，代表设备热状态的红外辐射功率信号转换成电信号的功能是由红外探测 器完成的。红外探测器主要包括热探测器和光子探测器。热探测器有温差热电 偶与热电堆、热敏电阻测辐射热计和热释电探测器；光子探测器有光电导探测 器和光伏探测器1 1 6 , 2 3 , 2 6 。 2 2 红外检测常用的基本仪器 电力设备检测中常用的基本仪器包括红外辐射测温仪、红外热像仪和红外 热电视等，本节将简要介绍前两种红外检测仪器的基本工作原理和信息采集方 法等知识1 2 3 , 2 6 1 。 2 2 1 红外辐射测温仪 红外辐射测温仪简称红外测温仪，是一种非成像型的红外温度检测仪器， 它只能测量设备表面上某点周围确定面积的平均温度，因此俗称红外点温仪。 在不要求精确测量设备表面二维温度分布的情况下，与其它仪器相比，具有结 1 5 山东大学工程硕士学位论文 构简单、价格便宜、使用方便等优点。 红外测温仪的基本原理是以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关 系而制成的仪器。其工作时，被测目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通 过红外滤光片进入探测器，探测器将辐射能转换为电能的信号，经放大器放大、 电子电路处理，最终由显示器显示出被测物体的表面温度。图2 2 所示的是一 个具有目视瞄准系统的测温仪，它有一个4 5 0 的反射分光镜，可见光投射到分 划板，分划板上刻有一圆环，其面积等于光阑孔面积，分划板后有一套目视透 镜组，可供使用者确定被测物体的瞄准情况和目标是否充满小环。 i 龋l 懈一转换卜 扣 央 巾孙母0 i 处 放久器l i 理 a dh器 一参置黑体 li 图2 2红外辐射测温仪基本原理 红外测温仪的基本结构包括光学系统、红外探测器、电信号放大及处理系 统、结果显示系统和其它附属部分( 包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结 构) 等几个主要功能部分。其中光学系统的首要功能是搜集被测目标发射的红 外辐射能量，并且把它会聚在红外探测器的光敏面上，它的第二种功能是限定 测温仪视场，遮挡非被测目标的辐射入射到探测器上。红外探测器完成把接收 到的目标红外辐射能量转换成输出电信号的功能。电信号放大及处理系统主要 完成放大探测器输出的微弱电信号、抑制非目标辐射的干扰噪声和系统噪声等 功能。显示系统的功能在于显示目标温度的测量结果。根据测温要求可分为单 波段中低温测温仪( 8 1 2 彬) 、高温测温仪( 2 2 5 朋) 和高温比色测温仪。 目前，许多测温仪都具有目视瞄准系统或激光瞄准系统，为使用者更准确地测 量目标的温度提供了简便而有利的手段。 2 2 2 红外热像仪 红外热像仪不仅能用于非接