基于红外成像的电气设备检测现状

周云高，刘洪亮，方波

(浙江宁波电业局，宁波 315000)

1 引言

在电力系统中，电能的生产、输送、分配和使用是个连续的过程，所以其中的任何一个环节发生问题都会影响整个系统的正常运行。特别是随着电力工业向着大机组、大容量与高电压的迅速发展，保障电力设备运行的可靠性与健康状态成了安全生产的突出问题［1－2］。基于此，电力设备的在线监测已受到人们的普遍重视，同时降低监测系统的成本和进行实时监测也势在必行。而且，电力设备的在线监测对于提高电力系统的运行效益，降低维修成本，保证电能质量与供电可靠性，实现电力设备从传统的计划检修向预知的状态检修转变，对保障国民经济的持续增长和人民生活正常用电等方面都有极其重要的意义。变电站是电力系统运行的关键环节，所以有必要对运行中的电力设备进行在线监测［3］。

随着现代红外技术的不断成熟与完善，由于红外热成像技术能够以远距离、非接触、实时、快速在线监测方式获取设备的运行状态信息，又有分辨率高、形象直观、不受电磁干扰、安全可靠和效益/投资比高等优点，又可以在不停电、不取样、不解体的状况下进行故障的诊断分析，所以说红外热像技术是电力设备在线监测的一项行之有效的技术手段。

2 红外检测原理

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。红外线是波长在0.76μm～1000μm之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它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。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大;反之，辐射的能量愈小。红外辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射的能量愈大，表明物体的表面温度愈高;反之，表明物体的表面温度愈低。

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。

3 红外热像仪的选择

3.1 红外热像仪的功能

红外热像仪是一种成像测温装置，它的基本功能有两个［4］。

1)测温:每个单元接收红外辐射，将接收到的红外辐射转换成电信号，再将每个单元的电信号的大小用灰度等级的形式表示;

2)生成“热像”:将灰度等级重组生成图像数据格式，并将其显示到显示器上，即为“热像”。

因为红外辐射的大小与温度高低相关，因此温度与灰度具有一一对应的映射关系，红外热像仪在生成“热像”的同时也计算出每个像素点对应的温度，用于后期处理。从显示器显示的“热像”中也能定性地看出温度高低。红外热像仪中红外图像的生成过程如图1所示。

图1 红外成像形成示意图

3.2 红外热像仪的组成

在红外热像仪中，红外光变电信号，电信号变可见光的转换功能是由热像仪各个部件完成的。非扫描型热像仪由光学系统、红外探测器、信号处理系统和显示记录装置等几个部分组成。非扫描型热像仪即焦平面热像仪属于第三代红外热像仪，它的红外探测器呈二维平面状，具有自动扫描功能，被测物体的红外辐射只需要通过物镜将目标在底片上曝光成像，被测目标就在红外探测器的阵列平面上成像，故它也称为“凝视成像”。其原理方框图，如图2所示。

此类型热像仪红外摄像头结构简单，其内装硅化铂红外电荷藕合器件，红外CCD驱动电路板。其重量仅2kg在左右，携带使用十分方便。红外CCD输出图像信号经放大等预处理后，由A/D转换变成8bit或12bit的数字图像信号，然后由固定图形噪声消除电路和非均匀性校正后，存入图像存储器中。手持式红外热像仪自带显示屏幕，则图像信号混合了标尺和字符等数据后，经过伪彩色编码和D/A转换后，在显示器上显示。显示模式具有黑白、伪彩色和等温区等多种方式，并能定时地读出图像所对应的物体表面温度。固定式红外热像仪则将图像信号通过数据线传输到主机进行图像处理。

图2 非制冷型焦平面热像仪原理图

3.3 红外热像仪的选择

红外热像仪生产厂家和型号繁多，不同规格适用于不同的场合，应根据具体应用场所、被测目标的性质和状态选取适当的红外热像仪。选取主要原则如下:

1)确定测温范围

测温范围是热像仪最重要的一个性能指标。每种型号的热像仪都有自己特定的测温范围，因此，一定要准确估计被测温度范围。绝大多数红外热像仪满足电力变压器的正常运行与故障时的温升区间。

2)确定监测距离

红外热像仪应与被测物体保持合适的距离，使得在进行测温时，被测目标面积尺寸超过视场大小的50%。如果距离过远，导致目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入热像仪的视场干扰测温读数，造成误差。

3)确定波长范围

目标材料的发射率和表面特性决定热像仪的光谱响应或波长。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.18－1.0微米波长，其他温区可选用1.6，2.2 和3.9μm 波长。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量变化，而发射率对长波段的测温误差影响较大。

4)红外辐射测温仪的标定

红外热像仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修中心重新标定。

4 红外热像检测与诊断的基本方法

红外热像检测的基本方法可分为被动式和主动式两大类。主动式的红外热像检测又可分为单面法和双面法，其加热过程也可分成稳态和非稳态两种。

所谓的被动式是指进行红外热像检测时不对被测目标加热，利用被测目标的温度不同于周围环境温度的条件，在被测目标与周围环境的热交换过程中进行红外检测的方式。被动式红外热像检测被广泛用于运行中设备、元器件、科研试验品的检测，由于它不需要附加热源，在生产现场基本上都采用这种方法。

所谓的主动式是指在进行红外热像检测时要对被测目标进行加热。非稳态加热方式是对被测目标进行加热，在其内部温度不均有热传导的过程中进行红外测温;稳态加热方式是在目标加热到内部温度均匀恒定状态，再把它放到一个不同温度的环境中进行红外测温。单面法对被测目标的加热和测量在同一个侧面进行，双面法则在目标的正、反两个侧面进行。

红外热像检测仪器的安装和运载方式有固定式、便携式、车载式和机载式。

固定式主要用于对关键设备、生产线产品工艺和质量的检测。便携式在日常的巡检、定期普查、设备抢修和跟踪检测中广泛应用。对被测设备数量多、检测路线长的场合宜采用车载式或机载式进行检测。

到目前为止，电气设备采用红外热像诊断的方法可归纳为以下五种。

(1)表面温度判断法

表面温度判断法是遵照已有的标准，对设备显示过热的部位按相关的规定判定它的状态正常与否。凡温度或温升超过标准者可根据温度超标的程度、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。

这种方法可以判定设备的部分故障情况，但不可能充分显示红外诊断技术超前诊断的优越性，下述的相对温差判断法可弥补表面温度判断法的不足。

(2)相对温差判断法

“相对温差”是指设备状态相同或基本相同(指设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷电流等)的两个对应测量点之间的温差与其中较热点温升之比的百分数。

相对温差判断法是为了排除设备负荷和环境温度不同对红外诊断结果的影响而提出的。当环境温度低，特别是负荷电流小的情况下，设备的温度值并没有超过相关标准的规定，但大量事实证明，此时的温度值并不能说明该设备没有缺陷存在，往往在负荷增长或环境温度上升后，就会引发设备故障。故对电流型设备还可采用“相对温差”来判别故障存在与否。

(3)同类比较法

同类比较法是指同类设备之间进行比较，同类设备的含义是指同一回路的同型设备和同一设备的三相，即它们的工况、环境温度以及背景热噪声相同可比时的同型设备。具体做法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。在进行同类比较时，要注意不能排除有三相设备同时产生热故障的可能性。同类比较法可用于电流型和电压型设备的内、外故障诊断。

(4)档案分析法

档案分析法时将测量结果与设备的红外技术档案相比较来进行分析。这种方法有利于对重要的、结构复杂的设备进行准确诊断。应用这种方法的前提是要为被诊断的设备建立红外热像检测技术档案，在诊断设备有无异常时，可以分析该设备在不同时期的红外热像检测结果，其中包括温度、温升和温度场分布有无变化，掌握设备发热的变化趋势，同时还应参考其它相关检测，进行综合判断。

(5)热谱图分析法

热谱图分析法是根据同类设备在正常状态和异常状态下的热谱图的差异去判断设备是否正常的方法。经过长期的研究积累，对一些常用电气设备的常规故障可以参照热谱图进行诊断。

5 结论

介绍了红外测量原理，提出了红外热像仪的选择方法，对比分析了表面温度判断法、相对温差判断法、同类比较法、档案分析法和热谱图分析法等五种红外热像诊断方法。

［1］ 周武仲，电力设备维修诊断与预防性试验第2版［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［2］ 黄建华，全零三.变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展［J］.电力系统自动化，2001，25(16):56 －61.

［3］ 董其国.红外诊断技术在电力设备中的应用［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［4］ 陈衡，侯善敬.电力设备故障红外诊断［M］.北京:中国电力出版社，1999.