红外热成像技术在电厂的应用

摘 要：电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业，红外热成像技术在电厂检测中应用广泛。依据红外热像测温和热像检测原理，讨论电力设备的发热原理、过热损耗的危害、故障的在线诊断方法以及影响热像测温的因素等。最后针对红外热像技术在电厂的应用进行讨论。

关键词：红外热像仪；热像测温；红外诊断；热像检测

中图分类号：TN216 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)06-181-03

Application of the Infrared Thermal Imaging Technology in the Power Plant

LI Yunhong LI Junhua2，LI Pei2

(1.School of Electronics and Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an，710048，China；2.Xi′an Power Supply Bureau，Xi′an，710032，China)

Abstract：Infrared imaging technology has been widely used in industrial inspection，especially for power plant in China nowadays.Based on the basic principles of infrared temperature measurement and thermal imaging test，this paper demonstratesthe principle of temperature raising，the damage of high heat wasting，and the factors affecting imaging temperature.Testing experiments on infrared thermal imaging technology in electric power factory are discussed finally.

Keywords：infrared thermal imaging；thermal imaging temperature measurement；infrared diagnosis；thermal image detection

1 引 言

红外检测技术是现代科学领域中的前沿学科，国外于20世纪60年代开始应用红外仪器测定与诊断电力设备的热缺陷。我国电力部门从20世纪80年代末开始引进红外热像仪，并相继开展理论方面的探讨与研究。目前诊断电气设备故障有以下几种比较判别方法^[1]：

绝对温度判别法；相对温差法；同类比较法；档案分析法；热像特征(热谱图)分析法。

1998年，内蒙古超高压供电局赵墨林等^[2]提出温差比诊断法，胡世征^[3]提出电气设备红外诊断的相对温差判别法及判断标准，并作为标准写入DL/T664-1999《带电设备红外诊断技术应用导则》。他们认为相对温差法可排除负荷电流、风速、环境温度、测量距离、发射率选择等因素的影响。但由于影响红外测温的因素较多，有些因素对相对温差的影响不能忽略。2007年，杨宝东等^[4]对电气设备红外诊断相对温差判别法的影响因素做了深入的分析研究，得出了环境温度对相对温差影响较小，设备表面发射率对相对温差有一定影响，在相同条件下，使用长波热像仪测温对相对温差影响较小的结论。电力行业是目前我国民用红外热像仪应用^[5-7]最多的行业，但仅限于广东、浙江、江苏、山东等沿海经济发达地区，而且目前这些发达地区的拥有量也仅为需求量的20%。作为最成熟、最有效的电力在线检测手段，红外热像仪可以大大提高供电设备运行的可靠性，大大降低设备的检修时间。因此，随着我国经济的发展，其他内陆省份的电力行业也将使用红外热像仪，这为红外热像仪行业的发展提供巨大的发展空间。本文在红外热像检测原理的基础上，讨论了电力设备的发热原理、过热损耗的危害、故障的在线诊断方法以及热像测温的影响因素等。最后针对红外热成像技术在电厂的应用进行讨论。

2 红外热像检测基本原理及热像测温影响因素

所有温度超过绝对零度的物体均对外发射红外辐射，物体的辐射出射度和物体发射率的比值M(T)ε等于同一温度下黑体的辐射出射度Mb(T)，与物体的性质无关。该比值表明，吸收本领大的物体其发射本领也大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。实际物体的辐射出射度除了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。当不考虑波长的影响，只研究物体在某一温度下的全发射率，则物体的发射率为：

ε(T)=M(T)Mb(T)(1)

斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为：

M(T)=ε(T)σT4(2)

可见物体发射率对设备状态的红外热像监测信息有影响。另外，物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸收率α，反射率β和透射率τ之和必然等于1，即α+β+τ=1。在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率：α(T)=ε(T)。定性地分析可知，影响被测物体发射率大小的因素包括：

(1) 不同材料性质的影响。不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异，因此他们的发射性能也不同。一般当温度低于300 K时，金属氧化物的发射率大于0.8。

(2) 表面状态的影响。任何物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。

因此这种不同的表面形态将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值。例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但对于金属材料，表面粗糙度将对发射率产生较大的影响。如当熟铁表面状况为毛面、温度300 K时，其发射率为0.94；当表面状况为抛光、温度为310 K时，发射率仅为0.28。除了表面粗糙度以外，一些人为因素如施加润滑油及其他沉积物都会明显地影响物体的发射率。因此，在检测时应该首先明确被测物体的发射率。对于电力设备，其发射率一般在0.85～0.95之间。

热像测温的影响主要是由被测物体发射率不同引起的，表1是几种常见物体的发射率(总的法向发射率)。

表1 常见物体的发射率

表2 同一温度水杯发射率不同测量结果不同

由上表可以看出被测物体发射率确定的准确与否关系到测量温度的准确性，发射率误差大，测量误差也大，所以，实际测量前正确确定被测物体发射率是减小测量误差的重要因素。

3 故障在线诊断方法

3.1 电气设备相对温差判断法

在电气设备正常运行时，因电流的热效应会引起设备局部温度升高，散发出热量。电气设备有规定地允许温升值，用热像仪对电气设备进行扫描诊断时，若发现有温度异常点，则应对该部位进行重点检测，并计算相对温差值，计算公式为：

δt=T1-T2T1-T0×100%(3)

式中：T1为发热点的温度；T2为正常相对应点的温度；T0为环境参照体温度；δt为相对温差值。

计算出相对温差值后，在发热点温升>10 K的条件下，按表3规定判断设备缺陷的性质。

表3 设备缺陷对应的δt值[STBZ]^[8]

3.2 同一设备三相比较法

同一电气设备三相所用金属材料是相同的，在一般情况下三相电流对称，如果三相上升的温度均衡，则设备正常；如果三相中的某一相或两相出现温度过高的现象，则认为温度高的相存在缺陷。

3.3 同一部件的温度比较

同一部件材料流过电流值都一样，整个部件的温升基本相同。如果产品由于材质上存在缺陷，如材料中杂质气泡与缺陷等使材料特性发生了变化，当电流流过时会产生不同的热量，表现出局部发热，如绝缘子串的局部发热、避雷器局部发热、导线电缆的局部发热等。

3.4 运行负荷比较法

设备运行时的升温和负荷有直接关系，若发现设备某部件或线路某一相的温度出现异常，应先考虑该设备运行的负荷。若当时负荷很大，而发热部件温度相对高些，属正常情况；反之，如果当时负荷很小，设备部件已发热，那么一旦负荷增加，发热部件的温度将会急剧增加，从而导致故障的发生。

3.5 热像特征(热谱图)分析法

利用红外热像仪对设备进行红外成像，将物体发出的红外辐射转变为可见光的热分布图像，从而获得设备的温度及热分布，即热像图。通过对设备表面温度分布的测量，可以分析设备内部热损耗部位和性质，从而判断该设备的健康状态。热点温度直观显示，热图像清晰，能储存和打印。

红外热成像仪具有定性成像与定量测量的双重功能，并有较高空间分辨率和温度分辨率，能够辨别很小的温差。实时热图像能够清晰显示在屏幕上，为建立热图像数据库提供条件，实现图像采集、储存、分析于一体的功能。

用红外热成像仪检测设备，属于远距离非接触式的扫描巡检，可以保证人身设备的安全。使用起来如同用摄像机录像，能够快速的对大面积的设备进行检测，能够准确、直观地发现与运行电压、电流有关的设备缺陷，还可对缺陷的性质、位置、程度做出定性、定量的判断。

4 电厂应用讨论

在红外热像仪未普及之前，对电力设备的测温非常简陋。最早是在绝缘棒顶端涂上一层蜡去接触被测设备的可能发热地点，通过观察蜡是否融化来判断该位置是否过热。现在的红外测温大都采用点测温仪，他与热像仪相比具有成本低、携带方便、传感器不需制冷等优点，但缺点也很明显，首先是只能测量一个点(局部区域)的温度，不能提供图像和足够的温度信息，而且难以对准被测点；其次是使用距离常受仪器视场的限制；再就是对环境温度起伏敏感。

红外热成像技术是一种先进的在线检测技术，可在设备不停电的情况下，检测设备的运行状况。通过对电气设备表面温度及其分布的测试、分析和判断，可以准确地发现电气设备运行中的异常和缺陷，从而使部分事故检修转为预见性检修，为电气设备的状态检修提供可靠的科学依据。

发电厂应用热像仪进行扫描的范围主要包括锅炉热保温部分、蒸汽管道、热风道、除尘器烟道、输煤皮带、阀门、电动机控制中心、电气控制盘、变压器、升压站设备、电路板、电缆接头等。红外热像仪作为一种新型设备，在电力系统有着广泛的应用，实践证明红外热像仪在检查电力设备的外部故障和内部故障时起着巨大的作用，具有非接触、非破坏、不解体、不停电等优点，是电力系统不可多得的现代化工具，为电力设备实现由计划检修向状态检修转变提供有力手段。

5 结 语

采用红外热像检测技术可预防电气设备的一些重大事故发生，及时发现故障点，把事故消灭在萌芽状态，使设备的定期检修、抢修变成状态检修；降低事故的发生率、减少了设备的维修时间，可以杜绝大量的事故隐患。从这个意义上讲为电气设备的安全运行、经济运行带来了巨大的社会效益和经济效益。由于红外热像仪检测的都是物体的表面温度，而电气设备内部的温度因结构复杂不能准确测出，所以红外检测必须与其他的测量技术和科学方法结合起来，才能更好地发挥他的作用。

参考文献

[1]程玉兰.红外诊断现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]赵墨林，张景生.温差比理论的确立及其在红外检测中的应用[J].中国电力，1998，31(5)：47-51.

[3]胡世征.电气设备红外诊断的相对温差判断法及判断标准[J].电网技术，1998，22(10)：47-50.

[4]杨宝东，杨立.电气设备红外诊断相对温差判别法影响因素分析[J].激光与红外，2007，37(4)：341-343.

[5]刘新业，常大定，欧阳伦多.红外热成像在电气设备维护中的应用[J].红外与激光工程，2002，31(3)：220-224.

[6]瞿子明.红外热成像技术在检测电力设备内部缺陷中的应用[J].上海电力，2005(2)：182-184.

[7]王海燕，吕致亮.红外热像仪在万家寨水电厂的应用[J].电力学报，2004，19(4)：366-379.

[8]方承军，张雅琴.红外线热成像仪在电机定子铁芯铁损试验中的测量误差分析[J].计量技术，2001(1)：17-19.

作者简介 李云红 女，1974年出生，满族，辽宁锦州人，哈尔滨工业大学博士研究生，西安工程大学讲师。主要从事红外热成像技术、红外热像仪的温度测量技术的研究工作。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。