红外测温诊断影响因素分析

王 晨，施景垒，陶加贵，肖 雷，陈平春，卢 洋

(国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

0 引言

红外测温是一种通过红外成像仪将运行设备发出的红外辐射转变为可见的热像分布图的技术。采用这种技术可以获得设备的温度及热分布，即设备热像图。设备热像图与物体表面的热分布场相对应，可分析判断设备可能存在的各种故障缺陷。

根据2013年江苏省电力公司带电检测数据统计分析，通过红外测温仪发现的缺陷占缺陷总数的80 %以上。然而，在红外测温实施过程中，由于受环境参数、设备负荷、人员熟练程度与分析能力的影响，红外测温技术仍存在诸多不足。本文对测试角度、辐射率、风速、高倍镜头、环境参数、负荷等因素进行了详细分析，探讨其对红外测温技术的影响。

图1为某35 kV套管接头发热的红外图像。从设备前侧测试，最高温度为115.1 ℃，按绝对温度判断，设备缺陷为严重缺陷；从设备侧后测试的最高温度为135.4 ℃，设备缺陷变为危急缺陷。因此，不同的测试角度，会直接影响缺陷等级的判断。

1 电流致热型缺陷主要影响因素

1.1 测试角度

朗伯余弦定律指出，物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，即黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，在进行红外测温时，应尽可能选择从电气设备正面拍摄。

对电流致热型缺陷，若测试角度选择不当，会引起较大的测量误差。电流致热型缺陷大多是由一次设备连接部位接触电阻增大引起的，主要存在于接头、线夹、金属导线、隔离开关转头与刀口、断路器动静触头和中间触头、电流互感器内连接、套管柱头、电容器熔丝和熔丝座等部位。对电流致热型缺陷进行检测时，由于检测人员常处于设备下方，测试角度易受遮挡，多数情况下难以捕捉最高温度，而只能通过热传导间接测量温度。因此，测试人员必须熟悉设备结构，尽可能找到最佳测试点(一般情况下，设备正下方是理想的测试点)，并在无法测到最高温度且可能影响判断缺陷等级时,应结合设备结构、测试方位，做出适当的修正。

图1 某500 kV主变35 kV侧红外图像

图2为某35 kV隔离开关尾吊异常发热的红外图像。从正下方检测最高温度为102.7 ℃，而从侧下方检测最高温度仅为96.5 ℃。产生这种现象的原因是发热点在尾吊内部，当从侧下方检测时，视线受到隔刀盖板阻挡，无法测到最高温度点。

图1和图2存在的共同点是：被测设备的最高温度点因受阻碍而难以捕捉。此时，应根据设备结构及现场安全环境，尽可能找到最佳测试点。一般情况下，这种阻碍并不影响电流致热型缺陷的发现。

图2 某500 kV变电站35 kV隔离开关红外图像

1.2 调焦

聚焦不良会导致图像模糊不清，同时影响红外测量结果的准确性。在测温过程中，若测试距离发生微小变化，必须重新聚焦。在其他条件不变的情况下，距离越远，探测到的温度越低，且会受到传播介质的吸收和散射能力影响。

图3是不同探测距离对测试结果影响的对比图(焦距已调至最佳)。从图3中可明显看出：在正确调焦下，增大检测距离会造成温度衰减，但不影响发现距离较远的电流致热型缺陷。因此，在日常红外巡视时，正确聚焦有利于电流致热型缺陷的探测。

图3 某500 kV主变35 kV侧不同探测距离的红外图像

目前绝大部分红外测温设备都可自动调焦，但实际测试时并不能完全依赖这种模式。由于自动调焦是以画面中某一特定目标作为定焦对象，而实际应用中无法保证缺陷设备即为定焦对象，因此仍需要手动调节，否则会影响检测结果。

2 电压致热型缺陷的主要影响因素

2.1 高倍镜头

高倍镜头主要针对距离较远的被测对象，其中应用较多的是对绝缘子串的精确测温。图4为某500 kV悬式绝缘子，其第3片有发热迹象。由于红外测温仪未加装高倍镜头，画面模糊不清，无法判断发热是由瓷片表面污秽还是由铁帽引起的。加装高倍镜头后，红外图像清晰；但由于镜头角度减小，可视范围也大大缩小。此时若要拍摄设备整体图像，需增加检测距离，进而会导致温度整体衰减，但仍可通过温升来判别设备缺陷。

图4 变电站悬式绝缘子红外图像

2.2 风速

《带电设备红外诊断应用规范》要求：“一般测试时，风速应不大于5 m/s；精确测温时，风速应不大于0.5 m/s”。风速较高，会加速对流冷却，造成缺陷设备热点温度下降，导致测得的温度比常规情况要低。因此，当风速较大时，难以发现温差低于1 K的电压致热型缺陷。

为确定风速对表面温度的影响，利用升流器给负载设备施加电流。通过调整调压器输出电压以获得试验所需的大电流，来模拟运行中的负荷；通过热电偶传感器置于待测设备表面，测量设备的实时温度；通过改变风速，获取对缺陷发热温度的影响。

本次试验对象是型号为JKLGYJ-120的导线，额定电流为240 A。在导线上的不同部位布置热电偶传感器，1号热电偶位于导线端头处，2号热电偶位于导线线鼻子处，3号热电偶位于导线左侧，4号热电偶位于导线右侧。

给负载设备施加90 %负荷电流(216 A)，用风扇模拟自然风，通过风扇档位来控制风速大小。风扇距导线距离约1 m，在4个热电偶中间位置测试记录风速大小(误差为0.1 m/s)。待热电偶数值稳定后，记录对应风速下的各测点的数据(见表1)。

表1 温度随风速的变化情况

由此可知：设备表面温度随风速的变化较明显；风速越高，设备表面降温越快，稳定后的温度越低。

2.3 热辐射

通常情况下，太阳辐射会影响设备表面温度或在设备表面形成反射，从而干扰正常检测。同时，主变、低抗、高抗等温度较高的设备也容易对周边设备产生热辐射。尤其是主变套管、主变避雷器等设备，由于与主变的距离较近，易受到热辐射的影响，从而误判为电压致热型缺陷。若要排除此种干扰，需通过多角度拍摄，观察是否为环状发热；若不是，则多为热辐射干扰影响。

图5是某110 kV主变高压侧A，B相套管红外图像，其下部有近3 K的温升，但并非呈环状发热，因此判定为热辐射影响。在停电试验中，通过绝缘电阻、介损等测试，发现该套管正常。

图5 某110 kV主变高压侧套管红外图像

2.4 湿度

《带电设备红外诊断应用规范》要求“红外测温时湿度不大于85 %”。湿度较高时，积污较严重的瓷瓶表面泄漏电流也随之增加，从而导致表面发热。如果设备介损偏大，内部受潮发热形成电压型缺陷，则湿度较大时红外测温就难以发现此类缺陷。

2.5 温宽

图6是某35 kV SF6断路器红外图像。从图6中可以看出：左图温宽较大，不易察觉设备发热缺陷；右图温宽较小，该断路器B相上半部发热，顶帽温度高于下法兰温度，初步判断为断路器静触头发热。因此，应对低温差缺陷宜采用温宽范围较小的模式巡视测温。

图6 35 kV SF6断路器红外图像

红外检测人员往往有一种误解，认为设备过热点在图像上调整得更亮会引起设备维护、检修人员的注意和重视，从而及早安排处理。但这种调整是以层次分明、不影响设备最热点的判定为前提的；且温宽范围的调节并不是一成不变的，切不可调节过度。一般巡视测温时，建议温宽上限调整为：环境温度10～20 K的温升范围；温宽下限调整为：低于环境温度10 K。此时既不易漏掉电压致热型缺陷，也不会影响发现电流致热型缺陷。

巡视测温时，当发现疑似缺陷后，应选取合适的角度、距离、温宽范围做精确测温。一般精确测温时，温宽上限应略高于热点最高温度，温宽下限以图谱层次分明为宜。

3 对缺陷计算判断影响较大的因素

3.1 环境温度

利用环境温度参照体采集环境温度的物体，不一定具有真实的环境温度，但具有与被检测设备相似的物理属性，并与被检测设备处于相似的环境之中的物体，最好是站内不带电的同类设备。然而在实际测试时，在变电站内难以找到符合条件的设备，所以目前多将现场空气温度作为环境温度。

目前，带电检测红外测温针对电流致热型缺陷的缺陷等级判断，有表面温度判断法(即绝对温度判断法)和相对温差判断法2种。

(1)表面温度判断法主要适用于电流致热型和电磁效应引起发热的设备。根据测得的设备表面温度值，对照GB/T11022《高压开关设备和控制设备》中对各种部件、材料及绝缘介质的温度和温升极限的有关规定进行分析、判断。

(2)相对温差判断法主要适用于电流致热型设备。特别是对小负荷电流致热型设备，采用相对温差判断法可降低小负荷缺陷的漏判率。尤其是在迎峰度夏和迎峰度冬前的带电检测，用电负荷多未达到最大负荷，故此时缺陷判断多应采用相对温差法。

相对温差(δt)即2个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。电器设备与金属部件的连接处以及金属部件与金属部件的连接处发热缺陷判断依据为：δt大于80 %为严重缺陷，δt大于95 %为危急缺陷。

表2是根据上述计算方法在改变环境温度后的缺陷等级判断示例。

表2 不同环境温度下缺陷等级的判断

从表2可知,在使用相对温差法作判据时，即使发热点和正常相温度测试准确，只要环境温度测试有偏差，也会影响缺陷的计算判断。

在实际测试中，很多测试人员并未携带温湿度计进入变电站，而是在事后估算或者查看天气预报，这与实际温湿度可能会有较大差距。

3.2 负荷

负荷变化对设备温度也会造成影响。负荷的变化对热点温度变化的影响较大，即使测量前后相差2 h，所测温差也有可能相差30 ℃，因此，测试人员应尽可能选择当天负荷较大时进行检测。尤其是迎峰度夏前的带电检测，因此时负荷还未上升到最大值，为了保证缺陷判断有一定裕度，除了选择在测试当日高负荷时检测，还需使用相对温差法对缺陷进行计算判断。

3.3 图片一致性

图片一致性包括：保证三相图片在拍摄距离、拍摄方向上的一致，保证与历史测温记录在拍摄距离、拍摄方向上的一致。距离和角度的不同，会对红外辐射量有一定的影响，尤其是对电压致热型缺陷，即使是温度较小的变化对测温结果也会造成很大影响。某220 kV电缆终端发热红外图像从不同角度拍摄，最高温度有近0.9 K的差别，而此类电压致热型缺陷即使0.5～1.0 K的温差也可判定为严重缺陷。因此，在对这类缺陷红外测温时应尽可能保证拍摄角度一致，否则测温结果不具可比性。

4 结论

对设备进行红外测温诊断与探究，需要大量的经验积累，并在实践中对测温方法进行细化和改进，以提高红外测温的工作效率和准确性。本文通过理论分析，并结合带电检测的实际经验，提出了电力设备红外测温及缺陷判断的技巧。同时，还建议红外检测分析人员熟悉设备结构原理和故障致热特征，正确理解技术规范和标准的规定，逐步提升现场检测和诊断分析水平。

1 罗军川．电气设备红外诊断实用教程[M]．北京：中国电力出版社，2012.

2 李明霞，钱二刚．红外测温技术在硬质安全工器具试验中的应用[J]．电力安全技术，2012(11)．