第五章_红外紫外及激光成像技术在在线检测中的应用

1、5 5 红外紫外及激光成像技术在在线红外紫外及激光成像技术在在线 检测中的应用检测中的应用 光谱的划分光谱的划分 红外线，又称为红外热辐射，也是一种光线，其红外线，又称为红外热辐射，也是一种光线，其 波长比可见光中红色光的还长（波长比可见光中红色光的还长（750nm750nm），超出了），超出了 人眼可以识别的范围（人眼可以识别的范围（ 18001800年）。年）。 紫外线：波长介于可见光短波极限与紫外线：波长介于可见光短波极限与X射线长波端射线长波端 之间的电磁波或电磁辐射（之间的电磁波或电磁辐射（1802年）。年）。 激光：利用光能、热能、电能、化学能或核能等激光：利用光能、热能、电能、化

2、学能或核能等 外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生 的一种特殊的光。的一种特殊的光。 应用红外、紫外和激光测温与成像技术，应用红外、紫外和激光测温与成像技术， 可以对处于运行状态的电气设备检测的故可以对处于运行状态的电气设备检测的故 障：障： 接触不良、缺油，受潮，松动、绝缘老化、电接触不良、缺油，受潮，松动、绝缘老化、电 晕、放电、晕、放电、SF6SF6气体泄漏等多种故障。气体泄漏等多种故障。 红外线成像的原理基础：红外线成像的原理基础：凡是温度高于开氏零度凡是温度高于开氏零度 ( (绝对零度：绝对零度：-273.15)-273.15)的物体都

3、会自发地向外发的物体都会自发地向外发 射红外热辐射，而且黑体单位表面积发射的总辐射射红外热辐射，而且黑体单位表面积发射的总辐射 功率与开氏温度的四次方成正比，温度只要有较小功率与开氏温度的四次方成正比，温度只要有较小 的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。 只要有温度存在，就有红外线摄影成像的可能。只要有温度存在，就有红外线摄影成像的可能。 第一节第一节 采用红外成像技术检测电力设备热故障采用红外成像技术检测电力设备热故障 红外线滤镜红外线滤镜(Infrared Filter)(Infrared Filter)：进行红外线摄：进行红外线摄 影和

4、成像时需要一个阻挡可见光及紫外线辐射，影和成像时需要一个阻挡可见光及紫外线辐射， 同时又可以透过红外线的特殊滤光镜。同时又可以透过红外线的特殊滤光镜。 作用：类似于带通滤波器，让所需要波长的红外作用：类似于带通滤波器，让所需要波长的红外 线通过，而将其它波长的光线阻断。线通过，而将其它波长的光线阻断。 红外线成像设备的构成红外线成像设备的构成 红外线滤镜红外线滤镜 感光器件感光器件 其它光学和成像系统其它光学和成像系统 通过红外线成像设备，就能通过红外线成像设备，就能 探测出物体表面所辐射的不探测出物体表面所辐射的不 为人眼所见的红外线，并描为人眼所见的红外线，并描 绘出温度场绘出温度场 手持

5、式红外线热像仪手持式红外线热像仪 红外成像诊断热故障的机理：红外成像诊断热故障的机理： 当带电设备有了热故障，其特点是过热点当带电设备有了热故障，其特点是过热点 为最高温度，形成一个特定的热场，并向为最高温度，形成一个特定的热场，并向 外辐射能量。外辐射能量。 红外成像技术的特点和优势：红外成像技术的特点和优势： 非接触式检测；非接触式检测； 在设备运行状态时进行测试；在设备运行状态时进行测试； 远距离、准确、实时、快速、简便、安全、远距离、准确、实时、快速、简便、安全、 可靠、直观。可靠、直观。 电力设备热故障分类与热成像检测的有效性电力设备热故障分类与热成像检测的有效性 电力设备热故障，可

6、分为两类：电力设备热故障，可分为两类： 接触热故障接触热故障（如导体连接件接触不良，电流流（如导体连接件接触不良，电流流 过时发热）过时发热） 设备外部：设备外部：各种裸露接头、压接管、压板和各种裸露接头、压接管、压板和 隔离断路器刀口等。隔离断路器刀口等。 设备内部：设备内部：设备内部导电回路接触不良、互设备内部导电回路接触不良、互 感器内部接头松动，变压器绕组和电机定子感器内部接头松动，变压器绕组和电机定子 线棒焊接处接触不良等。线棒焊接处接触不良等。 设备元件变质老化：设备元件变质老化： 如：阀性避雷器并联电阻劣化或损坏。如：阀性避雷器并联电阻劣化或损坏。 充油设备当油循环受阻、假油位等

7、，也可充油设备当油循环受阻、假油位等，也可 能引起热故障或冷故障。能引起热故障或冷故障。 如散热器上下阀门未打开，使整个变压如散热器上下阀门未打开，使整个变压 器温度上升；而有时个别未打开的散热器温度上升；而有时个别未打开的散热 器又出现温度低的冷故障，强油循环潜器又出现温度低的冷故障，强油循环潜 油泵损坏等。油泵损坏等。 检测热故障的传统方法检测热故障的传统方法 停电测量电阻值（如变压器和电机通过定期测量停电测量电阻值（如变压器和电机通过定期测量 绕组直流电阻来判断是否存在接头接触不良）。绕组直流电阻来判断是否存在接头接触不良）。 在易发热处贴示温片，根据示温片颜色改变，判在易发热处贴示温片

8、，根据示温片颜色改变，判 断是否过热。断是否过热。 设备带电时用绑有石蜡的绝缘杆，将石蜡和接头设备带电时用绑有石蜡的绝缘杆，将石蜡和接头 相接触，若石蜡熔化则判定为过热点。相接触，若石蜡熔化则判定为过热点。 对设备内部热点采用埋设测温电阻法。对设备内部热点采用埋设测温电阻法。 上述方法的局限性：上述方法的局限性： 难以准确量化并确定最高点温度。难以准确量化并确定最高点温度。 红外成像技术可检测的热故障红外成像技术可检测的热故障 电力设备内外导流回路热故障；电力设备内外导流回路热故障； 高压设备内部绝缘故障导致的热故障；高压设备内部绝缘故障导致的热故障； 变压器、互感器等内部充油设备缺油、油循环

9、不畅变压器、互感器等内部充油设备缺油、油循环不畅 等引起的热故障；等引起的热故障； 变压器铁芯损耗、涡流损耗增加等引起的热故障；变压器铁芯损耗、涡流损耗增加等引起的热故障； 电压分布异常和泄漏电流增大引起的热故障；电压分布异常和泄漏电流增大引起的热故障； 各种动作设备（如分接开关、断路器、潜油泵等）各种动作设备（如分接开关、断路器、潜油泵等） 由于磨损引起的热故障；由于磨损引起的热故障； 个别内部热故障还无能为力。个别内部热故障还无能为力。 红外成像技术在电力系统的具体应用红外成像技术在电力系统的具体应用 外部热故障检测和诊断标准外部热故障检测和诊断标准 各种裸露接头热故障各种裸露接头热故障

10、电力变压器外部热故障电力变压器外部热故障 绝缘子串热故障绝缘子串热故障 电机和其他电力设备热故障电机和其他电力设备热故障 各种裸露接头热故障检测方法和标准各种裸露接头热故障检测方法和标准 故障类型故障类型 热点位置热点位置 设备存设备存 在疑点在疑点 设备存在设备存在 热隐患热隐患 设备存在设备存在 热故障热故障 设备存在设备存在 严重热故严重热故 障障 设备存在设备存在 恶性热故恶性热故 障障 各种外部裸露接头、各种外部裸露接头、 将军帽将军帽 1015101515251525254025404040以上以上6060以上以上 隔离刀闸关节、套管隔离刀闸关节、套管 膨胀器膨胀器 1015101

11、515201520203520353535以上以上5555以上以上 刀闸刀口刀闸刀口1015101515201520203520353535以上以上5555以上以上 建议处理意见建议处理意见 查明原查明原 因后处因后处 理理 安排处理安排处理 必须必须 安排处理安排处理 马上停电马上停电 处理处理 一定停电一定停电 及时处理及时处理 2.电力变压器外部热故障检测及标准电力变压器外部热故障检测及标准 变压器内部热故障的诊断尚有难度：变压器内部热故障的诊断尚有难度： 强油循环使内部热故障的外在原始热场被破坏强油循环使内部热故障的外在原始热场被破坏 外表暴露的热故障，可以应用红外成像检测外表暴露的热

12、故障，可以应用红外成像检测 正常变压器的外壳热像图是沿水平线温度均匀正常变压器的外壳热像图是沿水平线温度均匀 分布的温度场：分布的温度场： 高中低套管的温度三相基本平衡高中低套管的温度三相基本平衡 潜油泵不应该有特殊的过热点潜油泵不应该有特殊的过热点 箱体螺栓的温差不应该过大箱体螺栓的温差不应该过大 故障状态下，热像图会发生相应的变化故障状态下，热像图会发生相应的变化 箱体同一水平线的最高和最低温度差不应该大于箱体同一水平线的最高和最低温度差不应该大于1010 各螺栓中最高的温度点与平均温度之差不应大于各螺栓中最高的温度点与平均温度之差不应大于1515 平均温度与环境温度之差不应大于平均温度与

13、环境温度之差不应大于5555 潜油泵温度与本台变压器其他运行的潜油泵平均温度潜油泵温度与本台变压器其他运行的潜油泵平均温度 之差不应大于之差不应大于3030 变压器套管将军帽温度对环境温度的温升不应大于变压器套管将军帽温度对环境温度的温升不应大于 7070，且三相平衡，且三相平衡 散热器闸门未打开、油枕假油位、潜油泵反转等故障散热器闸门未打开、油枕假油位、潜油泵反转等故障 的热像图也会出现反常的热像图也会出现反常 变压器外部热故障的经验诊断标准：变压器外部热故障的经验诊断标准： 变压器套管发热故障的红外热像图变压器套管发热故障的红外热像图 变压器箱体大盖螺栓发热的红外热像图变压器箱体大盖螺栓发

14、热的红外热像图 WHY? 3.绝缘子串红外成像热故障检测和诊断绝缘子串红外成像热故障检测和诊断 劣质和零值绝缘子是最为常见的故障类型劣质和零值绝缘子是最为常见的故障类型 根据整个绝缘子串的温度场图像判断根据整个绝缘子串的温度场图像判断 良好绝缘子串瓷瓶钢帽上的温度分布与其电压良好绝缘子串瓷瓶钢帽上的温度分布与其电压 分布相对应，呈不对称马鞍型分布相对应，呈不对称马鞍型 存在劣质绝缘子的绝缘子串红外热像图存在劣质绝缘子的绝缘子串红外热像图 电缆终端接头出现裂纹的红外热像图电缆终端接头出现裂纹的红外热像图 断路器触头接触不良故障的热像图断路器触头接触不良故障的热像图 2.2.电流互感器内部热点检测

15、和判断标准电流互感器内部热点检测和判断标准 损耗由铜耗、铁耗和接头电阻损耗组成损耗由铜耗、铁耗和接头电阻损耗组成, ,由顶帽以热由顶帽以热 量的形式散去量的形式散去 采用横向和纵向相互比较的方法采用横向和纵向相互比较的方法 故障判据：故障判据： 三相互差在三相互差在2020以上，温度高者内部有严重热故障以上，温度高者内部有严重热故障 温差在温差在1515以上，应停电试验检查以上，应停电试验检查 相差相差1010以上，应加强监测以上，应加强监测 对环境的温升也不能大于对环境的温升也不能大于7070 （二）内部热故障红外成像检测和诊断标准（二）内部热故障红外成像检测和诊断标准 电流互感器内部局部放

16、电和绝缘老化故障的红外热电流互感器内部局部放电和绝缘老化故障的红外热 像图像图 28.1 32.7 29 30 31 32 AR01 AR02 LI01 LI02 3.3.电机定子绕组接头红外检测和诊断标准电机定子绕组接头红外检测和诊断标准 检测时间：检测时间： 运行中检测运行中检测 大负荷停机或短路试验停机后进行大负荷停机或短路试验停机后进行 诊断标准：诊断标准： 对包绝缘的接头，若其表面温度高于平均值对包绝缘的接头，若其表面温度高于平均值 1515以上，不合格以上，不合格 未包绝缘者，若接头温度超过平均值未包绝缘者，若接头温度超过平均值7 7以上，以上， 则应处理则应处理 （二）内部热故障

17、红外成像检测和诊断标准（二）内部热故障红外成像检测和诊断标准 发电机定子线圈局部过热故障红外热像图发电机定子线圈局部过热故障红外热像图 避雷器内部故障的的红外热像图避雷器内部故障的的红外热像图 （三）红外成像检测的注意事项（三）红外成像检测的注意事项 防止太阳照射与背景辐射影响防止太阳照射与背景辐射影响 阴天、日出前或日落后、最好在晚上阴天、日出前或日落后、最好在晚上 防止环境温度的影响防止环境温度的影响 避开夏冬季，选择春、秋季避开夏冬季，选择春、秋季 防止气象条件的影响防止气象条件的影响 选择无雾、无雨、无风、云天气进行选择无雾、无雨、无风、云天气进行 （三）红外成像检测的注意事项（三）红

18、外成像检测的注意事项 防止大气中物质的影响防止大气中物质的影响 大气中的水汽、大气中的水汽、COCO、CH4CH4和悬浮微粒，造成和悬浮微粒，造成 红外线衰减红外线衰减 应选择较干燥的时间，且湿度不超过应选择较干燥的时间，且湿度不超过85%85% 检测距离尽量缩短检测距离尽量缩短 防止发射率的影响防止发射率的影响 防止电力设备运行状态的影响防止电力设备运行状态的影响 采用紫外成像技术检测电力设备放电故障采用紫外成像技术检测电力设备放电故障 太阳盲区与紫外成像原理太阳盲区与紫外成像原理 太阳盲区：太阳盲区：紫外线紫外线(UV)(UV)波段内一狭窄的、特定的光波段内一狭窄的、特定的光 谱段谱段(2

19、40280nm)(240280nm)。在此光谱段内，由太阳辐射到。在此光谱段内，由太阳辐射到 达地面的紫外线份量极低，绝大部分被臭氧层吸收达地面的紫外线份量极低，绝大部分被臭氧层吸收 电气设备发生放电时产生的紫外线：波长处于太阳电气设备发生放电时产生的紫外线：波长处于太阳 盲区内。盲区内。 紫外线成像仪的工作原理紫外线成像仪的工作原理 紫紫 外外 光光 紫外图象信号紫外图象信号 UV滤片滤片 紫外线探测紫外线探测 器器 紫外成像技术的具体应用紫外成像技术的具体应用 检测检测不受日光干扰不受日光干扰 成像仪具有方便、实用、灵活、多变的图像记成像仪具有方便、实用、灵活、多变的图像记 录和显示功能，

20、并能适应各种检测环境录和显示功能，并能适应各种检测环境 污染高压输电线污染高压输电线上上发生电晕的紫外图象发生电晕的紫外图象 绝缘子串发生电晕时的紫外图象绝缘子串发生电晕时的紫外图象 合成绝缘子干闪的紫外图象合成绝缘子干闪的紫外图象 合成绝缘子湿闪的紫外图象合成绝缘子湿闪的紫外图象 合成绝缘子污闪的紫外图象合成绝缘子污闪的紫外图象 SFSF6 6气体检漏的激光成像原理气体检漏的激光成像原理 SFSF6 6气体具有极强的红外吸收特性，产生泄漏时，气体具有极强的红外吸收特性，产生泄漏时， 造成反向散射激光产生差异，最终引起激光成像出造成反向散射激光产生差异，最终引起激光成像出 现不同，由此可以发现

21、有无现不同，由此可以发现有无SFSF6 6气体泄漏气体泄漏 激光成像技术在激光成像技术在SF6 6气体泄漏检测中的应用气体泄漏检测中的应用 激光成像技术检测激光成像技术检测SF6气体泄漏的特点气体泄漏的特点 设备带电运行时就可进行实时检测设备带电运行时就可进行实时检测 非接触式、远距离检漏，最远距离可达非接触式、远距离检漏，最远距离可达15-30m15-30m 检漏精度高，可探测到检漏精度高，可探测到0.0020.002毫升毫升/ /秒的泄漏率，秒的泄漏率， 便于快速、准确地找出泄漏点便于快速、准确地找出泄漏点 SF6气体激光成像检漏示例气体激光成像检漏示例 SF6气体检漏激光成像系统气体检漏

22、激光成像系统 SF6断路器断路器检漏场景检漏场景 7 笼型异步电机故障的信息融合诊断方法笼型异步电机故障的信息融合诊断方法 7.1 笼型异步电机故障笼型异步电机故障 定子铁芯故障定子铁芯故障 铁芯短路、振动铁芯短路、振动 绕组绝缘故障绕组绝缘故障 老化、磨损、过热、受潮、污染、电晕老化、磨损、过热、受潮、污染、电晕 转子故障转子故障 转子气隙偏心、笼条断裂（断条）、端环开转子气隙偏心、笼条断裂（断条）、端环开 裂裂 常见故障常见故障 转子偏心、断条、端环开裂和绕组过热（匝间转子偏心、断条、端环开裂和绕组过热（匝间 短路）短路） 转子断条故障的特征频率转子断条故障的特征频率 v定子电流中出现边频分量：定子电流中出现边频分量： 式中，转差率式中，转差率s（n1-n）/n1100 电机磁场