油浸式电流互感器红外热像检测受材质辐射率影响的判断方法及案例分析

高 微 ，刘晓康 ，闫佳文 ，刘 哲 ，刘连升

（1.国网衡水供电公司，河北 衡水 053000；2.国网河北省电力有限公司培训中心，河北 石家庄 050000）

0 引言

红外测温技术已广泛应用于电力设备带电检测，也是油浸式电流互感器带电检测项目之一，红外测温可成功检测出油浸式电流互感器多种发热缺陷，包括缺油引起的温度异常、外部接头接触不良引起的发热、内部介质损耗引起的瓷套整体温度偏大、末屏接地不良引起的末屏温度过高等［1］。

红外检测过程中，除电流致热型缺陷容易判断外，其他类型的温度异常判断容易受设备本身及环境干扰，特别是受设备外壳辐射率、环境反射等因素影响，检测人员很容易误判为设备缺油或漏油，设备缺油引起的温度异常往往为危急缺陷，容易误导检修人员做出错误的处理措施。

1 红外热像检测原理

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］，如图1所示。

图1 红外热像检测原理

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。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。

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［3］。

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。

对于高压电气设备的发热故障，从红外检测与诊断的角度大体可分为两类，即外部故障和内部故障［4］。

外部故障是指裸露在设备外部各部位发生的故障（如长期暴露在大气环境中工作的裸露电气接头故障、设备表面污秽以及金属封装的设备箱体涡流过热等）。从设备的热图像中可直观地判断是否存在热故障，根据温度分布可准确地确定故障的部位及故障严重程度。

内部故障则是指封闭在固体绝缘、油绝缘及设备壳体内部的各种故障。由于这类故障部位受到绝缘介质或设备壳体的阻挡，所以通常难以像外部故障那样从设备外部直接获得直观的有关故障信 息［5］。

2 油浸式电流互感器红外测温缺陷案例

2018年6月7日晚，带电检测人员在某220 kV变电站进行红外热像检测时，发现110 kV 163电流互感器顶部膨胀器外壳温度偏低，现场检测环境为阴天检测，温度 28℃，湿度 55%，风速 0.3 m／s，163电流互感器U、V、W三相（由左至右）红外图谱如图2所示。

图2 163电流互感器红外图谱

根据红外图谱特征，U相膨胀器外壳为19℃，V、W相及环境温度均为28℃，U相较 V、W相低9℃左右。初步分析，U相膨胀器外壳温度异常偏低，原因疑似为内部绝缘油渗漏，也可能为出厂时就未注满油，导致顶部的残留气体形成空气夹层，内部散热不良，最终导致外壳温度偏低。根据《带电设备红外诊断应用规范》DL／T 664-2016中关于缺陷定性方法，套管类设备缺油应属于电压致热类型缺陷，此类故障应定为严重缺陷。

经查证，近期油色谱带电数据并无异常，且与上次数据相比，无明显变化。检测人员结合现场实际情况，综合环境因素进行多角度分析，推断该发热设备不存在缺陷，而是因为设备外壳材质辐射率不同导致，油色谱带电检测数据如表1所示。

表1 163电流互感器油色谱带电检测数据（单位：μL／L）

3 材质辐射率对红外测温结果的影响分析

在设备负荷、环境温度、风速、距离等参数确定的情况下，影响红外测温的内部因素主要是辐射率，辐射率作为红外热像仪的重要参数，应在检测前进行准确设置。

辐射率的大小与设备的材质、表面光洁度、氧化程度、颜色、厚度等有关，但均介于0～1之间。根据红外热像仪的检测原理，红外热像仪测试时，应准确设置辐射率参数。

辐射率的含义为设备本身能力辐射的百分比。当仪器内辐射率设置偏高，而实际设备辐射除本身能力低于辐射率百分比时，仪器内部自动补偿，误认为设备辐射的能量接近辐射率偏高时的值，实际上，仪器接受到的能量占比偏低，即实际设备辐射能量比仪器补偿后计算值要高。

根据上述分析，随着设备材质辐射率的改变，测量结果也将会随着改变。当红外热像仪中的辐射率参数设置值比实际辐射率低时，检测结果比现场实际值高，即实际测试结果与仪器内部的辐射率设置值呈反比。

其他因素对红外测温结果的影响情况类似，即红外热像仪内的辐射率、环境温度、距离与红外测温实际结果均成反比。

4 金属膨胀器红外异常案例分析

由于设备处于热备用状态，仅线路侧带电，具备停电检查条件，6月8日，检修人员对异常设备进行解体检查，设备内部无异常。但对膨胀器外壳进行金属检测时，发现U相外壳与V、W相存在明显差异，虽然三相外壳主要成分均为铝元素，但U相外壳的铬元素与铁元素含量均为V、W相的一半，即U相外壳材质与V、W相存在明显差异，因此材质表面的辐射率也不同。

检查完毕后，在停电状态，带电检测人员对外壳进行红外测温，发现U相外壳温度仍偏低，说明此次红外测温异常是由于材质辐射率不同引起的。

综合上述分析，并结合现场实际情况，带电检测人员采用多种拍摄模式拍摄，发现红外热像检测中的彩虹模式更易分析此类异常。见图3所示。

图3 163电流互感器红外图谱（彩虹模式）

结合红外热像仪工作原理，温度也是影响材料辐射率的因素之一。一般规律是，非金属材料随着温度升高发射率降低，金属材料随着温度升高，发射率升高。该案例中，由于外壳是金属材料，V、W相表面温度较U相高10℃左右，同时，较高的温差导致V、W相表面材料发射率也比U相高，因此，测得结果是V、W相膨胀器外壳与U相温差进一步拉大。

5 结束语

电流互感器缺油导致的表面温差一般较小，根据经验统计，一般只有几摄氏度，如果红外热像仪的温度范围采用自动模式，很难发现此类异常。一旦发现此类异常现象，首先应排除干扰，明确测试结果未受环境或其他因素干扰。

此外，如果红外热像仪的图像显示有彩虹模式，此类异常可选用彩虹模式，温差显示界面比铁红模式更容易分析判断。