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电力系统中红外测温技术的应用问题分析

2023-07-12 58 上传者：管理员

摘要：红外线测温技术是一种新兴的具有高效率的在线测温、设备故障检测技术，能够准确判断电力系统电气设备的运行状态，提高设备运行维护水平，在电力系统的检测、预防性维护等方面也同样有着显著效果，但在实际应用中可能会出现测量结果误差较大等问题。本文对红外测温技术在电力系统运维实际应用中可能出现的部分问题进行分析，并着重对发射率问题进行研究。

关键词：
发射率
在线测温
应用
电力系统
红外测温
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1、引言

随着我国电力工业的高速发展，保障供电系统安全、稳定运行是电力管理的重要任务。这需要对设备进行不断电在线监测，并利用多种先进方法研究分析监测数据，及时发现设备的安全隐患，对可能出现的故障及时采取预防措施，实现科学高效的设备故障诊断和状态监测。

设备关键点位的温度是体现设备运行正常与否的重要参数。由于环境冷热变化、加工制作工艺、环境湿度与空气杂质、严重或长期超负荷运行等原因，会造成设备连接部位接触状态发生变化，导致接触电阻增大，在带电运行时温度异常升高，从而致使设备加速老化，绝缘性变差，极端情况下还会导致短路，电弧烧坏设备，扩大设备损坏范围，大幅缩短设备使用寿命，甚至引起设备内可燃材料起火爆炸，造成更严重的安全隐患。这些都时刻威胁着电力设备的安全稳定运行。

对电力设备关键点位的温度进行实时检测，及时处理发现的问题，是电力设备安全运行的必要保障。本文主要介绍了红外测温技术原理、影响红外测温的因素、常用红外诊断方法、常见问题解决方法。

2、红外测温技术原理

物体由动态的微观粒子组成，当微观粒子的热运动状态发生变化时会产生电磁波辐射，这种电磁波辐射称为热辐射。物体温度越高，辐射出的能量就越大。带电运行中的电力设备在电流和电压的作用下，由于各个部位的电阻不同，其产生的热量也会有所不同。红外测温技术通过设备的红外探测器组件和信号处理组件，对热辐射源产生的红外辐射进行采集测量，实现对信号的转换，获取测量目标的温度信息，进而对目标是否存在异常发热现象进行判定，并对带电运行状态下的设备进行实时监测，以便能够实现对设备故障的更早发现和处置。

3、影响红外测温的因素

影响红外测温的主要因素包括负荷、环境温度、风速、背景辐射热源、发射率以及仪器性能等。

电力系统的一般检测中，应注意避开遮挡视线的物体，环境温度应在5℃以上，风速一般不大于5m/s，相对湿度一般不大于85%，天气以阴天或多云为宜，不应在恶劣气象条件下进行；在有阳光照射的户外环境下，需要避开阳光的直射或反射；在晚上或室内环境下，也需要避开灯光的直射。对电流致热型设备进行检测时，以高峰负荷状态下最佳，或在30%额定负荷以上实施，且对测试受小负荷电流的影响也需要做全面分析。

精确检测中，在一般检测各项要求的基础上，还需要满足风速在0.5m/s以下，设备通电6h以上，最好在24h以上；在夜间、天气为阴天或日落2h后，被测设备应尽量避开热辐射源的干扰，周围的背景辐射应是均衡的。对一些特定设备，在检测过程中，对人体热源等红外辐射也需要加以规避，避免因强电磁场的作用导致检测设备无法正常工作。

检测过程中未按行业标准要求执行会导致较大误差，使诊断结果出现错误，影响设备安全。其中，发射率是最容易被忽视的因素，即使红外测温仪接收到的辐射有着相同功率，但受物体材料不同的影响，也可能显示出不同的温度，所以在测量前须检查设备的发射率，进而结合不同的测量对象调整发射率。此外，红外测温仪器的测量误差也可能因存放环境潮湿、连续工作时间过长等因素而加大，故需要重视日常的维保工作，在设备的使用管理上需要制定相关制度，并安排专人保管，对设备进行定检，确保仪器保持良好状态。

4、常用红外诊断方法

4.1表面温度判断法

根据《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T11022—2020）有关规定，结合测得的设备表面温度值进行分析，只要温度或温升达到标准，即可通过设备负荷率、设备承受机械应力、设备温度超标程度等指标，对设备缺陷的性质予以判定；对设备在小负荷率下承受较大机械应力或者温升超标的，需要做到从严定性。

4.2相对温差法

根据同类侧边两测点的温差与两者中较热点的温升比进行判断，具体缺陷等级判别如表1所示。

4.3同类比较法

在同一电气回路中，如果三相电流对称与两相（或三相）设备相同，则只需对比两相（或三相）电流致热型设备相应位置的温升值，便能对设备的状态做出判断。如果三相设备均有异常，则可对比相同回路的同类设备。如果三相负荷电流不对称，那么对负荷电流的影响也应予以考虑。若电压致热型设备的规格与型号一致，则可按照对应的温升值的不同对设备做出判断。通过同类允许温差或允许温升的判断依据，可以确定电压致热型设备的缺陷。与允许温升值比较，如果同类温差在30%以上，则判定为重大缺陷。如果存在三相电压不对称问题，应考虑是由于工作电压导致。

4.4热谱图分析法

按照同类设备在异常与正常2种不同状态下热谱图的情况对设备进行判断。利用这种方法可以准确地判断出故障的位置和严重程度。在检测过程中，应排除对图像的干扰因素，如背景色、强烈的太阳光等。

4.5档案分析法

分析同一设备在不同时期的检测数据（温升、相对温差以及热谱图），找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。丰富的数据可以极大地提高对重要、复杂设备的诊断率。在判断时还应综合考虑历史档案中的数据与被检测环境温度、湿度的变化情况，掌握其发热趋势，参考其他方法进行综合判断。

表1缺陷等级判别

5、常见问题解决方法

5.1测温

当使用中发现测得的温度与已知实际温度误差较大时，可先检查操作是否正确。

(1）若使用红外热像仪，可先检查是否对焦准确，准确调焦下红外与可见光部分应完全吻合；是否正确设置热像仪参数，如发射率、背景温度补偿以及透射率。

(2）若使用红外测温仪，因其随测量距离增大会出现温度衰减，可先检查距离是否过远，且因红外测温仪所测温度为被测面积内的平均温度，还要考虑被测物体大小是否适合使用此设备。

5.2发射率

发射率ε代表物体向外发射红外辐射的能力，物体的发射率是一个小于1的常数。金属材料和非金属材料的发射率有很大差异，大多数非金属材料发射率较高，同材质下几乎不受颜色影响；金属材料的发射率通常在0.5以下，且受材料、表面光洁度以及表面颜色影响。实际测量中，因大多数设备设置的默认值为0.95，若设备支持设置发射率，则可参照《带电设备红外诊断应用规范》（DLT 664—2018）中表E.1常用材料发射率的参考值进行设置。若不支持设置，可采用以下4种办法。

5.2.1导热硅脂法

在金属表面涂抹导热硅脂，可有效解决问题。导热硅脂不仅绝缘，还有良好的导热性，可以真实反映金属表面的温度状况，而且方便涂抹和擦拭。

5.2.2涂漆法

若可以直接测量漆层的温度，则以漆层表面温度作为准确温度，否则需要将漆均匀且薄地涂抹在被测物体表面。为保证充分达到热平衡，建议涂漆3min后再进行测试。涂漆可使用油性笔或丙烯酸树脂喷漆，且需要注意是否可以接受被测物体表面颜色被改变。

5.2.3绝缘胶带法

可将绝缘胶带贴在被测物体表面，应尽可能地让胶带紧密接触被测目标的表面，确保没有褶皱或气泡现象出现，等待时间需要超过5min，确保胶带和被测目标能够达到充分热平衡的状态。此种方法适用于被测目标相对较大，温度小于100℃，测试后不改变原目标表面状况的场合。一般情况下，胶带耐温100℃以下，若高温检测，建议使用高温胶带，可最高耐温至300℃。

5.2.4数值换算法

可根据被测物体的发射率和测得数值对实际温度进行简单估算，但因误差较大，所得结果不可作为唯一的判断依据。由红外测温设备测温原理可知，辐射功率与测得温度成正比，如公式（1）所示。

公式中，P为辐射功率，单位为W/m2;T为温度，单位为℃。

再根据斯蒂芬玻尔兹曼定律（即一个黑体表面单位面积辐射出的总功率与黑体本身的热力学温度的四次方成正比），如公式（2）所示。

公式中，P为辐射功率，单位为W/m2；α为普朗克常量，单位为W/K4m2；ε为发射率；T为温度，单位为K。

由公式（1)(2）可知，相同温度下的辐射功率和发射率成正比。由于实际温度相同，所以辐射功率的比值即为发射率的比值，理想状态下如公式（3）所示。

公式中，T为温度，单位为℃；ε为发射率。

例如，在发射率设置为0.95时对变压器铜排进行测量，考虑到被测铜排氧化状态和金属发射率会随温度升高而少量增加，根据常用发射率参考值粗略判断铜排的发射率为0.5，两者比值为1.9。由公式（3）可估算实际温度，裸铜排的正常最高温度为70℃，

那么在测得温度高于36.8℃时便应引起警觉，但同时也存在环境温度干扰的情况，即测得温度大于36.8℃，但裸铜排实际温度并未达到70℃，此时可根据裸铜排与环境温度的温差简单判断是否受到环境影响。总之，不应忽视任何可能出现的问题，对于设备安全应保守谨慎。

5.3高压开关柜等密闭空间内部器件工作状态

在打开电气柜的情况下对带电装置进行红外检测，将会大大增加设备与人员的危险，若条件允许，可改造加装红外窗口，通过红外窗口在满载下进行检查。红外窗口是一种由特殊材质制成，可透过紫外线、红外线以及可见光的光学窗口，并且具有电绝缘耐腐蚀、防水防尘、改造费用低、改造安装简单快捷等优点，尤其适用于高压开关柜。红外窗口主要分为长波红外窗口和短波红外窗口2种，其中长波红外窗口工作波长为0.15～14μm主要应用于低温、常温设备，当波长为0.15μm时，其红外线透过率为94%，当波长为12.5μm时，红外线透过率为92%；短波红外窗口工作波长为0.15～7μm，主要应用于超过500℃的高温物体。一般情况下，选择长波红外窗口即可满足普通行业电力系统要求。

6、结语

红外测温技术是在线测量温度、检测设备故障的一种新兴技术，可以准确判断电力系统中的电气设备的运行情况，促进整个运行管理水平的提升，其应用和推广已产生明显效果。随着红外测温技术的不断发展，运维人员需要对此技术有基础的了解，按规范使用，使事故发生率降至最低。运维人员在使用红外测温工具时，遇到的问题多数是由于对设备和技术了解不足，缺乏相关知识导致无法发现和意识到存在的问题。相关部门应增加对红外测温以及其他新兴技术的培训，使运维人员能够及时发现并解决问题，防患于未然。

参考文献:

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文章来源:田梓宇.电力系统中红外测温技术的应用问题分析[J].广播电视信息,2023,30