1、红外测试技术理论与实践湖南省电力公司试验研究院2019.8.26 红外辐射的发现红外辐射的发现-1840年年 William Herschel 1800年英国的天文学家年英国的天文学家Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在
2、红光外侧，确实存在一种人眼看不见的外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线热线”，后来称为，后来称为“红外红外线线”，也就是，也就是“红外辐射红外辐射”。红外线就在我们身边！任何温度高于绝对零度（任何温度高于绝对零度（-273.16K）的物体都会）的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。电磁辐射频谱图电磁辐射频谱图通常把波长大于红色光线波长通常把波长大于红色光线波长0.75m，小于，小于1000m的的这一段电磁波称作这一段电磁波称作“红外线红外线”，也常称作，也常称作“红外
3、辐射红外辐射”红外线的分类红外线的分类根据红外线的波长分为：根据红外线的波长分为：近红外线近红外线-0.75m 3m；中红外线中红外线-3m 6m；(中波中波)远红外线远红外线-6m 15m；(长波长波)极远红外线极远红外线-15m 1000m仪器发展仪器发展Thermovision 680 Thermovision 5503.5C88.8C20406080AB点温计点温计1：30点温计红外检测与诊断技术的基本原理红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，自然界一切绝对温度高与绝对零度的物体，不停地辐射出红外线，辐射出的红外线带有物体的温度特征信息，这就是红外技术探测物体温度高低和温度
4、场分布的理论依据和客观基础。风速对测温的影响51525354555657585-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0Temperature T C 0 m/s 1 m/s 2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s10nm100nm1m10m100m1mm10mm100mm1m10m100m1kmX-RayUVVisibleIRMicrowaveRadiowave2m13mGamma-Ray43.532.521.510.503.4 m3.6m5 m7.5 m13.5 m 可见光波长范围可见光波长范围:0.38 0.78m 红外线波长范围红外线
5、波长范围:在在0.75m 1000m 红外线是一种电磁波红外线是一种电磁波(是是肉眼看不见的肉眼看不见的)。波。波长在长在0.75m 1000m之间。之间。近红外线近红外线-0.75m 3m；中红外线中红外线-3m 6m；远红外线远红外线-6m 15m；极远红外线极远红外线-15m 1000m。自然界任何物体只要温度高于绝对零度自然界任何物体只要温度高于绝对零度(-(-273.16 C273.16 C)就会产生电磁波就会产生电磁波(辐射能辐射能)。不同的不同的材料材料、不同的、不同的温度温度、不同的、不同的表面光度表面光度、不同的、不同的颜色颜色等，所发出的红外辐射强度都不等，所发出的红外辐射
6、强度都不同。同。红外线（红外辐射）红外线（红外辐射）用红外线热像仪来捕捉用红外线热像仪来捕捉(接收接收)物体表物体表面发出的红外辐射，显示物体表面辐射面发出的红外辐射，显示物体表面辐射能量密度的分布情况能量密度的分布情况(红外热成像红外热成像)。通过观察物体的通过观察物体的红外热分布图红外热分布图，并测，并测量所需位置的温度，来判断设备故障所量所需位置的温度，来判断设备故障所在的位置及程度。在的位置及程度。是被动的、非接触式的检测。是被动的、非接触式的检测。红外检测红外检测红外热像图和可见光图比较红外热像图和可见光图比较25.7C36.3C3035可见光图可见光图红外热图红外热图目标物体大气影
7、响热像仪热像图成像过程 影响红外线穿过大气的主要因素影响红外线穿过大气的主要因素 由物体所发出的由物体所发出的紅紅外辐射在穿过大气到达测量系外辐射在穿过大气到达测量系统时会受到衰减，而衰减主要来自统时会受到衰减，而衰减主要来自气体分子气体分子(水蒸气水蒸气等等)和各种微粒和各种微粒(尘埃尘埃、雪雪、冰晶等冰晶等)的吸收与散射。的吸收与散射。气体分子吸收辐射，而微粒散射辐射气体分子吸收辐射，而微粒散射辐射。水气水气(6.3(6.3m);m);二氧化碳二氧化碳,硫和氮的氧化物等硫和氮的氧化物等 (2.7(2.7m m 和和 1515m)m)大气衰减与波长密切相关。在某些波长，几公里大气衰减与波长密
8、切相关。在某些波长，几公里的距离也只有很少的衰减，而在另一些波长，经过的距离也只有很少的衰减，而在另一些波长，经过几米的距离辐射就衰减得几乎没有什么了。几米的距离辐射就衰减得几乎没有什么了。红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为“大气窗口大气窗口”。红。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口大气窗口”。短波窗口短波窗口在在15m之间，而之间，而长波窗口长波窗口则是在则是在814m之间之间红外辐射特性（规律）辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律 辐射功率随温度变化规律斯蒂芬波耳兹曼定律 辐射光谱的移动规律维恩位移定律
9、 红外辐射峰值波长与对应的温度 近红外0.76 1.5 m 35401658 中红外1.515 m 1658-80 远红外15750 m -80-269 极远红外7501000 m -269-270 电力设备的红外辐射位于中红外的范围内 我们通常所说远红外是对大气窗口而言Incident radiation WReflected radiation WAbsorbed radiation WTransmitted radiation W基本辐射规律 辐射的空间分布规律朗佰余弦定律 I=I0COS 黑体辐射 红外辐射与介质的作用usedinSW:3.6 5 m mm LW:8-12 m mm L
10、WSW辐射率辐射率 影响物体 发射率的因数很多，如物体表面的温度，光洁度、平整度、厚度、红外线波长等。氧化发黑的导线接头发射率约0.9，而抛光的表面金属，发射率只有0.1左右。对运行的电力设备进行红外测温探测，多数情况下是通过比较方法来判断的，因此一般只需求出相对温度值的变化或相对温差的比值，而无需过分强调被测目标物体的红外发射率，但若要精确测量目标物体的真实温度时，必须事先知道和了解物体的红外发射率（或称辐射率）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。Atmospheric transmission01020304050607080901002345678910111213W
11、avelength mTransmission%1 m3 m10 m30 m100m300m焦平面焦平面、非制冷非制冷 探测器探测器（2019年第一代，年第一代，2019年第二代，年第二代，2019年第三代，年第三代，2019年第四代年第四代)焦平面焦平面、内循环制冷内循环制冷探测器探测器 （1994年）年）光机扫描探测器光机扫描探测器(1958年至今年至今)工业检测已不用工业检测已不用内循环制冷内循环制冷热电制冷热电制冷液氮制冷液氮制冷国外国外 红外探测技术的发展过程红外探测技术的发展过程进口焦平面进口焦平面、非制冷非制冷 探测器探测器国内组装仪器（国内组装仪器（2019 年年）光机扫描光机
12、扫描 探测器探测器(研究机构一直在研制发展中研究机构一直在研制发展中)热电视热电视(热电视管热电视管)国内国内 红外探测技术的发展过程红外探测技术的发展过程 红外热红外热成像成像系统系统 用途用途:目标追踪监控，多用于国防军事领域。目标追踪监控，多用于国防军事领域。功能要求功能要求:图像越清晰越好，发现目标的距离越远越好。图像越清晰越好，发现目标的距离越远越好。（5Km5Km看到人游水）看到人游水）红外热红外热 成像成像 检测检测 系统系统 用途用途:以工业检测为目的，对设备进行预知性检测或以工业检测为目的，对设备进行预知性检测或研究，包括观察热分布图像研究，包括观察热分布图像、测量温度测量温
13、度、建立设备资料库、建立设备资料库、分析采集的数据以判断设备潜在故障的程度等。分析采集的数据以判断设备潜在故障的程度等。功能要求功能要求:图像尽量清晰；温度测量不止要图像尽量清晰；温度测量不止要准确准确，还要，还要稳定稳定，不受环境影响；现场操作简单方便；后处理分析，不受环境影响；现场操作简单方便；后处理分析软软件件功能强等因素均应考虑。功能强等因素均应考虑。红外线热像仪按使用用途可大概分成红外线热像仪按使用用途可大概分成两大类两大类:红外热成像技术的应用红外热成像技术的应用1.状态监测冶金机械化工电力1.成像部分成像部分物物体体镜头镜头光栅光栅探测器探测器红外热图红外热图辐射线辐射线2.测温
14、校准系统测温校准系统物物体体对大气系数对大气系数的校准的校准热图热图对仪器本体辐射对仪器本体辐射的校准的校准A.A.B.B.*评估一台评估一台工业检测用的工业检测用的红外线热像仪的性红外线热像仪的性能，这两部分都是非常重要的，缺一不可！能，这两部分都是非常重要的，缺一不可！工业检测用工业检测用热像仪简单的工作示意图热像仪简单的工作示意图性能良好性能良好工作稳定工作稳定的检测用的检测用红外热像仪红外热像仪自动有效的自动有效的测温校准系统测温校准系统 成熟先进的图成熟先进的图像采集系统像采集系统功能强大使用方功能强大使用方便的后处理软件便的后处理软件红外热像仪两个重要参数温度分辨率 温度分辨率标志
15、着红外成像设备整机的热成像灵敏度，是一项极为重要的参数指标，它可以用主观参数或客观参数表示。目前常用的主观参数为最小可分辩温差（MRTD）和最小可探测温差（MDTD）。它是通过观察人员对特定的目标进行主观判断，以临界显示为标准，来确定目标与背景的最小温差。温分辨率的客观参数是噪声等效温差（NETD）。它是通过仪器的定量测量来计算出热电视的温度分辨率，从而是排除了测量过程的主观因素。它定义为当信号与噪声之比等于1时的目标与背景之间的温差。空间分辨率 热电视的温度分辨率通常是在零空间频率下测定的。在任意空间频率下的温度分辨率T（f），不仅取决于噪声等效温差，而且与热电视的调制传递函数（MTF）有关
16、。即T（f）=NETD/MTF 空间可探测到的最小的点 1毫弧度 10米1厘米 一、温度 二、温差与相对温差 同一被测的物体的不同部位，或不同被测物体之间的温度差值称为温差。三、温升 温升是反映被测物体的测量温度与周围环境温度之差的温度值。四、相对温差 t（12）/1测量技术31.7C64.2CSP01*:39.7CSP02*:39.7C31.7C64.2CSP01*:39.7CSP02*:38.9C大气传输大气传输.-5.0C16.8CSP01*:2.2C-19.0C12.3CSP01*:-8.2C环境温度的影响环境温度的影响-19.0C12.3CSP01*:-2.2CLI01*:-7.4C
17、AR01*:7.9CAR02*:-2.8CAR03:-4.4C测量功能测量功能22.0C60.7C406022.0C60.7C4060色板色板22.0C60.7C406022.0C60.7C4060灰度等级灰度等级24.2C31.8C2530温度范围温度范围32.4C42.3C3540等温线等温线SW、LW28.6C48.6C303540456.6C48.1C10203040辐射系数 辐射系数消除误差的方法1、模拟黑体法2、参考黑体法3、涂料法4、直接测定法5、接触测温法35.1C89.8C406080AR01*:83.9CAR02*:83.8C测量辐射系数测量辐射系数 红外诊断技术在电力工业
18、中的应用电力设备在正常工作的时候，由于电流电压的作用，将产生发热。这些发热的形成有多种多样。一、各种发热形成 1.电阻损耗 按照焦耳定律，电流通过导体存在的电阻将产生热能，其发热功率为P=KfI2R（W）式中：P发热功率（W）T电流强度（A）R电器或载流导体的直流电阻（）Kf附加损耗数 2.介质损耗 电气绝缘介质，由于交变电场的作用，使介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热，由此而产生的发热功率为 P=U2ctg（W）式中：U施加的电压（V）交变电压角频率 C介质的等值电容（F）tg介质损耗角正切值 这种发热为电压效应引起的发热。3.铁损 当在励磁回路上施加工作电压时，由于铁芯的磁滞、涡流而
19、产生的电能损耗并形成发热。以上三种发热形式，在正常运行的设备中也同样存在，这时设备表现为正常的热分布。若设备出现异常，这些发热机理将加剧或表现异常，则其热分布图像也与正常情况不一样。电力设备热故障分类 电气设备的外部故障 所谓高压电气设备的外部故障，主要是指对外界可以直接观测到的设备部位发生的故障。其中又可以分为两种类型：一类是长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障。另一类则是由于表面污秽或机械力作用引起绝缘性能降低造成的过热故障，如绝缘子劣化或严重污秽，引起泄漏电流增大而发热。这类故障可以直接暴露在红外诊断仪器的视场范围之内，所以，检测和诊断都比较容易，能够做到直观
20、且一目了然。（1）设备设计不合理 （2）安装施工不严格，不符合工艺要求。如连接件的接触表面未除净氧化层及其它污垢；焊接工艺差；或紧固螺母不到位；末拧紧；或者是末加弹簧垫圈；或者是由于连接件内导体不等径等。（3）导线在风力舞动下或者外界引起的振动等机械力作用下，以及线路周期性过载及环境温度的周期性变化。也会使部件周期冷缩热胀，引起连接松驰。（4）长期裸露在大气环境中工作，因受雨、雪、雾有害气体及酸、碱、盐等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀，造成接头表面材料氧化等。（5）长期运行引起弹簧老化等。电气设备的内部故障 所谓高压电气设备的内部故障，主要是指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘
21、介质劣化引起的各种故障。故障出现在电气设备的内部，无法象外部故障那样能够从设备的外部直接检测出来。根据各种电气设备的内部结构和运行状态，依据传热学理论，分析传导、对流和辐射三种热传递形式沿不同传热路径的贡献（多数情况下只考虑导与对流），结合模拟试验与大量现场检测实例的统计分析和解体验证，从电气设备外部显现的温度分布热像图，分析判断与其相关的内部故障。（1）内部电气连接不良或触头不良故障。如封闭在绝缘盒内的发电机定子线棒接头焊接不良、各种上高压电气设备内部导电体连接不良、断路器触头不良、高压电力电缆出现鼻端连接不良等。此类故障的发热机制与外部故障相同，。（2）介质损耗增大故障。各种以油作绝缘介质
22、的高压电气设备，一旦出现绝缘介质劣化或进水受潮，都会因介质损耗增加而发热。其发热机制属于电压效应发热，发热功率可用P=U2wctg表示。（3）绝缘老化，开裂或脱落故障。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料因材质不佳或运行中老化，引起局部放电而发热；或者因老化、开裂或脱落，引起绝缘性能劣化或进水受潮，这种故障发热也属于电压效应发热。（4）电压分布不均匀或泄漏电流过大性故障。（5）涡流损耗（铁损）增大性故障。对于由绕组线圈或磁路组成的高压电气设备，由于设计不合理、运行不佳和磁回路不正常引起的磁滞、磁饱和与漏磁；或者由于铁芯片间绝缘破损，造成短路时，均可引起局部发热或铁制箱体发热。其发热机制为铁损或涡
23、流损耗发热。（6）缺油故障。油浸高压电气设备由于漏油而造成油位低下，严重者可引起油面放电，并导致表面温度分布异常。这种热特征，除放电时引起发热外，主要是由于设备内部油面上下介质的热物性不同所致。其他发热 特殊运行方式。过负荷或电压变化过大、单相运行等引起的故障，或者冷却系统设计不合理与堵塞、散热条件差等引起的故障。红外诊断的影响因素及对策 大气吸收的影响 红外辐射在传输过程中由于大气的吸收作用总要受到一定的能量衰减。大气中的水蒸气H2O，二氧化碳CO2，臭氧O3，氧化氮NO，甲烷CH2，一“大气窗口”的三个波长区域12，5m、35m和814m受大气吸收的影响尽管很小，但辐射能量仍会被衰减，有选
24、择地吸收一定波长的红外线。应在无雨无雾，空气湿度最好低于75%的环境条件 大气尘埃及悬浮粒子的影响 大气中的尘埃及悬浮粒子的存在是红外辐射在传输过程中能量衰减的又一个原因。这主要是由于大气尘埃的其它悬浮粒子的散射作用的影响，使红外线辐射偏离了原来的传播方向而引起的。悬浮粒子的大小与红外辐射的波长0.7617m相近，当这种粒子的半径在0.5880m之间时，如果相近波长区域红外线在这样的空间传输，就会严重影响红外接收系统的正常工作。应在无尘或空气清新的环境条件下进行 风力的影响 当被测的电气设备处于室外露天运行时，在风力较大的环境下，由于受到风速的影响，存在发热缺陷的设备的热量会被风力加速散发，使
25、裸露导体及接触件的散热条件得到改善，散热系数增大，而使热缺陷的设备的温度下降 辐射率的影响 一切物体的辐射率都在大于零和小于1的范围内，其值的大小与物体的材料、表面光洁度、氧化程度、颜色厚度等有关。辐射率与测试方向有关，最好保持测试角在30之内，不宜超过45。当不得不超过45时，应对辐射率做进一步修正。邻近物体热辐射的影响 当环境温度比被测物体的表面温度高很多或低很多时，或被测物体本身的辐射率很低时，邻近物体的热辐射的反射将对被测物体的测量造成影响。太阳光辐射的影响 当被测的电气设备处于太阳光辐射下时，由于太阳光的反射和漫反射在314m波长区域内，且它们的分布比例并不固定，因这一波长区域与红外
26、诊断仪器设定的波长区域相同而极大地影响红外测温仪器，特别是红外成像仪器的正常工作和准确判断，同时，由于太阳光的照射造成被测物体的温升将叠加在被测设备的稳定温升上。所以红外测温时最好选择在天黑或没有阳光的所以红外测温时最好选择在天黑或没有阳光的阴天进行，这样红外检测的效果相对要好得多。阴天进行，这样红外检测的效果相对要好得多。红外诊断方法 表面温度判断法 相对温差判断法 同类分析判断法 热图分析判断法 档案分析判断法带电设备红外诊断技术应用导则Spot 1 57.6Spot 2 75.0*80.1C*47.7C*38.9C*35.6C*31.7C*43.0C*46.2C*37.4C*30.5C*50.0C*31.8C*33.1C*55.5C*66.3C*36.7C*23.3C24.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.035.036.025.742.430354035kV开关内部接触不良26.836.5283032343625.029.726272829LI01110V穿墙套管浇注工艺问题26272829li01LineMinMaxCursorli0125.329.8-CIR01异常温度曲线51.899.7变压器漏磁通谢谢
