第2章-红外热像检测技术Word格式文档下载.doc

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三、电网设备状态检测技术应用案例 33

四、红外热像检测发现35kV避雷器本体过热 35

内容概要

红外热成像是以设备的热分布状态为依据对设备运行状态良好与否进行诊断的技术，它具有不停运、不接触、远距离、快速、直观地对设备的热状态进行成像的优点。

由于电气设备的红外热像图是设备运行状态下热状态及其温度分布的真实描写，而电力设备在运行状态下的热分布正常与否是判断设备状态良好与否的一个重要特征，因而，采用红外成像技术可以通过对设备热像图的分析来高效诊断设备的运行状态及其存在的隐患缺陷。

本章第一节介绍了红外线的发现及发展经过，并把目前最普遍的红外热成像技术应用现状做了描述。

第二节讲述了红外线的基本知识；

红外热成像技术的基本原理；

输变电电网设备发热机理及故障类型。

第三节对各种类型输变电设备红外热像检测的要求；

现场红外热像仪使用方法技巧；

分析诊断方法及标准做了详细说明。

最后，第四节收集了4个比较有代表性的电气设备红外检测诊断的案例供大家参考借鉴。

第一节红外热像检测技术概述

一、红外检测技术的发展历程

1800年英国的天文学家Mr.WilliamHerschel用水银温度计在红光外侧发现一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。

Mr.WilliamHerschel在1830年提出了辐射热电偶探测器，1840年根据物体不同的温度分布，制定了温度谱图。

红外技术最初应用于军事，20世纪60年代初,世界上第一台用于工业检测领域的红外热成像仪（THV651）诞生（AGA），尽管体积庞大而笨重，但很快作为一种检测工具在各种应用中找到了它的位置，特别是在电力维修保养中体现了它的重要价值，与当时的瑞典国家电力公司合作，首次用于电力设备检测。

红外技术的高级发展应用是红外自动目标识别技术，系统通过与可见光组成的多功能传感器，配用多功能目标捕捉处理器，以及信息处理技术，对目标实现高速、自动、可靠地探测、识别、测距、定位、跟踪及故障判别。

红外热像检测技术是随着红外探测器的发展而发展的。

红外探测器经历了光机扫描探测器、焦平面制冷式探测器和焦平面非制冷式探测器。

在21世纪初，我国建成红外热成像技术民用产品生产基地，引进国外的焦平面非制冷式探测器，推进红外技术在国内的组装生产和推广应用，现阶段焦平面非制冷式探测器是电力设备检测最主流的应用方式。

二、红外检测技术应用情况

目前，在输变电设备红外检测应用中，依据载体的不同主要有以下四种方式：

（一）手持式、便携式红外热像仪

手持式、便携式红外热像仪在电力设备带电检测中已经广泛使用。

具有灵活、使用效率高、诊断实时的优点，是目前常规巡检普测和精确测温的主要使用方式。

（二）固定式、移动式连续监测在线式红外热像仪

在线式红外热像仪主要用于无人值守变电站、重点设备的连续监测，以红外热成像和可见光视频监控为主，智能辅助系统为铺，具有自动巡检、自动预警、远程控制、远程监视以及报警等功能。

在线式红外热像仪分固定式、移动式两种。

固定式为定点安装，可实现重点设备的长时间连续监测数据记录，运行状态变化预警，加装预置位云台后也可以做到比较大的安装区域设备覆盖。

移动式的优势是布点灵活，可监测设备覆盖全面，适合隐患设备的后期分析监测、缺陷设备检修前的运行监测。

图2-1连续监测在线式红外热像仪

（三）线路巡检车载式、机载吊舱式红外热像仪

车载红外监控系统主要应用于城市配网和沿路线路检测，可大幅提高人力巡检效率，快速便捷。

图2-2车载式、机载吊舱式红外热像仪

无人机巡检技术是近几年兴起的高科技巡检技术。

根据无人机载荷及大小可将无人机分为小型无人机、中型无人机、大型无人机。

小型无人机主要指旋翼型无人机，一般飞行时间约40分钟，载荷1-2公斤，有个别先进的小型无人机可飞行2小时，搭载小型红外热像仪可实现实时测温、拍照、录像、存储等基本巡检工作。

单次飞行可实现少量杆塔巡检工作。

中型无人机主要搭载6-8公斤吊舱完成巡检工作，配合出色的飞控可以实现超视距3-4公里范围内的线路巡检任务，可搭载高清相机和热像仪，可叠加地理信息坐标、定位杆塔、实时测温分析等。

大型无人机可搭载20公斤及以上吊舱设备完成数十公里范围的线路巡检工作，红外、紫外、可见光数据可以通过地面控制站实时传输，地面数据分析系统可系统化处理采集到的所有数据。

直升机巡检系统主要依靠30公斤左右的光电吊舱设备对超高压、特高压线路进行巡检，可记录红外、紫外、可见光等数据。

采集的数据通过地面数据处理系统实现系统化管理、专业分析、快速报告、各基地信息共享等。

（四）巡检机器人红外热像仪

变电站智能巡检系统是集机电一体化技术、多传感器融合技术、磁导航技术、机器人视觉技术、红外检测技术于一体的智能系统。

解决了人工巡检劳动强度大等问题。

通过对图像进行分析和判断，及时发现电力设备的缺陷、外观异常等问题，为各类变电站和换流站的巡检工作提供了一种创新型的技术检测手段，提高了电网的可靠稳定运行水平。

图2-3红外机器人

第二节红外热像检测技术基本原理

一、红外线的基本知识

（一）红外辐射的发射及其规律

红外辐射是指电磁波谱中比微波波长短、比可见光波长长（0.75μm<

λ<

1000μm）的电磁波。

图2－4　电磁辐射频谱图

自然界一切温度高于绝对零度（-273.16℃）的物体，都会不停地辐射出红外线，辐射出的红外线带有物体的温度特征信息。

这是红外技术探测物体温度高低和温度场分布的理论依据和客观基础。

物体红外辐射的基本规律普遍从一种简单的模型——黑体入手。

所谓黑体，就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体。

自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射（吸收率不等于1），所以，黑体只是一种理想化的物体模型。

但是黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外辐射随温度及波长而变化的定量关系。

红外辐射主要有以下四个定律。

1.辐射的光谱分布规律—普朗克辐射定律:

是描述温度、波长和辐射功率之间的关系,是所有定量计算红外辐射的基础。

一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度）Mλb（T）与波长λ、温度T满足下列关系：

Mλb（T）=C1λ-5[EXP（C2/λT）-1]-1

式中C1—第一辐射常数，C1=2πhc2=3.7415×

108w·

m-2·

um4

C2—第二辐射常数，C2=hc/k=1.43879×

104um·

k

2.维恩位移定理:

物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反比。

式中：

λ为峰值波长，单位μm;

T为物体的绝对温度，单位K

3.斯蒂芬—波尔兹曼定律:

是描述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Mb（T）随其温度的变化规律。

物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。

物体红外辐射的总功率对温度的关系。

Mb（T）=∫0∞Mλb（T）dλ=σT4

式中σ=π4C1/（15C24）=5.6697×

10-8w/（m2·

k4）

4.朗伯余弦定律:

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，即Iθ=I0COSθ。

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表面法线方向进行。

图2－5朗伯余弦定律示意图

（二）实际物体的红外辐射

实际的物体并不是黑体，它具有吸收、辐射、反射、穿透红外辐射的能力。

吸收为物体获得并保存来自外界的辐射；

辐射为物体自身发出的辐射；

反射为物体弹回来自外界的辐射；

透射为来自外界的辐射经过物体穿透出去。

但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即透射率τ=0。

所以对于实际测量来说，辐射率ε和反射率ρ满足：

ε+ρ=1

图2－6　实际物体的红外辐射

实际物体的辐射由两部分组成：

自身辐射和反射环境辐射。

光滑表面的反射率较高，容易受环境影响（反光）。

粗躁表面的辐射率较高。

（三）辐射率

物体的辐射能力表述为辐射率（Emissivity简写为ε）是描述物体辐射本领的参数。

物体自身辐射量取决于物体自身的温度以及它的表面辐射率。

温度一样的物体，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。

如图2-7茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比左边的高，用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热。

图2－7　可见光与红外图像

物体表面不同的材料、温度、表面光滑度、颜色等，其表面辐射率均不同。

在实际检测中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数。

尤其需要精确测量目标物体的真实温度时，必须了解物体的红外发射率（或称辐射率）ε的范围。

否则，测出的温度与物体的实际温度将有较大的误差。

一般来说，物体接收外界辐射的能力与物体辐射自身能量的能力相等。

一个物体吸收辐射的能力强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦然。

（四）红外线传播中的大气衰减

红外线在大气中传播受到大气中的多原子极性分子，例如二氧化碳、臭氧、水蒸气等物质分子的吸收而使辐射的能量衰减。

大气衰减与红外线波长密切相关，波长范围在（1～2.5μm），（3～5μm），（8～14μm）三个区域，大气吸收弱，红外线穿透能力强，是红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为“大气窗口”。

红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口”。

一般红外热像仪使用的波段为:

短波（3µ

m--5µ

m）;

长波（8µ

m--14µ

m）。

二、红外热像仪组成及基本原理

（一）红外热像仪组成及基本原理

电力设备运行状态的红外检测，实质就是对设备（目标）发射的红外辐射进行探测及显示处理的过程。

设备发射的红外辐射功率经过大气传输和衰减后，由检测仪器光学系统接收并聚焦在红外探测器上，并把目标的红外辐射信号功率转换成便于直接处理的电信号，经过放大处理，以数字或二维热图象的形式显示目标设备表面的温度值或温度场分布。

2-8红外探测原理示意图

（二）红外热像仪主要参数

1.温度分辨率

表示测温仪能够辨别被测目标最小温度变化的能力。

温度分辨率的客观参数是噪声等效温差（NETD）。

它是通过仪器的定量测量来计算出红外热像仪的温度分辨率，从而是排除了测量过程的主观因素。

它定义为当信号与噪声之比等于1时的目标与背景之间的温差。

2.空间分辨率

热像仪分辨物体空间几何形状细节的能力，它与所使用的红外探测器像元素面积大小、光学系统焦距、信号处理电路带宽等有关。

一般也可用探测器元张角（DAS）或瞬时视场表示。

此参数通常可近似计算得出：

空间分辨率＝（2π×

水平视场角度（°

））/（360°

×

水平像元数），单位为