电力设备红外检测技术课件.pptx
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- 电力设备 红外 检测 技术 课件
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1、电力设备红外检测技术一、红外线的基本知识二、红外仪器的选择三、电力设备的红外检测四、标准规范五、典型图谱六、红外检测的影响因素报告编写内容1800年英国的天文学家Mr.William Herschel 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。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,在红光外侧,确实存在一种人眼看不见的“热线”,后来称为“红外线”,也就是“红外辐射”。红外线的发现红外检测的基本原理电电磁磁波波谱谱通常把波长大于红色光线波长0.75m ,小于1000m的这一段电磁波称作“红外线”
2、 ,也常称作“红外辐射” 红外检测的基本知识红外线普遍存于自然界中任何温度高于绝对零度(-273.16 )的物体都会发出红外线,比如冰块。红外检测的基本知识 红外线在大气中传播受到大气中的多原子极性分子,例如二氧化碳、臭氧、水蒸气等物质分子的吸收而使辐射的能量衰减,但存在三个波长范围分别在(1 2.5m)、(35m)、(814m)区域吸收弱,红外线穿透能力强,称之为“”。红外检测的基本知识 红外辐射的大气穿透红外辐射的大气穿透红外线在大气中穿透比较好的波段,通常称为 “大气窗口”。红外热成像检测技术,就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1-5m之间,而长波窗口则是在8-14m之间一般红外线
3、热像仪使用的波段为:短波 (3m - 5m); 长波 ( 8m -14m) 红外检测的基本知识 红外线在真空中的传播:C3108m/s 波长 =C/ C:速度 :波长 :频率 红外线的两个重要特征 红外线除了具有电磁波的本质特征以外,还具有自身的几个个重要特征: 普郎克定律、维普郎克定律、维恩定理恩定理 、韦氏偏移定律、基尔霍、韦氏偏移定律、基尔霍夫定律夫定律 红外检测的基本知识红外检测的基本知识 普朗克定律:一个绝对温度为T(K)的黑体,单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mb (T)与波长、温度T满足下列关系:其中 W: 光谱辐射分布;: 波长
4、 (m);T: 绝对温度 (K)C1: 第一辐射常数3.7418; C2: 第二辐射常数1.4388W(,T) CeW普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 红外检测的基本知识斯蒂文-波尔兹曼定律: 为了求出黑体的全部辐射量,将普朗克定律公式在整个波长(0-)内积分。黑体的辐射能量和绝对温度的4次方成正比。M:斯蒂文-波尔兹常数 凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射,而且,黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且,只要当温度有较小变化时,就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率,不是就能确定黑体的温度了吗?因
5、此,斯蒂文-波尔兹曼定律是所有红外测温的基础。 红外检测的基本知识T韦氏偏移定律:黑体光谱辐射最大时的波长 随着黑体温度的增加,红外辐射能量的强度也增加,辐射的最大值向波长短的一侧移动。温度越高辐射出的波长越短红外检测的基本知识基尔霍夫定律:吸收本领大的物体,其发射本领大,如果该物体不能发射某一波长的辐射能,也决不能吸收此波长的辐射能。热传导热对流辐射红外检测的基本知识辐射是从物质内部发射出来的能量。物质分子内原子的相对振动,分子转动,晶体中原子的振动都随之被激发到更高能级,当它向下跃迁时,就进行辐射,这种辐射称之为热辐射。红外检测的基本知识 物体吸收自然界中的入射辐射。 物体在吸收入射辐射的
6、同时,也向外界发出红外辐射。物体接收的入射辐射物体接收的入射辐射 辐射物体向外发出自身能量 吸收物体获得并保存来自外界的辐射 反射物体弹回来自外界的辐射 透射来自外界的辐射经过物体穿透出去入射辐射 Win反射辐射 W吸收辐射 W透射辐射 WW +W+W= Win=100% +=1红外检测的基本知识物体发出的红外辐射物体发出的红外辐射反射辐射源反射辐射 WTTT透射辐射源透射辐射W自身辐射W物体发出的辐射WexW+W+W= Wex=100%+=1红外检测的基本知识来自物体自身发出的辐射来自物体自身发出的辐射史蒂芬-波兹曼定律W=*T4物体自身的红外辐射是各个方向的,辐射量取决于物体自身的温度以及
7、它的表面辐射率,所有物体都有温度以及表面辐射率,所以所有物体都有红外辐射。 物体温度越高,红外辐射越多,反之,物体温度越低,辐射越低;辐射率也一样,即使物体温度一样,高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。 T红外检测的基本知识红外检测仪器 红外测温仪(点温计) 被测物体的红外辐射能量与温度成一定的函数关系,辐射能量通过仪器的透镜,滤光片,会聚到探测器,探测器将辐射能转换成电信号,经过放大器,A/D转换器的处理,最后显示出温度值。 红外测温仪(点温计)的主要技术参数为距离系数 距离系数KL=L/o 式中可kl距离系数 L目标距离 O目标直径
8、 距离系数越大,表明性能越高,允许被测物体越远越小,在距离远目标小的物体,例如变压器套管头,穿墙套管头等应选用距离系数大的红外测温仪,否则可能会造成很大的误差。红外检测仪器ABC 当测量目标A的温度时,背景 C对测量结果有影响,目标B对目标A的测量温度无影响。 红外点温仪测量示意图红外检测仪器红外热像仪(焦平面) 红外热像仪是当今红外检测与诊断技术所应用的最先进的仪器,分为光机扫描系统和焦平面两大类,近几年焦平面数字式红外热像仪发展迅速,克服了光机扫描系统的复杂性和不可靠性,有逐步取代光机扫描红外热像仪的趋势。 焦平面红外热像仪数字式的核心元件是有数万个各自独立的半导体光电耦合器件(硅铂、碲镉
9、汞、锑化铟等)构成的焦平面阵列集成电路。红外检测仪器红外热像仪可将不可见的红外辐射转换成可见的图像。物体的红外辐射经过镜头聚焦到探测器上,探测器将产生电信号,电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分,再转换成我们能在显示器上看到的红外图像。信 号 处 理 器显 示 器二维焦平面列阵探测器 (FPA) 光学系统红 外 热 图可 见 光 图红外检测仪器21.8C61.0C406021.8C61.0C406021.8C61.0C406021.8C61.0C4060铁红彩虹黑白黑白反相调色板红外检测仪器红外热像仪两个重要参数 温度分辨率温度分辨率 空间分辨率空间分辨率红外检测仪器 温度分辨率 温度
10、分辨率标志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。红外检测仪器空间分辨率 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
11、递函数(MTF)有关。即T(f)=NETD/MTF空间可探测到的最小的点 1毫弧度 10米1厘米红外检测仪器 空间分辨率是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数(仪器可分辨物体大小的能力),以毫弧度表示。 空间分辨率 = /180 x 镜头度数 像素数 HV24 18 空间分辨率和镜头的视场角有关,和探测器像元数有关 红外检测仪器 视 场 角竖 直 视 场 角水平视场角F O V红外检测仪器 80度 45度 24度 (标准) 12度 7度 显微镜头 (100/200)镜 头红外检测仪器不同镜头检测效果示意图12度镜头7度镜头24度镜头检测距离 - 60米红外检测仪器12度镜头7度镜头不同镜头检
12、测效果示意热图检测距离 - 60米 红外检测仪器拍摄图像的技巧超出仪器标定温度 调好焦距 未调好焦距 温度范围设置过高 温度范围 聚焦 图像构成 当几个物体处于同一温度下,各物体的红外辐射功率与吸收的功率成正比。实际物体红外辐射的功率与相同条件下黑体红外辐射功率的比值,称比辐射又称为辐射率或发射率用符号表示其比值是一个小于1的数。 1 式中: P物体在单位时间内红外辐射的功率 Ph黑体在单位时间内红外辐射的功率 物体的发射率 因此,实际物体的发射率表示它的辐射能力与黑体辐射能力的接近程度,物体的红外辐射能力与其发射率成正比。辐射率红外检测仪器茶壶中装满热水,茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不锈钢
13、的高,尽管两部分的温度相同,但右边的辐射要比左边的高,这也意味着物体右边的散热效率要比左边的高,如果用红外热像仪观看,右边看上去要比左边热温度相同,不同辐射率的对比红外检测仪器红外检测仪器电平值和跨度值跨度值电平值在所选择的温度范围内,调节出合适的电平值和跨度值能优化图像,并能提高图像的对比度。一般来说热像仪都有自动调节电平值和跨度值的功能,能方便我们快速地获取一个清晰的图像。但往往手动调节更能获得我们想看到的目标细节。 红外检测仪器温宽(SPAN)是指我们当前使用的温度范围内的一段,另外可以认为它就是“热对比度”,它越宽图像的对比度越差,反之越好。 温宽值 1535 温宽值 050 0.05
14、0.00102030405015.035.01520253035红外检测仪器20.050.0203040505.035.0102030 电平值 = 20 电平值 = 35电平值(LEVEL)是温宽值的中间值,它可以认为是 “热亮度”,它调得越高,图像越暗,调低图像变亮。红外检测仪器28.1C42.6C30354024.2C31.8C2530同一个图像中有多个目标,目标间的温差也比较大,我们就可以通过调节电平值和跨度值(Level and Span)分别看清我们所关心目标的温度分布细节,如上图所示的开关,我们可通过调节依此看清每一相的热分布 红外检测仪器在实际测量中,我们常采用自动调节电平值和跨
15、度值,但对于与环境温差较 大,自身温度分布差别不大的目标,手动调节图像会更清晰,如测量电压型设备的电容器、避雷器或线路的绝缘子。红外检测仪器温度范围电平/范围范围电平温度范围与电平、范围之间的关系调色板的选择21.8C61.0C406021.8C61.0C406021.8C61.0C406021.8C61.0C4060铁红彩虹黑白黑白反相红外检测仪器 选择合适的镜头(正常24度) 设置辐射率(0.9) 检测距离、环境温湿度设置 选择调色板 调准焦距 根据被测温度调节电平测试准备流程:红外检测仪器 3.1电力设备发热的机理 3.2设备故障原因 3.3各类设备的检测要点三、电力设备红外检测 3.1
16、电力设备发热的机理 3.2设备故障原因 3.3各类设备的检测要点三、电力设备红外检测电力设备的红外检测 3.1电力设备发热的机理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。 各种发热形成 3.1.1 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附加损耗数电力设备的红外检测 3.1.2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
17、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。电力设备的红外检测 3.1.3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。电力设备的红外检测 3.1电力设备发热的机理 3.2设备故障原因 3.3各类设备的检测要点三、电力设备红外检测3.2电力设备故障的分类 3.2.1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
18、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,能够做到直观且一目了然。 电力设备的红外检测 (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
19、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。外部故障原因:电力设备的红外检测 3.2.2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,无法像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
20、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。电力设备的红外检测 (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。电力设备的红外检测 (2)介质损耗增大故障。各种以油作绝缘介质的高压电气设备,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。电力设备的红外检测 (3)
21、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。 电力设备的红外检测 (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流损耗发热。 电力设备的红外检测 (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
22、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。电力设备的红外检测2.2.3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。电力设备的红外检测 3.1电力设备发热的机理 3.2设备故障原因 3.3各类设备的检测要点三、电力设备红外检测3.3各类设备的红外检测要点一、变压器;二、电流互感器;三、电压互感器;一、变压器;二、电流互感器;三、电压互感器;四、电容器;五、断路器;六、四、电容器;五、断路器;六、GIS设备;设备;七、隔离开关;八、避雷器;九、阻波器;七、隔离开关;
23、八、避雷器;九、阻波器;十、绝缘子;十一、电力电缆;十、绝缘子;十一、电力电缆;十二、电抗器;十三、导引线;十四、二次设备十二、电抗器;十三、导引线;十四、二次设备电力设备的红外检测 变压器是电网中最为关键的设备之一,担负着电能输送和电压转换的作用。 变压器组成部件包括本体、冷却装置、调压装置、保护装置(气体继电器、储油柜、测温装置等)和出线套管。 目前,红外测温是变压器带电条件下的状态检测有效检测手段之一,通过红外热成像技术可以发现变压器本体、储油柜、套管、冷却器及其控制回路等大量不同类型的缺陷。 3.3.1变压器各类设备的红外检测要点 本体 变压器本体由铁芯、线圈、油箱、绝缘油等组成,由于
24、体积大、内部油循环,很难通过红外检测发现变压器内部故障或缺陷,但可以发现严重漏磁一类的发热缺陷。 储油柜 储油柜俗称油枕,为一圆筒型容器。当变压器油热胀时,油由油箱流向储油柜;当变压器油冷缩时,油由储油柜流向油箱。变压器储油柜按照结构可分为敞开式、隔膜式、胶囊式、金属纹波式,在油位指针指示不准的情况下,可以通过红外检测其真实油位。 各类设备的红外检测要点 套管 变压器套管是将变压器内部高、低压引线引到油箱外部的绝缘套管。套管按结构可分为电容式、充油、纯瓷套管和合成套管。电容式套管由导电杆、电容屏、绝缘油、外瓷套等组成。通过红外检测手段能发现套管缺油、主绝缘介损偏大等各类缺陷, 冷却器 冷却器又
25、称散热器,用油循环方式散热。变压器常见冷却方式有自冷、风冷、强油风冷等,冷却器主要由散热片、联管、阀门、风扇、潜油泵等组成,能常发现油阀门没打开、冷却效率低下、风扇油泵缺陷。各类设备的红外检测要点 电流互感器是将系统高电压、大电流的信息传递到低电位、小电流的二次侧,联络一次系统和二次系统的重要元件 ; 电流互感器按照绝缘介质可分为充油电容型、SF6气体绝缘互感器,35kV及以下电压等级有固体绝缘互感器 ; 电流互感器由一次导电回路、电容屏、绝缘油/气体、二次线圈、外瓷套等组成; 通过红外检测手段不仅能有效发现一次连接点发热等电流致热缺陷,还能检测到介损超标等电压致热型缺陷。 3.3.2电流互感
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