郭培恒 袁亞忠 李 睿

（青海省電力公司檢修公司）

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一種基于電平調(diào)節(jié)的紅外成像檢測方法研究與應用

郭培恒 袁亞忠 李 睿

（青海省電力公司檢修公司）

摘要：本文詳細介紹了紅外成像檢測的原理及優(yōu)勢，分析現(xiàn)有檢測及判斷方法在現(xiàn)場應用中存在的問題，提出一種基于電平調(diào)節(jié)的紅外成像檢測方法，并通過現(xiàn)場使用實例對此檢測法進行驗證，證明此種方法是一種簡單、準確、高效的電力設(shè)備狀態(tài)檢測方法。

關(guān)鍵詞：紅外成像檢測；現(xiàn)場應用；電平調(diào)節(jié)；電力設(shè)備；狀態(tài)檢測

0 引言

紅外檢測技術(shù)可實現(xiàn)“不接觸、不停電、不取樣、不解體”地對電力設(shè)備運行狀態(tài)進行連續(xù)檢測，極大節(jié)省了人力、物力、時間，降低設(shè)備維修成本，提高了設(shè)備狀態(tài)檢測效率，大大增加了設(shè)備運行可靠性，因此，紅外檢測技術(shù)作為一項安全可靠高效的狀態(tài)檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)被大力推廣。

紅外成像檢測[1]，運用紅外檢測儀器獲取電力設(shè)備熱像圖譜，熱像圖譜可真實反映電力設(shè)備表面的溫度分布狀態(tài)，通過分析熱像圖譜可準確獲取設(shè)備運行狀態(tài)，能夠?qū)υO(shè)備中潛伏的故障或事故隱患屬性、具體位置做出判斷，最后依據(jù)設(shè)備表面溫升的大小，對故障嚴重程度作出定量判定。

現(xiàn)場對電力設(shè)備進行紅外成像檢測過程中，受環(huán)境、背景、天氣、距離、溫升大小等因素影響，檢測人員并不總能及時準確地發(fā)現(xiàn)一些潛在的、嚴重的故障或事故隱患。

經(jīng)過長期對電力設(shè)備紅外檢測的經(jīng)驗積累，研究出一種基于電平（溫度）調(diào)節(jié)的紅外成像檢測方法，可及時準確地發(fā)現(xiàn)紅外普測過程中不易發(fā)現(xiàn)的故障，并通過現(xiàn)場應用實例對該方法進行驗證。此檢測方法的發(fā)現(xiàn)，是對于現(xiàn)有紅外成像檢測方法的一個很好補充，其易于掌握的特點，便于在系統(tǒng)內(nèi)大面積推廣，可有效提高運維人員技術(shù)水平，大大增加電力設(shè)備故障檢出率。

1 紅外成像技術(shù)的原理

電磁波可任意劃分為許多波長范圍[2]（見圖1），紅外線是波長在0.75～1000μm之間的一種電磁波，按波長范圍可分為近紅外（0.75～3.0μm）、中紅外（3.0～6.0μm）、遠紅外（6.0～15.0μm）、極遠紅外（15.0～1000μm）四類。

圖1　電磁波譜1—X射線 2—紫外線 3—可見光4—紅外線 5—微波 6—無線電波

理論分析和實驗研究表明, 任何溫度高于絕對零度（－273.15K）的物體在常規(guī)環(huán)境下都會因自身分子和原子運動不斷輻射出紅外線。紅外線在大氣中傳播要受到大氣的吸收而使輻射的能量衰竭，但空間中的大氣、煙云對紅外輻射的吸收程度與紅外線的波長有關(guān)，尤其對波長范圍在（2～2.5μm）、（3～5μm）及（8～14μm）三個區(qū)域的吸收相對較弱，紅外線的穿透能力較強，透射率較高，這三個區(qū)域通常被稱之為“大氣窗口[3]”，由于紅外輻射中“大氣窗口”特性，使得紅外輻射可以全天候被搜索。

電力設(shè)備在運行過程中，容易出現(xiàn)四類異常溫升問題：一是導流回路連接不良，通過負荷電流時產(chǎn)生異常溫升；二是絕緣部分在裂化或故障時，在運行電壓下產(chǎn)生異常溫升；三是具有磁回路的設(shè)備，由于漏磁、磁飽等原因引起局部環(huán)流或渦流造成異常溫升；四是綜合類溫升，由電流、電壓或電磁等復雜原因引起的溫升。

所有異常溫升均會以紅外線輻射的形式往外傳播能量，紅外儀器能夠接收波長為2～13μm紅外線[2]，通過運用紅外儀器檢測電力設(shè)備運行中發(fā)射的紅外輻射線，并轉(zhuǎn)換成相應的電信號，再經(jīng)過專門的電信號處理系統(tǒng)處理，可得到電力設(shè)備的紅外熱像圖譜，就可以獲得電力設(shè)備表面的溫度分布狀態(tài)及其包含的設(shè)備運行狀態(tài)信息。

2 紅外成像技術(shù)的優(yōu)勢

紅外熱成像技術(shù)作為一種先進的技術(shù)，與落后的點測溫技術(shù)相比有如下優(yōu)點：

1）可測量表面的溫度分布，提供圖像，可準確對某點進行測溫；

2）使用距離受儀器視場影響較?。?/p>

3）通過改變視角等手段可有效排除設(shè)備表面反射紅外線的影響，從而真實反應設(shè)備表面真實的溫度變化；

4）可通過調(diào)節(jié)設(shè)置來屏蔽環(huán)境溫度的變化影響。

紅外熱像檢測無需設(shè)備停電，在不接觸、不解體的情況下，即可實現(xiàn)遠距離、大面積、快速掃描成像，可安全、高效地發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備熱缺陷，在一定程度上彌補了常規(guī)電氣試驗方法的不足，是最高效、可靠的設(shè)備狀態(tài)評價手段之一。紅外熱像圖譜可直觀顯現(xiàn)設(shè)備故障的位置及熱像特征，具有較高的準確性。

3 紅外檢測與判斷方法分析

紅外檢測方式[4]有兩種，一般檢測與精確檢測。兩種方式分別對檢測環(huán)境提出了不同的要求，具體參見DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應用規(guī)范》中4.3部分對檢測環(huán)境條件要求的描述。

對于電力設(shè)備狀態(tài)量判定方法共六種，分別是表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法、相對溫差判斷法、檔案分析判斷法、實時分析判斷法，判斷標準參見DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應用規(guī)范》中9.1、9.2、9.3部分對電流致熱、電壓致熱、綜合致熱型設(shè)備的判斷依據(jù)描述。

電力系統(tǒng)現(xiàn)場實際工作中，紅外一般檢測是所有后續(xù)工作的基礎(chǔ)，一般檢測結(jié)果決定對哪些設(shè)備進行紅外精確檢測，精確檢測的結(jié)果運用后續(xù)的六種設(shè)備狀態(tài)量判定方法，依據(jù)規(guī)程標準進行判斷，所以一般檢測是紅外檢測中最重要的環(huán)節(jié)。但是，現(xiàn)場開展紅外一般檢測過程中，常常受太陽或背景輻射、環(huán)境溫度、氣象條件、距離和人員經(jīng)驗等因素的影響，對于部分小溫升的設(shè)備早期缺陷不易發(fā)現(xiàn)，從而導致事故隱患直接發(fā)展成重大設(shè)備事故。

為解決上述問題，現(xiàn)亟需研究出一種簡單易推廣且效率高的新型紅外熱成像檢測方法，降低環(huán)境及人員經(jīng)驗對檢測結(jié)果的影響，提高設(shè)備事故隱患檢出率，增強電力設(shè)備運行可靠性。

4 一種新型檢測方法

使用紅外熱成像儀進行普測時，較常使用的是電平和溫寬自動調(diào)整模式，即未經(jīng)熱學調(diào)整模式。紅外熱像儀的電平為所拍攝紅外圖譜顯示的溫度范圍，即顯示于紅外圖片右側(cè)的兩個溫度值。下面介紹一種通過手動調(diào)整電平數(shù)值的紅外成像檢測方法，并以現(xiàn)場應用實例對此種方法效果進行驗證。

4.1 操作方法

將所檢測設(shè)備置于紅外熱成像儀視窗中，檢測出視窗內(nèi)紅外圖譜中的最高溫度A，將儀器電平最大值設(shè)置為A，然后將儀器電平最小值從A往低溫值平滑調(diào)節(jié)，觀察圖像變化，直到紅外圖譜可以清晰顯示所需的熱像細節(jié)為止，簡單流程如圖2所示。

圖2　電平調(diào)節(jié)流程圖

4.2 應用實例

紅外圖譜編號原則：1號紅外圖片為電平和溫寬自動調(diào)整模式下所拍，234號圖片電平最大值均為A，電平最小值依次按A的某個百分比降低，如圖3所示。

圖3　紅外圖譜編號示意圖

4.2.1高溫背景下35kV電纜終端故障檢測

如圖4所示，雖然35kV進線電纜終端所處背景電抗溫度很高，但依然可以很清晰直觀地發(fā)現(xiàn)電纜存在一處異常溫升的嚴重缺陷。將電纜停電后，對電纜進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)電纜終端異常溫升處主絕緣表面存在劃痕，且劃痕處已出現(xiàn)嚴重的爬電電弧灼傷痕跡。

圖4　35kV電纜高溫背景下紅外系列圖譜

4.2.2 35kV電纜終端小溫升缺陷檢測

圖5　35kV電纜小溫升紅外系列圖譜

圖6　電纜終端半導體層切割特寫

如圖5所示，35kV主變出線電纜終端傘裙底部存在異常小溫升，初步懷疑為電纜頭制作工藝不良引發(fā)的電壓致熱型缺陷，經(jīng)申請停電后，對此電纜進行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)三相電纜終端半導體層的剖切工藝差，剖切面不平齊，半導體層斷口未進行倒角打磨處理（見圖6），造成此處電場嚴重畸變，進而導致半導體層切削處產(chǎn)生異常溫升。

4.2.3 750kV瓷質(zhì)絕緣子裂化遠距離檢測

如圖7所示，使用常規(guī)焦距鏡頭的紅外成像儀對距離約70m處的750kV瓷質(zhì)絕緣子進行檢測，可直觀看到部分瓷質(zhì)絕緣子存在以鐵帽為中心的異常溫升，根據(jù)裂化瓷質(zhì)絕緣子的熱像特征圖[4]，很容易判斷該串絕緣子存在的劣化瓷質(zhì)絕緣子片。

圖7　750kV瓷質(zhì)絕緣子裂化紅外圖譜

4.2.4低溫背景下750kV套管缺油檢測

如圖8所示，套管存在明顯溫度分層現(xiàn)象，根據(jù)套管缺油熱像特征圖[4]，很容易判斷套管實際油位于溫度分層線處。

圖8　750kV套管缺油紅外圖譜

4.2.5 330kV GIS設(shè)備母線法蘭接口接觸不良

圖9　GIS設(shè)備法蘭接口紅外圖譜

如圖9所示，將紅外成像檢測方法應用于GIS設(shè)備母線筒金屬法蘭對接面接觸情況檢測的例子，在電力系統(tǒng)尚不多見。此處法蘭接口異常溫升很小，但通過電平調(diào)節(jié)方法，仍可將法蘭接口因接觸不良引起的異常溫升情況準確的反應在紅外圖譜上，為對運行中的GIS設(shè)備法蘭接口接觸情況檢測提供一個可行的思路與方法。

4.3 小結(jié)

從上述紅外系列圖譜中可看到，未經(jīng)熱學調(diào)整的紅外圖譜對于小溫升的電壓型致熱缺陷反應不靈敏，很容易漏檢，而使用上述基于電平調(diào)整的紅外成像檢測技術(shù)可靈敏地發(fā)現(xiàn)潛在嚴重的小溫升缺陷。

5 結(jié)束語

基于電平調(diào)節(jié)的紅外成像檢測方法可有效屏蔽環(huán)境、背景、天氣、距離、溫升大小等因素影響，從而快速、準確、高效地檢測出電力設(shè)備故障和事故隱患。

此法操作簡單，易于掌握，作為一種先進的狀態(tài)檢測方法便于在電力系統(tǒng)內(nèi)大面積推廣，所拍攝紅外圖譜易于識別，降低紅外檢測結(jié)果分析門檻，減輕紅外檢測對人員經(jīng)驗的依賴度。

此種紅外檢測方法可迅速提高設(shè)備運維人員狀態(tài)檢測技術(shù)水平，豐富電力設(shè)備狀態(tài)檢測手段，增強電力設(shè)備運行的安全性。

參考文獻：

[1] 李亞峰.紅外熱成像技術(shù)在電力工業(yè)上的應用[C].全國輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)交流研討會,2009:1021.

[2] FLIR Systems.用戶手冊[M].中國香港特別行政區(qū):FLIR Systems,2009:285.

[3] 羅軍川.電氣設(shè)備紅外診斷技術(shù)及在四川電網(wǎng)的應用研究[D].重慶:重慶大學，2003:9-10.

[4] 周建國.DL/T 664—2008 帶電設(shè)備紅外診斷應用規(guī)范[M].北京:全國高壓試驗技術(shù)標準化分技術(shù)委員會,2008:5-21.

收稿日期：（2015-11-21）