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5郭影响电力设备红外检测准确性因素的分析
影响电力设备红外检测准确性因素的分析研究
华北电力科学研究院有限责任公司马继先郭亮吕明谢丽芳
华北电力大学杨青
摘要:
本文介绍了电力设备红外检测的基本原理,探究了电力设备红外检测影响因素,从被测设备、红外仪器、检测环境三方面进行了分析,对设备发射率、测试距离和角度、设备负荷情况、仪器选择、大气衰减、阳光、环境辐射和风力等影响因素分别进行了分析。
通过对红外热像仪的测量准确性进行的试验研究,分析了红外热像仪中发射率、环境温度、湿度、距离等参数对准确性的影响。
结合理论研究和试验结果,最终从检测环境和操作方法总结出了提高红外诊断准确度的方法。
关键词:
电力设备红外准确性影响因素发射率环境温度
1引言
目前电力设备的检修模式已逐渐从定期检修向状态检修过渡,状态检修以当前的实际工作状况为依据,通过高科技的状态监测手段,识别早期征兆,对故障部位、严重程度和趋势作出判断,确定最佳维修时机。
完整的设备状态信息链条由停电试验、巡检、运行工况、带电/在线检测和家族性缺陷组成[1]。
其中带电检测是发现设备潜伏性运行隐患的有效手段,而红外检测作为非接触式的带电检测技术,更是得到了广泛的应用[2-6]。
如今红外检测的对象已逐渐从初期的接头过热发展到了电缆、避雷器、互感器等电压致热型、小温差设备整体发热情况[9-11],这就要求红外检测和诊断过程更加精确。
如何提高红外诊断的准确度,是本文的研究重点。
本文主要结合电力设备红外检测的具体工作,通过理论分析和试验研究,从被测物体、仪器性能及测温环境三个方面来研究电力设备红外诊断中的影响因素,以期得到准确而规范的红外检测操作方法。
2电力设备红外检测影响因素分析及预防措施
2.1被测设备的影响因素及措施
(1)发射率
测量物体的辐射功率得到准确的温度情况,必须知道物体的发射率。
在红外热像仪接收目标红外辐射功率相同的情况下,目标的表面发射率不同,将会得到不同的检测结果。
发射率主要取决于以下几个方面:
①材料性质,因为材料反射和透射性能存在差异;
②实际物体的表面状态,如表面粗糙程度、氧化程度和污秽程度等,影响表面反射率;
③材料的发射率也与温度有关,但尚未有定量的规律。
所以,应正确选择被测设备的辐射率,特别要考虑金属材料表面氧化对选取辐射率的影响。
(2)测试距离及测试角度
电气设备到测试仪器的距离及测试角度直接关系到能否发现故障及故障发热的测量准确度。
检测距离的选择应取决于被测目标尺寸和检测仪器自身瞬时视场(如图1所示),如果检测距离选得太远,则目标小于仪器的瞬时视场,仪器能以分辨目标细节,同时目标以外的空间背景辐射进入该视场造成测量误差。
测试距离的选取可参考仪器空间分辨率,如式
(1)所示。
空间分辨率=π/180×镜头度数÷像素
(1)
以P60型红外热像仪为例,镜头度数为24°,最大边像素数为320,空间分辨率为1.3mrd,表示仪器在10m远可分辨出13mm的目标。
图1红外热像仪瞬时视场示意图
测试角度能影响目标辐射表面的投影面积,检测仪器光轴与被测目标辐射表面不垂直时,仪器无法接受全部的红外辐射,同时目标也无法充满仪器的视场,造成温度测量误差。
(3)设备负荷情况
对于通常所说的接头引线发热的故障而言,发热功率与负荷电流平方成正比,设备负荷率较低时,故障部位温度并未达到标准要求的极限温升值。
随着负荷增长,故障部位的温度温升值将迅速增长,为了准确地发现故障部位,《带电设备红外诊断应用规范》规定检测电流致热型设备,最好在高峰负荷下进行。
一般情况,应在不低于30%的额定负荷下进行,同时应充分考虑小负荷电流对测试结果的影响,对精确检测,设备通电时间不小于6h,最好在24h以上,并详细记录被检设备的实际负荷电流、额定电流、运行电压,被检物体温度及环境参照体的温度值。
2.2红外热像仪的影响因素
(1)设备的选型
通常而言比较关注的仪器指标有测温范围(仪器波长范围)、空间分辨率、温度分辨率、显示像素,对于变电站内电力设备红外测温而言,参数选取可参照表1所示。
对于变电站运行人员,可以选取手持式红外热像仪进行日常巡检和设备普测,若要开展精确红外检测来进行设备故障诊断,则应选取便携式红外热像仪。
表1便携式和手持式红外热像仪主要性能参数的基本规定
项目
便携式红外热像仪
手持式红外热像仪
响应波长范围(μ/m)
长波8~14
长波8~14
空间分辨率(mrd)
不大于1.5
不大于1.9
温度分辨率(℃)
不大于0.1
不大于0.15
像素
不低于320×240
不低于160×120
(2)设备的稳定性及校验[13]
使用前需对仪器进行校验或标定,保证仪器和附件在检测期间的完好工作状态。
通常红外检测仪器要每两年校验一次。
使用过程中由于长时间的使用,会产生较大的热漂移,必须根据说明书的要求,定时地进行温度校正,来确保检测仪器在检测过程中具有良好的精度。
检测时,在仪器中将大气温度、相对湿度、测量距离等补偿参数输入,进行必要修正,并选择适当的测温范围。
2.3检测环境的影响因素
(1)大气衰减
不同波长的红外辐射在地球大气中传输时,会受到不同程度的衰减,即使选择的工作波段在红外线穿透能力很强的3个“大气窗口”,即:
0.76μm~2.5μm波段、3μm~5μm波段和8μm~14μm波段,也不可能百分之百地通过。
造成这种衰减的主要原因是:
一是大气中水蒸气、CO2、CO、O3、CH4等气体的选择性吸收;二是大气中悬浮的各种微粒(云、雾、雨、雪、冰晶烟尘、未燃烧的炭粒以及各种微生物等,统称为气溶胶)的散射[15-16]。
所以进行电力设备红外检测时,不应在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行。
(2)太阳光辐射
由于太阳光的反射和漫反射在3μm~14μm波长区域内,且它们的分布比例并不固定,而这一波段与红外热成像仪器的工作波段接近,因而极大影响红外热成像仪器的正常判断,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[17]。
电力设备红外检测的天气应以阴天、多云为宜,夜间图像质量为佳,户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头,在室内或晚上检测应避开灯光的直射,宜闭灯检测。
(3)环境辐射
环境辐射分为空气辐射和热源辐射两部分[18]。
开展实际检测工作时,被检测设备周围应具有均衡的背景辐射,应尽量避开附近热辐射源的干扰,某些设备被检测时还应避开人体热源等的红外辐射。
(4)风力
被测电气设备在室外露天运行,在风力较大时,由于风速的影响,发热缺陷的热量会被风力加速散发,使裸露导体及接触件的散热条件得到改善,散热系数值增大,不仅降低良好设备表面相对环境大气的温升,而且也降低电气设备有无故障部位以及相间的温差。
根据规程要求,对电力设备进行检测时风速一般不大于5m/s,对精确检测而言,风速一般不大于0.5m/s。
3红外热像仪准确性试验
根据红外检测影响因素的分析,进行红外检测时,除了满足人员、环境要求外,发射率、环境温度、距离、湿度等最基本的参数要求用户根据实际情况自行设置,以保证测温精度的可靠性[19]。
本文探讨红外热像仪实际使用过程中需要设置的参数对测量准确度的影响。
选用的试验系统由以下部分构成:
计算机,用于精确控制黑体温度,提供准确温度源;可控黑体源,具有确定的发射率;屏蔽罩,隔离红外热像仪检测通道,排除阳光辐射、周围环境辐射、风力等影响;中高端红外热像仪。
试验结构如图2所示。
其中包括精密控制的黑体源及方形标靶,其中黑体源参数如表2所示。
图2红外热像仪准确性测试平台结构图
表2红外热像仪评估系统紧密黑体源相关参数
温度范围(℃)
发射率
温度分辨率(K)
稳定精度(K)
0~100
0.97(2μm~14μm)
0.001
±0.003
实验平台图片如图3所示。
图3红外热像仪准确性测试平台图片
实验室测试环境为:
环境温度25.4℃、相对湿度16%、测试距离为0.5m、无风。
热像仪与黑体源完全垂直。
将环境参数输入仪器中,并将发射率设定为0.97,黑体温度设定为30℃时,拍摄到的热像图如图4所示。
黑体温度从0到100℃变化,热像仪对方形靶标测量值与黑体温度的关系如图5所示。
图4黑体源的红外热像图
图5正确参数设置时红外热像仪测试结果
由于屏蔽装置隔绝了太阳光辐射、环境辐射、风力的影响,本文探讨热像仪在发射率、
环境温度、距离、湿度等因素对红外检测准确性的影响。
(1)热像仪发射率设置对准确度的影响
黑体设置为30℃,改变热像仪发射率设置(0.9~0.99),测得结果如图6(a)所示,随着发射率的增大,热像仪检测到的温度值逐渐变小。
当黑体温度低于环境温度,设置为20℃时,进行同样测试得到结果如图6(b)所示。
在10℃、50℃和100℃分别进行以上试验,计算热像仪检测值与黑体真实温度的误差,得到与发射率相关的曲线,如图7所示。
从曲线可以看出,当被测物体温度低于环境温度时,随着发射率的增大,热像仪检测到的温度值逐渐变大。
(a)发射率改变时红外测试结果(30℃)(b)发射率改变时红外测试结果(20℃)
图6发射率改变红外测试结果
图7不同目标温度下测试结果误差随发射率的变化规律
对于电力设备而言,大部分情况下都是检测设备过热的情况,故障点的温度都是高于环
境温度的,故在日常的红外检测中,可以得到如下规律:
随着发射率增大,测试点温度值减
小,且目标温度越接近于环境温度,受发射率变化的影响越小。
以一组实际拍摄到的避雷器红外热像图为例,验证上述规律。
拍摄时的实验环境为:
环
境温度16.5℃、16%、测试距离为2.5m、无风,发射率设为0.92。
拍摄到的热像图如图8所示。
左侧相测试点为19.3℃,右侧相为27.3℃。
图8正确设置参数时的避雷器红外图
改变热像仪发射率设置(0.9~0.99),发射率为0.9时拍摄到的图像如图9(a)所示,左侧相测试点为19.3℃,右侧相为26.7℃;发射率为0.99时拍摄到的图像如9(b)所示,左侧相测试点为19.3℃,右侧相为27.5℃。
整体测得结果如图10所示,随着发射率的增大,左侧相温度始终保持不变,右侧相热像仪检测到的温度值逐渐变小。
(a)发射率改变时红外测试结果(0.9)(b)发射率改变时红外测试结果(0.99)
图9发射率改变时的避雷器红外图
图10发射率改变时避雷器红外测试结果
计算热像仪检测值与避雷器真实温度的误差,得到与发射率相关的曲线,如图11所示。
该曲线趋势与图7得到的规律吻合。
其中避雷器左侧相温度更趋近于环境温度,改变发射率
对测试点温度的影响小于该红外热像仪的探测精度。
图11两相避雷器测试结果误差随发射率的变化规律
(2)热像仪环境温度设置对准确度的影响
将热像仪发射率、湿度和距离按真实情况进行设置,改变环境温度设置,考虑真实测试环境,在0℃~50℃中均匀取点,测试结果与黑体温度误差曲线如图12所示。
随着热像仪环境温度设置值的增加,热像仪所检测到的温度值逐渐变小。
图12不同目标温度下测试结果误差随温度设置值的变化规律
仍选取上述避雷器红外热像图进行验证,改变环境温度设置,考虑真实测试环境,在0℃~50℃中均匀取点,测试结果曲线如图13所示,与图12得到的规律吻合。
图13两相避雷器测试结果随环境温度设置值的变化规律
(3)热像仪相对湿度和距离设置对准确度的影响
将热像仪发射率、环境温度和距离按真实情况进行设置,改变相对湿度设置,考虑真实测试环境,在10%~80%RH中均匀取点,测试结果与黑体温度误差曲线如图14所示。
可以看到,相对湿度的设置对测温结果几乎没有影响。
图14不同目标温度下测试结果误差随相对温度设置值的变化规律
对热像仪的距离参数修正功能进行试验后,结果显示,在本实验平台上,热像仪的距离设置对热像仪的测温结果只有微弱影响(见图15)。
图15不同目标温度下测试结果误差随距离设置值的变化规律
4提高电力设备红外诊断有效性的方法
传统意义上的红外诊断方法包括表面温度判断法、同类比较判断法、图形特征判断法、相对温差判断法和档案分析判断法等。
(1)表面温度判断法和图形特征判断法简单明了,判据简单,但对缺陷隐患缺乏预见性;
(2)相对温差主要用于电流致热性设备发热的判断,特别是对小负荷电流致热型设备,采用相对温差判断法可降低小负荷缺陷的漏判率;
(3)同类比较判断法是目前应用较多的方法,根据同组三相设备、同相设备之间及同类设备之间对应部位的温差进行比较分析,能消除绝大部分影响因素的影响;
(3)
(4)档案分析法分析同一设备不同时期的温度场分布,找出设备致热参数的变化,判断设备是否正常,按照此方法,各网省电力公司已建设正常运行设备的红外图谱库。
5结论
本文结合红外检测基本原理,从被测设备、使用仪器和检测环境等方面综合分析了影响电力设备红外诊断准确性的因素及相应的应对措施。
通过红外热像仪精度补偿功能试验,对红外热像仪的测量精度影响最大的两个参数是发射率和环境温度。
本文探讨的红外热像仪发射率发射率和环境温度设置对红外检测准确性的影响规律,能为今后电力设备的红外检测和温度修正提供依据。
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