（高电压与绝缘技术专业论文）基于红外测温技术的设备缺陷诊断方法研究.pdf

， 一 ， k 7 声明户口明 i i i fl l ri rlfl l i iir lriji 17 8 6 0 2 8 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于红外测温技术的设备缺陷诊断方 法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 挝垩 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：挞翌 日 期：丝丝：! ：! 导师签名： 日期： 、 i ， t ， ， 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 红外诊断技术是目前电力行业一种广泛开展的检测设备故障的手段，它对 故障点情况的显示形象、直观、具有较高的准确性，而且检测时不需要停电， 不需要取样，不需要改变设备的运行参数，就能准确测温并判别设备工况或判 断缺陷的部位和性质，保障设备的安全运行。但红外诊断在图谱分析上技术要 求严格，难度较大，笔者根据实际工作中总结的经验，通过a s p 技术建立新的 红外测温图库，采集实测的大量图片，按照故障类别总结出典型范例，加以分 析，为今后设备的故障定性判断提供参考，从而提高故障诊断的准确性与效率。 关键词：红外诊断，红外图谱，a s p 技术，典型范例 a br t r a c t i n f r a r e d d i a g n o s t i c si s c a r r i e do u ti nt h ep o w e ri n d u s t r yf lb r o a dm e a n so f d e t e c t i n ge q u i p m e n tf a i l u r e ，i t sp o i n to ff a i l u r es i t u a t i o nd i s p l a yi m a g e ，i n t u i t i v e ， h i g ha c c u r a c y ，a n dp o w e rf a i l u r ed e t e c t i o ni sn o tr e q u i r e d ，n os a m p l i n g ，n oc h a n g i n g o f e q u i p m e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，w e c a n a c c u r a t e l y d e t e r m i n ee q u i p m e n t t e m p e r a t u r ea n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so r d e f e c t i v et h el o c a t i o na n dn a t u r eo ft h e s e c u r i t yo p e r a t i o n t o p r o t e c te q u i p m e n t h o w e v e r ，t h ea n a l y s i s o fi n f r a r e d d i a g n o s t i ct e c h n i q u e si nt h em a po fd e m a n d i n g ，d i f f i c u l t ，t h ea u t h o rs u m m e du p a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r ke x p e r i e n c e ，t h r o u g ht h ea s pt e c h n o l o g yt oe s t a b l i s ha n e wg a l l e r yo fi n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，c o l l e c tal a r g en u m b e ro fi m a g e s m e a s u r e d ，a c c o r d i n gt os u m m a r i z eat y p i c a le x a m p l eo ft h ef a u l tt y p e ，b ea n a l y z e d f o rf u t u r ee q u i p m e n tf a i l u r e st op r o v i d er e f e r e n c eq u a l i t a t i v ej u d g m e n t s ，t h e r e b y e n h a n c i n gt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ff a u l td i a g n o s i s l i nj i n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n i q u e ) d i r e c t e db ya s s p r o f z h a n gz h o n g y u a n k e yw o r d s ：i n f r a r e dd i a g n o s t i c s ，i rs p e c t r a ，a s pt e c h n o l o g y ，t y p i c a le x a m p l e - 中 英 第 第 2 2 2 按照电气设备发热缺陷产生原因分类1 l 2 3小结1 2 第三章常规红外诊断方法1 3 3 1 红外诊断常规方法13 3 1 1 表面温度判断法1 3 3 1 2 相间( 横向) 互比判别法1 3 3 1 3 同相( 纵向) 比较判别法1 4 3 1 4 档案分析法1 4 3 1 5 热像特征( 特征图谱) 判别法1 5 3 1 6 辅助判别法15 3 2 小结1 6 第四章电气设备缺陷红外图谱分析1 7 4 1电气设备套管类缺陷1 7 4 1 1变压器套管缺陷17 4 1 2 其他电气设备套管缺陷1 9 4 2 电气设备本体缺陷2 0 4 2 1 断路器内部缺陷2 0 4 2 2 阻波器内部缺陷2 2 4 2 3 电流互感器内部缺陷2 2 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 2 4 电气设备连接部位缺陷2 3 4 2 5 电气二次设备缺陷：2 6 4 2 6 电抗器内部缺陷2 7 4 2 7刀闸缺陷2 7 4 2 8 母线连接部位缺陷2 9 4 2 9电力电缆故障3 0 4 2 1 0 导线故障31 4 3 小结3 2 第五章影响其诊断准确性的主要因素及对策3 3 5 1电气设备缺陷红外诊断技巧3 3 5 1 1电气设备外部连接部位缺陷红外诊断技巧3 3 5 1 2电气设备内部缺陷红外诊断技巧3 4 5 1 3电气二次设备红外诊断技巧3 5 5 2 提升红外诊断准确性应考虑的外界影响因素及对策3 5 5 2 1目标设备发射率的影响与对策3 5 5 2 2 运行状态的影响与对策3 6 5 2 3太阳和背景辐射的影响与对策3 8 5 2 4环境温度的影响与对策3 8 5 2 5气象条件的影响与对策3 9 5 2 6大气衰减的影响与对策4 0 5 2 7距离的影响与对策4 1 5 3 红外诊断的软件补偿4 l 5 4小结4 2 第六章结论4 3 参考文献4 4 致谓j 4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 i i 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1课题的研究意义 第一章引言 众所周知，电力生产与供应的最大特点是过程的连续性。也就是说，从电能的 生产、输送、分配到使用，整个过程都是在瞬间完成和连续进行的。其中任何一个 环节上的任何设备一旦出了问题，都会直接或间接地影响到整个系统的正常安全运 行，甚至会带来巨大的经济损失或生命财产损失。尤其随着现代电力工业不断向着 大机组、大容量和高电压的方向迅速发展，运行条件更加苛刻，故障率和事故率逐 渐增加，排除故障所需要的时间越来越长，故障造成的经济损失越来越大。为了保 障发电和输变电系统的安全、经济运行，国内外电力行业普遍对电气设备运行的可 靠性，提出了越来越高的要求哺1 钉。 红外诊断技术是一种先进的检测手段，对运行中电气设备热故障进行红外检测 是电力系统各单位近几年大力推广应用的一种新技术。由于红外检测是设备运行状 态的在线监测，不影响设备的正常运行，与传统的预防试验相比，它具有无需设备 停电、不接触、不解体、远距离、可大面积快速扫描成像，安全可靠、准确高效地 发现电气设备热缺陷的优点，在一定程度上弥补了常规电气试验方法的不足，是实 现带电检测，进而实现状态检修的最有效手段之一。红外成像诊断给出的设备故障 显示不仅形象、直观，而且它具有较高的准确性。在1 9 9 0 年国际大电网会议( c i g r e ) 上，使得电气设备运行状态的红外监测与电气设备缺陷或故障红外诊断得到了足够 的重视和肯定哺1 6 。 红外监测诊断设备故障有利于实现电气设备的状态管理和状态维修体制的过 渡，是设备在运行中的真实技术状态，是通过每一台设备在运行中温度场分布信息 给出整体或局部的运行状态的一种真实反映。电力系统中的运行设备在不同的运行 条件和状态下，都相对具有不同程度的发热，这种发热现象称之为设备的热状态， 而热状态可分为正常和异常两种。设备的正常状态是运行设备的固有特性，不存在 对设备安全运行的威胁，而设备热状态的异常则是因设备本身存在着缺陷或故障所 引起，因此，电力运行设备的热状态是反映设备健康状况的一个重要的方面。充分 利用红外热像仪对运行设备的热状态进行观察和分析，便可有利于判断设备是否存 在缺陷，并准确查找出缺陷的部位。 随着电力设备供电可靠性的要求越来越高，对红外检测工作的准确性也提出了 更高的要求。这要求检测人员不仅要掌握检测仪器的使用与排除故障的方法，了解 运行设备的结构、功能、工作原理和运行状态，各种电气设备故障起因和发展演变 华北电力大学工程硕士学位论文 过程，还要掌握一些提高红外诊断准确性的方法，从而提高设备故障检出率与诊断 的准确性，避免因误判断而盲目检修、浪费人力物力。 1 2国内外研究现状 国外应用红外技术电气设备监测及故障分析始于6 0 年代中期，7 0 年代开始把 热像仪装在面包车或直升机上对变电站设备或高压输电线路连接件故障做生产性 巡回检测，并分别制订出相应的技术规范或红外诊断故障判定标准。红外检测技术 己在发达国家普遍使用。1 9 9 0 年国际大电网会议( c i g i e ) 充分肯定了电力设备故 障红外诊断技术，并指出该技术在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先进的 预知性状态维修体制发展中将发挥重要作用。 下面简要介绍一下国外关于红外诊断研究的状况： 1 ) 美国 在工业上长期得到运用的红外热成像技术现已在制造业以外有了越来越多的 用武之地。美国红外诊断服务公司遍布全国，对各行业的设备进行故障诊断，节能 检测，无损探伤，核电站安全检测及建筑物的保温、检漏等工作，其应用起步是始 自电气设备诊断。 马里兰州的巴尔的摩煤气电力公司使用一套车载的红外检测系统，监视马里兰公用 事业公司约4 0 0 0 0 英里供电线路和1 7 5 个变电站，其用户超过一百多万家。该公司采用 红外检测技术，允许厂家进行在线检测，由于能及早发现隐患，及时采取相应措施，每 年可为用户节省约1 5 万小时停机时间。热象巡检每年要递交4 0 0 到5 0 0 份报告，包括 要求修理和深入调查两种情况。 2 ) 意大利 意大利米兰区自引入红外热像检测后，每两年对主要变电站检测一次所有的元 部件，使过热部件的数量呈显著下降趋势。如从1 9 7 0 ，- - 1 9 7 5 年共检2 3 7 0 0 0 个，其 中有2 5 0 0 个比正常温度高3 0 c 或3 0 c 以上，约占1 的设备在故障状态下；1 9 7 5 一- - 1 9 7 8 年间，该故障已下降为0 5 。 3 ) 比利时 比利时首都设红外检测总部，下设6 个地方部门，检测内容包括各个方面，但 8 0 的工作量在电气设备方面。其最主要的目标之一就是减少运行费用。他们认为 一天热像检测可替代两周的维修量。h r 型红外热象仪由于其优越的功能，可作非接 触式检测，可以快速获得直观、精确、细节丰富的热分布图像。本机只耗用直流1 2 v ， 十分安全，也不像x 光、激光、微波机会辐射能量。红外热象仪只接收被测目标的 红外辐射能，而自身并不发出任何辐射能，所以对人身安全，对环境无污染和干扰。 在我国各行业中对这种仪器应用还不十分多，许多可以采用的领域尚未采用，或由 2 华北电力大学工程硕士学位论文 于对红外热象仪功能和应用不十分了解，或者对国外产品的功能及质量等还不太了 解，红外热像仪包括图像处理系统本身价值有限，但利用它之后为各个工业领域以 及在医疗诊断中所创造的经济效益和社会效益是十分巨大的。 4 ) 其它国家 法国于1 9 7 6 年开始采用热像诊断，认为它是一个有效的故障诊断武器，成立 专门机构以保证工业生产的安全与经济，其主要的检测手段是红外测温；巴西在 1 9 7 9 年已有2 5 台热像仪用于变电设备的检测：委内瑞拉已将热像检测订为标准方 法；日本于1 9 6 8 年开始使用热象仪，包括电力设备在内，其各行各业应用红外技 术非常普遍；印度约在1 9 7 6 年开始应用热像检测；加拿大还将红外用于表面热耗 定量检测；科威特应用红外热像技术也很成功。 我国电力设备故障红外诊断的研究试验起步较晚，但是，近几年来发展很快。 大体上，国内电力设备故障红外诊断的发展可归纳为如下几个阶段： 1 ) 第一阶段 第一阶段( 1 9 8 6 年以前) 为调查研究、基础研究和可行性试验阶段。早在6 0 年 代前半期，国内一些电力研究院所就力图开展红外诊断研究，进行了广泛的调查研究工 作。但是，由于种种原因，花费近十年的时间也未取得明显进展。随着国内红外技术的 发展，7 0 年代中期，前东北电力技改局电网调度研究所和华东电管局电力中心试验所等 单位，一方面研制适用于电力设备故障监测的红外辐射测温仪，另一方面也着手进行了 电力设备热故障的检测试验。与此同时，原水电部西安热工研究所等单位，开始了光机 扫描式红外热像仪的研制和输电线路劣化绝缘子的红外监测试验研究，都取得了良好的 效果，及时发现和排除了不少事故隐患，有效地防止了一些重大事故的发生。高等院校 也进行了某些基础研究工作。但是，这个阶段的主要特点是：使用的检测仪器以红外辐射 测温仪为主，检测的对象以外部裸露的电气接头过热故障为主。典型的事例是1 9 7 5 年 谏泰跨越长江线路2 号导线突然断线坠江后，为弄清事故原因，在启用备用的4 号导线 代替2 号导线供电后，华东中试所使用红外测温仪进行带电测温，发现耐张塔l 号导线 五个绑扎结温度普遍偏高，尤其与2 号导线断线位置相应的第一绑扎结温度高达1 6 5 。c 。 通过进一步测量环形线夹、阻尼线和导线的温度分布，发现阻尼线温度高于导线温度。 实测还发现阻尼线上通过的电流比通过导线的电流大2 5 倍左右。因导线、阻尼线和前 后两个绑扎结形成闭合回路，在交变电磁场作用下在回路中产生环流，改变了阻尼线和 导线之间的分流状况，使大部分电流经绑扎结流入阻尼线。而绑扎结接触不良，又流入 较大电流，致使绑扎结温度很高，降低导线机械强度，并使导线首先在第一绑扎结处产 生塑性变形，最后导致导线拉断坠江。这样，不仅通过检测l 号导线温度分布找到了2 号导线断线坠江事故的原因，而且，通过改进绑扎结，还防止了1 号导线重演类似以上 的事故9 1 0 】。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 第二阶段 第二阶段( 1 9 8 7 - - - 1 9 9 1 ) 为航测试验阶段。这个阶段的特点是：为改善电力设备 故障红外诊断的技术装备条件，首先在几个电力中试所开始引进国外较先进的红外 热像仪：主要检测对象除仍以电气设备外部裸露接头热故障为主以外，着重对高压 输电线路导线连接件及劣化线路绝缘子进行直升飞机红外航测试验研究，并取得了 不少成功的经验。除此以外，对高压电气设备内部故障的监测也做了一些工作。国 内专业红外科研单位，积极进行光机扫描红外热像仪和红外热电视的研制，并有多 种样机通过有关部门的鉴定。 3 ) 第三阶段 第三阶段( 1 9 9 2 - - - 1 9 9 5 ) 为生产性试验阶段。这个阶段的特点是：第一，除专业 电力科研单位以外，有些生产单位( 供电局) ，看到了红外诊断的技术潜力，开始购 置仪器进行现场生产性检测试验。第二，电力工业部西安热工研究院和一些省电力 中试所，把以往只对电气设备外部裸露接头故障诊断的研究，扩展到对各类高压电 气设备内部故障诊断的研究。通过理论分析、模拟试验和大量现场监测结果的统计 分析，搞清了各类电气设备内部故障的红外热像特征，为在生产实践中推广红外诊 断技术奠定了可靠的基础。第三，在检测手段上，更多地购置了先进的红外热像仪， 并且，国产红外热电视也开始试用，并在基层单位取得了一席之地。 4 ) 第四阶段 第四阶段( 1 9 9 6 年开始) 主应用、推广和建立诊断标准阶段。这个阶段的重要特 点是得到各级领导的重视，行业主管部门开始以行政手段推广应用红外诊断技术， 各网省局普遍投资购置红外诊断仪器，并着手制订电力设备故障红外诊断的行业标 准一带电设备红外诊断技术应用导则，力图规范高压电气设备故障红外诊断中 的监测方法与故障判据n 。 必须清醒地看到，红外诊断技术在我国电力行业的发展虽然取得了可喜的进 步，在实践中获得了明显的技术经济效益，提高了设备可靠性，降低了故障率和重 大事故发生率。便是，如果从设备诊断工程学的高度来评价当今的电力设备故障红 外诊断技术水平，应该说还是处在经验层次的初级阶段。因此，为了促进红外诊断 新技术在电力行业的迅速推广、应用和健康发展，除了要进一步拓宽应用领域和扩 大适用范围的研究以外，更应该在提高诊断技术水平上做更多的工作。为此，今后 还应该在以下几个方向上开展更多、更扎实的研究工作。 1 ) 诊断标准化的研究。由于电力设备运行状态和故障红外在线监测结果将受到 运行工况( 如负荷率) 、检测条件( 如检测距离、方位、环境温度、温度、风力、风向 和背景辐射等环境条件因素) 的严重影响，因此，如果不把在任意条件下检测的结果 4 华北电力大学工程硕士学位论文 进行标准化处理，那么，对于检测的某种设备故障，将会得到不同的诊断结论。尽 管某些先进的红外热像仪都增设了测试距离和大气衰减等修正功能，但其修正的可 靠性和精确程度往往是有限的。因此，为保障诊断结果的科学性和唯一性，应该研 究红外监测结果的标准化处理方法。只有这样，才能可能真正做到诊断标准化和结 果的唯一化。 2 ) 诊断数学的研究。诊断数学是研究诊断信息的选择、采集、处理和判断的数 学原理与方法。要想把电力设备故障的红外诊断以及故障判定方法从现在的经验层 次提高到理论层次的水平，必须针对电力设备故障红外诊断的具体特点，认真研究 故障信息的数学处理方法。 3 ) 诊断智能化研究。为了克服目前电力设备故障红外诊断中对故障判定的人为 性和经验性影响，应该深入开展红外诊断中的模式识别等逻辑诊断方法的研究，以 便实现故障判别的人工智能化。虽然已经有人研制了“高压电气设备故障红外成像 诊断专家系统软件 ，但是，作为该软件设计基础的还仅仅是已知设备故障的典型 红外图谱，而且其数据文件尚未进行标准化处理。因此，以此为前提的推理和结论， 仍然摆脱不掉诊断的人为性和经验性，因此这方面的研究工作应进一步深入开展。 目前红外热像仪在电力系统的检测范围主要包括以下方面： 1 ) 变压器的红外检测 2 ) 电抗器的红外检测 3 ) 避雷器的红外检测 4 ) 电容器的红外检测 5 ) 断路器的红外检测 6 ) 发电机的红外检测 7 ) 绝缘子串和互感器的红外检测 8 ) 电力电缆和电线的红外检测 1 3 本文研究工作 红外诊断技术是目前电力行业一种广泛开展的检测设备故障的手段，它对故障 点情况的显示形象、直观、具有较高的准确性，而且检测时不需要停电，不需要取 样，不需要改变设备的运行参数，就能准确测温并判别设备工况或判断缺陷的部位 和性质。 本文的主要工作有：利用红外诊断技术进行图谱分析，对电气设备进行检测。但是 红外诊断在图谱分析上技术要求严格，难度较大，本文根据实际工作中总结的经验，通 过a s p 技术建立新的红外测温图库，采集实测的大量图片，按照故障类别总结出典型 华北电力大学工程硕士学位论文 范例，加以分析，为今后设备的故障定性判断提供参考，从而提高故障诊断的准确性与 效率。 2 1电力设 电力设备 发展，绝大多数都与发热升温紧密相连。对于电力没备到处可见的导线和连接件， 电力设备的很多裸露工作部件，由于在成年累月的运行中，受环境温度变化、污秽、 有害气体腐蚀、风雨雪雾等自然力的作用，再加上设计、施工不当等因素，均会造 成设备老化、损坏和接触不良，必将导致损耗增大、漏电流增大和接触电阻的增大 等，从而引起相应的局部发热而温度超常升高，若未能及时发现这些隐患，其结果 会因恶性循环而引发连接点熔焊、导线断裂、甚至设备爆炸起火等事故。 般物体内的导热过程可以由导热微分方程描述，求解导热问题实际上可归结 为求解上述方程在定解条件下的解。这种求解可以分为两大类，其中一类是已知物 体的形状、热物性参数、初始条件和边界条件( 即定解条件) ，欲求物体内部及边界 上的温度分布和变化规律，这就是通常的导热正问题。这类问题研究的目的在于取 得设备内部不同缺陷下表面温度分布特征或红外热像特征及其变化规律，为确定物 体内部缺陷的红外诊断提供参考依据。另一类则是利用实验测得的设备边界上的温 度及其变化，通过求解导热微分方程获得物体内部边界( 包括边界条件) 或内热源位 置及强度等，这类问题称为导热反问题。导热反问题的目的在于通过设备缺陷信息 并利用某些己知量来确定出内部缺陷具体位置、形状及几何尺寸。 红外热诊断则是把红外诊断与导热反问题结合起来对设备内部缺陷进行定量 诊断的一门科学。它以红外探测为实验基础，以导热反问题为理论基础，红外热像仪 采集到的物体表面数据，为导热反问题的求解提供了强制性的附加边界条件，通过 反问题计算就可实现对设备内部缺陷的红外热诊断。 2 1 1 红外辐射和热 红外线是波长在0 7 5 - - - - 1 0 0 0l am 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外 ( 0 7 5 3 0um ) 、中红外( 3 0 6 0pm ) 、远红外( 6 0 1 5 0i tm ) 、极远红外( 1 5 0 l0 0 0l jm ) 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 华北电力大学工程硕士学位论文 温标和热力温标，在本系统的实验中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n 朝。 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。 z = t k l t k 2 ( 2 一1 ) 式中z 一一温升( k ) ： t 。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= t l t 2 ( 2 - 2 ) 式中r 一一温差( k ) ； 一一高温点( ) ； f 2 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。 巧= 孚圳。= 型糟盟x 1 0 0 = 1糟i 川。 3 ， l 一o 一o o 式中f 和互一一发热点的温升( k ) 和温度( k ) ； f ，和正一一正常相对应点的温升( k ) 和温度( k ) ； 点相对温差： t o 一一环境参照体的温度。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 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。 2 1 2 红外辐射的基本定律 现代红外监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l 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： 1 ) 辐射的光谱分布规律普朗克黑体辐射定律 一个绝对温度为t ( k ) 的黑体，单位表面积在波长入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( 旯，丁) ，与波长兄、温度t 满足下 列关系： 肘舶( 允，丁) = c , x - 5 【e x p ( c 2 t t ) - i 叫 ( 2 4 ) 式中c 1 一一第一辐射常数，c i = 3 7 4 1 5 x 1 0 8 w 聊_ 2 u m 4 ； c 一一第二辐射常数，c = 1 4 3 8 7 9 1 0 4 , u m 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。从中可以得出黑体辐射具有几个特征：1 ) 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；2 ) 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；3 ) 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。 2 ) 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屯( 俗称峰值辐射波长) 随温 度的变化关系，可把m 肋( 旯，丁) 对波长旯求微商，并令其等于零，解方程式则可得到： 九t = 2 8 9 7 8 z m k ( 2 - 5 ) 9 华北电力大学工程硕士学位论文 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t 成反比移动。 3 ) 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m 。( 丁) ( 简称全辐射度) 随其温度的变化规律。该定律的数学表述形式为： m 6 ( 丁) = 盯t 4 ( 2 6 ) 式中盯= 5 6 6 9 7 x 1 0 8 w ( m 2 k 4 ) 称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，从该式可以看出黑体单 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。 4 ) 辐射的空间分布规律朗伯余弦定律 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： i 丹= i o c o s0 ( 2 7 ) 式中，p 一一在与辐射表面法线夹角为方向0 上的辐射强度； j o 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，所以可以表示为占( 旯，丁) 。 根据这个定义可把式( 2 一1 ) 表示成如下形式： m ( 丁) = 占( 旯，t ) m 肋( r ) = 6 ( 2 ) c t a , 。 e x p ( c 2 旯t ) - i _ ( 2 - 8 ) m ( t ) = e ( t ) m b ( r ) = e ( t ) a t 4 ( 2 - 9 ) 式中，m 。( 丁) 和m ( r ) 一一为实际物体在t ( k ) 温度下的光谱辐射度和全辐射度； 占( a ，t ) 和占( 丁) 一为该物体在t ( k ) 时的光谱发射率和全发射率。 1 0 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阳j 副。 2 2电气设备发热缺陷类型及特点 掌握设备在正常运行状态下的发热规律及其表面温度场的分布和温升状况，以 此为根据( 此时的设备热像可称为“基础热像”) ，结合设备结构及传导热能的途径， 进一步分析各种设备缺陷及故障状态的热场及温升，再参考其他检测结果，就能较 好地判断设备有无内部或外部故障。电气设备的某些部位，运行中存在各种致热效 应，正常时这类致热效应并不影响设备的安全运行，在某些因素变化时，致热效应 的异常会造成缺陷。在带电设备红外诊断技术中，需要对电气设备发热缺陷进行分 类并归纳其发热特点。 2 2 1 按照电气设备发热缺陷的位置分类 外部缺陷：凡致热效应部位裸露，以局部过热的状态向其周围辐射红外线，如 各种裸露接头的热故障，其红外热图像显示出以该故障为中心的热场图，故从设备 的热图像中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布场可准确地确定故障的部 位，并能用红外点温仪直接检测出的缺陷。 内部缺陷：凡致热效应部位被封闭，与故障点接触的固体、液体和气体，都将 发生传导和对换热，其发热过程一般都比较长，且为稳定发热，要通过红外成像， 对设备表面的温度场进行比较分析才能确定的缺陷。 2 2 2 按照电气设备发热缺陷产生原因分类 电流致热效应型缺陷：电气设备和输电线路的裸露电气接头，包括许多高压电 气设备的内部导流回路，因连接不良，接触电阻增大而产生的缺陷，均属电流致热 效应缺陷。通常将由传导电流在电阻上产生的发热的设备，称之为电流致热型设备。 这种发热由电阻的有功损耗而引起。外部缺陷主要是电流致热型设备产生的缺陷。 电压致热效应型缺陷：许多高压电气设备的内部绝缘由于密封不良，进水受潮， 或者因绝缘介质老化，介质损耗增大，都会导致电气绝缘性能下降，甚至会出现局 华北电力大学工程硕士学位论文 部放电或击穿，这种缺陷是电介质( 材料) 的有功损耗而形成，这类缺陷的发热功 率与运行电压的平方成正比，而与电流大小无关，因而称为电压致热效应型缺陷。 其它致热效应型缺陷： 1 ) 具有磁回路的高压电气设备，由于设计不合理或运行不正常而造成漏磁， 或者由于铁芯质量不佳或片间局部绝缘破损，引起短路环流和铁损增大，可分别导 致铁制箱体涡流发热或铁芯局部过热。 2 ) 有些高压电气设备虽然其内部故障本身并不会产生过热，但是，由于出现 故障后或改变其正常运行时的电压分布或泄漏电流，因而在设备外表面产生异常的 特征性热场分布。 3 ) 许多油浸高压电气设备( 如油断路器、变压器套管等) ，会因漏油而造成缺 油或假油位。由于油面上下介质热物性参数差异较大，在设备外表可产生与油位对 应的明显温度梯度。 2 3 小- 结 1 ) 介绍了自然界普遍存在的红外线的基本特性。 2 ) 介绍了黑体四大辐射基本规律，通过辐射系数占的引入，使得黑体辐射的四 个基本定律普遍适用于实际物体，由此构建了红外诊断技术的理论基础。 3 ) 根据电气设备发热缺陷进行分类，分别介绍了其特征。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章常规红外诊断方法 3 1红外诊断常规方法 明白了缺陷分类及特点，通过提高红外诊断的准确性，就可以及时发现缺陷， 将其消灭于初始阶段，从而保证安全生产。众所周知，在交流高压电气长期工作 时发热( g b 7 6 3 9 0 ) 中，为判别电器零件工作状态是否正常，只以最高允许温度 和允许温升作为判断标准。但因温度的检测受到诸多因素影响。所以单凭g b 7 6 3 9 0 进行判断难免引起误判。 对电力设备缺陷状态的准确判断并进行故障处理是我们应用红外诊断技术的 根本目的，把正常的设备判断为不正常，或把有缺陷的设备判定为正常，都将给电 力安全生产造成不必要的损失。因此，要不断提高准确判断力，除了加强基本能力 和技术经验的提高外，必须掌握对设备诊断综合分析的基本方法和结果处理。 在电气设备的红外诊断中，根据不同的气象条件，环境温度，负荷电流，发热 部位等对现场测温可能造成的影响，应进行对比分析，采取不同的推导方法并进行 综合分析判断。为了提高判断的准确性，在与上述标准不冲突的情况下，应采用如 下分析比较判别方法。目前判断的方法大致分以下六种： 3 1 1 表面温度判断法 根据测得的设备表面温度值，对照g b 7 6 3 的有关规定，凡温度( 温升) 超过标准 者可根据设备温度超标的程度、设备负荷率大小、设备的重要性以及设备承受机械 应力的大小来确定设备缺陷的性质，对在小负荷率下温升超标或承受机械应力较大 的设备要从严定性。从而对变压器等主设备在环境参照体和正常相的选择上更要注 意。 3 1 2相间( 横向) 互比判别法 相间( 或横向) 互比判别法也叫做同类比较法，它是指在同类设备之间进行比 较，所谓“同类 设备的含义是指同一同路的同型设备和同一设备的三相，即它们 的工况、环境温度及背景热干忧相同可比时的同型设备，通常也称做“相间比较 和“横向比较”。具体作法就是对同类设备的对应部位温度值进行比较，可以比较 容易地判断出设备是否正常。对于三相运行的变压器，在正常状态下，作用于每一 相的相电压或通过三相电路与导线的电流大致相同。故障发热往往是局部的，而三 相设备相同部位同时出现相同故障的概率很小( 正因为此，这种方法有一些不足) ， 所以，诊断时可对三相相同部位温升进行横向比较判断。 这种方法能较好地判别各种设备内部、外部热故障。如检测各种充油设备内部 发热，充油设备通过油介质的对流、热传导，与其相连接的导体外壳发热温度虽然 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 不会很高，但通过“纵向比较”和“横向比较”仍能较好地判别充油设备发热缺陷。 这种方法还能较好地判别各种电压型设备发热缺陷，电压型设备受潮发热时，由于 没有电流通过，温升并不高。如各种避雷器正常运行时，避雷器本体温升很小，其 热场分布均匀，同一相设备的温度相当均匀，温升一般呈现从上至下依次降低的规 律，但总的最大温差仪在2 k 范围内，相间的温差也很小，当避雷器内部存有缺陷 时，如元件老化、受潮或并联电阻断裂，则避雷器整体的热像将会出现异变，其热 场温度分布出现不均匀，温差增大，温升也显著增高，故障相的最低温度比正常相 的高，可能比正常相的最高温度还高。有局部过热或局部温度过低的反常现象。据 此，可判断设备存在缺陷，其缺陷严重的程度将与其温度分布不均匀度成正相关， 即温差越大的，其故障也严重，使用寿命也越短。 3 1 3同相( 纵向) 比较判别法 纵向比较法一方面是与原始数据及前次测试数据比较分析。进行实测温度比较 时，应换算到前后相同条件下的温度变化进行分析判断，以便进一步掌握缺陷的起 因，是属于应处理而未处理又发展的缺陷，抑或是新出现的缺陷。这种情况下，应 特别注意前后不同运行负荷对红外检测结果的影响。在实际负荷下测量的温度，应 按下式核算到额定荷载下的温升，或在同一负荷下进行比较分析。 正= ( 最互) 2 五 ( 3 - 1 ) 式中，正实际负荷测出的温度，五额定荷载下的温度，只实际负荷，只额定负 荷。另一方面是对同一设备的不同部位进行比较分析。同一设备在正常情况下外表 温度的分布是比较均匀和有规律的，当外表不同部位出现温差变化或异常，会反映 出内部缺陷、短路故障，绕组故障、磁路故障等，当整体温度升高，常常反映出受 潮缺陷，介损增大和线圈短路等。 在进行故障诊断时，对同一主变同一相不同部位的温度作比较，对判定故障属性和 定位往往是有益的。 3 1 4 档案分析法 档案分析法就是将测量结果与设备的红外技术档案相比较而进行分析。它更有 利于对重要的、结构复杂的设备进行正确判断。这种方法的基础是要为被诊断的设 备建立红外检测档案，在诊断设备有无异常时，可分析该设备在不同时期的红外检 测结果，包括温度、温升和温度场分布有无变化，掌握设备发热的变化趋势，同时 还应参考其他检测结果，如色谱及t g a 等的变化情况，进行综合判断。 如变压器内部结构十分复杂，传热途径多样，当其内部产生过热故障时，仅仅 依靠红外检测这种单一手段进行诊断，肯定是相当困难。但对于那些比较接近设备 外壳，或传热途径较为简单、直接的部位发生过热故障时，还是可以利用热像诊断， 华北电力大学工程硕士学位论文 通过结合油色谱的分析结果，有针对性地对变压器整体进行温度分布的检测。根据 热像检测结果可分部位分析，从上到下进行。先从套管及其引出线接头到升高座、 三相分接开关。箱体各个部位及散热器等，一一采用相间比较法和档案分析法进行 诊断。又如l o k v 高压柜内部各类触头、连接件，刚运行时难以直接进行红外成像检 测，但我们可以利用设备刚停电时进行红外成像检测，并对它们的红外档案进行对 比分析。 对于长期从事检测工作，积累了大量图片的情况下，对同一设备不同时期的图 谱进行比较，往往能够发现设备的早期故障，并可了解设备故障的演变过程。 3 1 5热像特征( 特征图谱) 判别