应用红外热成像仪进行设备检测及故障分析

张振全 陈胜喜 赵伟超 王宝平

摘 要:热成像原理和使用方法,利用热成像仪发现的隐患、判断、分析及处理方法等内容。

关键词:红外线热成像仪变压器电动机配电装置

中图分类号:TM32 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0110-03

1红外热成像技术原理

用红外热成像技术,探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,我们称为红外热成像仪。人们眼能够感受到的可见光波长为:0.38mm～0.78mm。通常我们将比0.78mm长的电磁波,称为红外线。自然界中,一切物体都会辐射红外线,因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差,可以得到不同的红外图像,称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像是不同,它不是人眼所能看到的可见光图像,而是目标表面温度分布图像,或者说,红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布,变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。用红外热成像技术,探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,我们称为红外热成像仪。自然界所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体都会发出红外线,红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3mm～5mm和8mm～14mm的红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。我们利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的恶劣环境中,能够清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点,红外热成像技术可用在安全防范的夜间监视和森林防火监控系统中。红外热成像仪大致分为致冷型和非致冷型两大类。目前,世界最先进的红外热成像仪,其温度灵敏度可达0.03℃。

2红外热像仪应用范围

红外热像仪(热成像仪或红外热成像仪)的应用范围愈来愈广泛,在科研领域的主要应用包括:汽车研究发展－射出成型、模温控制、刹车盘、引擎活塞、电子电路设计、烤漆;电机、电子业－印制电路板热分布设计、产品可靠性测试、电子零组件温度测试、笔记本电脑散热测试、微小零组件测试;引擎燃烧试验风洞实验;目标物特征分析;复合材料检测;建筑物隔热、受潮检测;热传导研究;动植物生态研究;模具铸造温度测量;金属熔焊研究;地表/海洋热分布研究等。

红外热像仪可以十分快捷准确探测电气设备的不良接触,以及过热的机械部件,以免引起严重短路和火灾。对于所有可以直接看见的设备,红外热像仪能够确定所有连接点的热隐患。那些由于遮蔽而无法直接看到的部分,则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况,来发现隐患。这种情况对传统的方法来说,除解体检查和清洁接头外,没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试,红外热像仪是无法取代的。红外热像仪可以进行检查的部分设施:(1)电气装置:可发现接头松动或接触不良,不平衡负荷,过载,过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。(2)变压器:可以发现的隐患有接头松动,套管过热,接触不良(抽头变换器),过载,三相负载不平衡,冷却管堵塞不畅。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。(3)电动机、发电机:可以发现的隐患是轴承温度过高,不平衡负载,绕组短路或开路,碳刷、滑环和集流环发热,过载过热,冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起铁芯或绕组线圈的损坏;有毛病的碳刷可以损坏滑环和集流环,进而损坏绕组线圈。还可能引起驱动目标的损坏。(4)电气设备维修检查,屋顶查漏,节能检测,环保检查,安全防盗,森林防火,无损探伤,质量控制,医疗检查等也很有效益。(5)诊断人体疾病,运用经络学,在人脑的研究工作及在研究疾病治疗方法中的应用;特别是在诊断哮喘病,痹症,腰椎间盘突出症,运动病,恶性肿瘤等病症具有无放射性,一次多脏器全身扫描的非接触测量的优点，是综合确诊人体某种疾病的一种有用手段。(6)建筑物外墙的监测。通过表面温度可以为我们提供有关楼宇结构、管道系统、供暖通风及空调系统以及电气系统的许多信息。在透过红外镜头观察时,平日肉眼看不到的问题会突现眼前。使用红外热像仪,可以检测到空气泄漏、水分积累、管道堵塞、墙壁后面的结构特征以及过热的电气线路等,并对数据进行可视化记录归档。通过用这种工具对表面进行扫描,您可以快速发现通常代表潜在问题的温度变化,并以详细的图形报告的形式对数据进行记录。(7)红外热成像仪在自然环境方面的应用。监控自然环境,如山体滑坡、火山爆发。

3下面谈一谈热成像仪在承钢公司设备故障检测判断、分析上的应用

3.1 由事故引发的点检方式

(1)2010年6月25日上午11时12分12秒765毫秒,AV80风机变压器压力释放阀释放(见图3-1),计算机报“1#主变压力释放告警发生”(字幕未自动弹出),也无音响信号,值班员未能发现异常。14时16分12秒,变压器温度达到90℃,值班员听到计算机音响报警(字幕未自动弹出),检查事故报文发现“1#主变差动、本体重瓦斯动作(红色)”;“1#主变本体重瓦斯发生”;“1#主变本体差动预告总发生”。立即通知正在检修2#水泵断路器的值班长去变压器室检查,发现变压器压力释放阀动作喷油,随即热力工段组织带压倒风机将电动风机负荷倒入AV90风机运行,未影响高炉运行。(如图3-1)

事故原因:(1)由于变压器投入运行后油温随负荷和环境温度的增加而膨胀,值班员未按时点检,及时发现变压器温度升高趋势最高升至93℃,同时变压器油枕油位表不准(满油后在6的位置)。致使变压器油枕满油无膨胀空间,压力达到启动值(55KP)压力释放阀动作。(2)变压器风扇未能及时投入运行(风扇电源未送)。(3)计算机报文与综自保报文与实际不符,造成误判断。(4)油位表上、下限报警由于设计等原因未接线安装完成。(5)压力释放阀动作时,由于计算机设置问题未出现字幕自动弹出报警和音响报警信号,导致变压器喷油未能及时发现。

防范措施:岗位值班人员认真监视设备运行状况,及时抄表、按时点检,对新投入运行设备、负荷逐渐增加设备、雷雨大风天气等特殊时期进行特殊点检。

亡羊补牢,时犹未晚。此后,我们采用热成像仪对35台采用磁力油位计的主变油枕油位进行复测共发现3台主变油位计指示与实际位置不符(见图3-2),其中一台油位高,采取了放油措施避免喷油事故的发生。

由图红外照片和可见光照片对比清楚的看出实际油位与磁力油位计相差较大。

(2)2011年8月3日能源管控中心35MW发电机出线开关柜断路器C相下触头由于插入位置偏斜造成过热拉弧放电,至使部分绝缘套分解冒烟,烟雾涌进电缆室造成三相短路。事故发生后在制定防范措施时,认为采用在线测温技术可有效避免此类问题发生,在还未采用在线监测技术前是否能够应用热成像仪及早发现此类问题时,我们进行了尝试并总结出行之有效的用热成像仪在线检测设备过热时测量判断、分析隐患的方法。

由于现在开关柜全部使用的全密闭技术,完全从外部测量是绝对不行的。我们利用热成像仪能够测量较大面积的特点,在检查封闭式高压开关柜时首先从开关柜安装排列的端头用热成像仪拍摄后背面或正面的影像,比较发现温度比别的开关柜高2℃-3℃以上(见图3-3)的开关柜,剔除站用变、电压互感器柜,还有自动打开加热器的开关柜,若那个开关柜再高极有可能该开关柜内部有过热部位,可打开开关柜手车前柜门,用热成像仪正面检测即可发现是否过热,从开关柜正面检测由于手车面板遮挡可用热成像仪拍摄手车上部缝隙或挡板的温度若达到55℃以上(见图3-4)基本可以判断开关柜内有异常过热部位。一般手车前面温度过高有主要是以下两点。一是动静触头交接处,插入偏斜或动触头弹簧紧力不足。二是静触头底部连接触头盒母线的固定螺丝松动所致。

为准确论证过热位置可以进一步检查,在确认开关柜后门不是机械连锁和电器连锁未接跳闸时,由专业人员打开后柜门,测量上母线室触头盒部位和下触头盒部位,便可以发现过热点,进一步判断过热点是否立即停电处理还是待检修时处理,这样可使损失降到最低。(见图3-5、3-6)特别注意:打开开关柜后柜门必须是懂得专业知识的人员打开,防止出现跳闸和触电事故发生。我们一共发现三起这样的隐患。

我们将图3-4、图3-5照片的开关柜抽出发现开关静触头底部130℃检查发现固定静触头导电筒与母线之间的螺栓(见图3-7红外照片数字130.8下的蓝色圆点)松动所致(图3-6也是此原因所致)。将静触头导电筒拆下,用水磨砂纸打磨氧化层后紧固,由于此断路器触头过热较严重导致动触头各触指片过热氧化也进行了打磨。处理后运行正常,最高负荷不超过40℃,考虑到触头紧力弹簧受热准备更换弹簧。

图3-7从图3-4、图3-5照片中的开关柜抽出断路器红外照片明显看出过热点。

4电动机本体过热原因分析及其它

(1)2011年5月17日岗位点检反馈5#锅炉引风机电动机101℃(见图4-3),检测电流发现187A,而该电动机额定功率是110kW的,额定电流201A,运行电流不超过额定电流为什么还过热？检测三相电流平衡,运转正常,再进一步检测发现电动机封星形接触器接点110℃,因此认定是星角启动运行的星型接线的接触器未打开所致,从现象看187A电流未达到额定电流电动机怎么还会过热？分析原因如下:在三相对称电路中,各相负载是相同的,因此各相负载的电压,电流有效值和阻抗角都相同,故对称负载的平均功率为:P=3UpIpCOSθ。若负载作由Δ接改为Y接平均功率将降低1/3。那么Δ接时每相线圈的相电流为:Ia=201/1.732=116A。

而当电动机由角接改为星接其功率降低1/3,其功率为110kW/3=36.67kW,那么额定电流为I=36.67kW/1.732*0.85*0.22= 60.56A。从计算我们发现角接时该电机每一相线圈的相电流只是116A,而改为星接后由于电动机为满足负载风机的需要,致使每相电流达到187A,超过电动机角接时每相额定电流116A的1.6倍,但其热继电器是按照角接时电动机的线电流的1.05整定的,未达到启动值,时间再长将会烧毁电动机。(如图4-3)

(2)6月7日岗位反馈35MW发电机2#油泵电动机过热106℃(见图4-4),检查电动机无过载现象,一般电动机最热点在安装铭牌的宽横筋处,别处是翅型散热片通道,温度相对较低,而从照片看翅型通道处温度与大横筋处相近,用手指放到翅型散热片通风道中间明显感觉各风通道风量差别较大,从风扇进风孔看无堵塞现象,扇叶无丢转现象(风扇叶键脱落或滚键),查看散热片上有油渍,打开风扇外护罩看到护罩下风通道沾了许多细毛和油尘,致使通风不良造成过热,清理后运行温度正常。(如图4-4)

(3)7月1日1#TRT油温过高,造成跳机,检查发现油泵达到90℃左右(图4-5),测量交换器进油管端49.8℃,交换器出油管端48.3℃温度差别较小(图4-6),判断为交换器堵塞,拆开清理后运行正常。

参考文献

[1] 百度百科.红外线成像仪.

[2] 李翰荪.电路分析[M].中央广播电视大学出版社.