劉樹成 趙艷秋

摘要：在分析了我國電氣防火現(xiàn)狀并介紹了紅外熱像儀的工作原理之后，重點(diǎn)介紹了氣象條件、環(huán)境、背景輻射、大氣衰減和被測(cè)目標(biāo)發(fā)射率對(duì)測(cè)量精度的影響及相應(yīng)對(duì)策，最后通過應(yīng)用實(shí)例證明了紅外測(cè)溫技術(shù)在電氣防火中的重要地位。

關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫、電氣防火、紅外熱像儀

0引言

當(dāng)今社會(huì)，電能已成為人類最重要的能源之一。然而，在用電量大幅提升的同時(shí)，電氣火災(zāi)也隨之大量發(fā)生。發(fā)生電氣火災(zāi)的起因主要有短路、過熱、超負(fù)荷、接觸不良和漏電等。但是，電氣系統(tǒng)的局部過熱的火花放電往往由于處于十分隱蔽的部位，往往不容易被傳統(tǒng)的檢查所發(fā)現(xiàn)。

紅外測(cè)溫技術(shù)由于其非接觸、不停電、不取樣等優(yōu)點(diǎn)，已在高壓電線巡檢、配電設(shè)備和變電站等電氣設(shè)備的故障診斷、火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1、紅外熱像儀的工作原理及影響因素

根據(jù)紅外輻射信號(hào)不同，熱成像可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。目前電力系統(tǒng)常用被動(dòng)式紅外熱像儀。它的基本結(jié)構(gòu)由紅外鏡頭、探測(cè)器、顯示記錄系統(tǒng)等構(gòu)成。工作過程是把被測(cè)目標(biāo)表面溫度分布借助紅外輻射信號(hào)的形式，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)已省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）成像在紅外探測(cè)器上，再由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理后通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示出被測(cè)物體表面溫度分布的紅外熱像圖。

由紅外熱像儀的工作原理可知，實(shí)際上物體的溫度不是直接量測(cè)到的，而是紅外線輻射能投射到熱像儀上，此種輻射能與物體表面溫度遵循斯蒂芬·波爾茲曼定律[2]。也就是說紅外熱像儀測(cè)量的是輻射通量。探測(cè)器所測(cè)量的輻射通量通常由三部分組成。

用公式可表示為：

式中 ?S0——接收到的總輻射能量 ? St——被測(cè)物體輻射能量

Sa——環(huán)境物體反射輻射能量 ? ? ? ? Satm——大氣的輻射能量

所以影響紅外熱像儀測(cè)溫的因素主要有環(huán)境、背景輻射、大氣衰減、被測(cè)目標(biāo)發(fā)射率等因素的影響。

2、影響紅外熱像儀測(cè)溫的因素及修正方法

2.1 氣象條件、環(huán)境、背景輻射的影響及對(duì)策

不良的氣象條件（如霧、雨、雪、低溫、大風(fēng)等），不僅會(huì)對(duì)紅外輻射在大氣傳輸過程中能量衰減產(chǎn)生影響，還會(huì)給故障檢測(cè)帶來不利影響。因?yàn)樵谶@樣的天氣檢測(cè)，會(huì)改善故障部位的散熱條件，使故障部位增大散熱量。

風(fēng)速是影響設(shè)備表面對(duì)流散熱的重要因素，風(fēng)速越大、對(duì)流散熱量越多。并且，與環(huán)境大氣溫差越大，對(duì)流散熱量也越多。因此，隨著風(fēng)速增大，不僅降低良好設(shè)備表面相對(duì)環(huán)境大氣的溫升，而且也降低電氣設(shè)備有無故障部位或相間的溫差，使得故障檢測(cè)與識(shí)別變得更加困難[3]。

太陽光的照射也對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)被測(cè)設(shè)備處于陽光照射下時(shí)，儀器接收到的紅外輻射就會(huì)包括直接入射和經(jīng)背景反射和散射的太陽輻射。另外太陽光的照射還會(huì)造成被測(cè)設(shè)備溫升的疊加，可引起設(shè)備產(chǎn)生大約10-15℃的附加溫。另外大氣輻射構(gòu)成背景輻射也會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

針對(duì)這種情況，我們就要選擇無霧、無雨雪、無風(fēng)的天氣進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)戶外設(shè)備時(shí)盡量在無陽光照射的時(shí)間內(nèi)。

2.2大氣衰減的影響及對(duì)策

自然界中無處不在的大氣對(duì)紅外輻射有著顯著的影響。被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)向檢測(cè)儀器傳輸過程中大氣的吸收和散射導(dǎo)致被測(cè)目標(biāo)輻射信號(hào)衰減。大氣中以水蒸汽及CO2以為主的氣體分子對(duì)一定波長的紅外線有選擇性的吸收作用，以及大氣塵埃的其他懸浮粒子的散射作用使紅外輻射在傳輸過程中能量衰減。所以，設(shè)備輻射能量的傳輸衰減隨著檢測(cè)儀器到被測(cè)設(shè)備之間距離的增大而增加。

實(shí)驗(yàn)研究表明，大氣對(duì)紅外輻射的吸收程度與紅外輻射的波長有關(guān)。紅外線按波長范圍可分為近紅外（0.75～3.0μm）、中紅外（3.0～6.0μm）、遠(yuǎn)紅外（6.0～15.0μm）、極遠(yuǎn)紅外（15.0～1000μm）四類。其中在3.0～5.0μm 和8.0～14.0μm處輻射在大氣傳輸中透過率較高，約為80%，這兩個(gè)波段被我們稱之為“紅外窗口”。利用這兩個(gè)窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在雨、雪等惡劣環(huán)境，能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)。所以我們要盡量選用響應(yīng)波長范圍為8.0～14.0μm的紅外檢測(cè)儀器。另外，為減少大氣衰減對(duì)紅外檢測(cè)的影響，我們應(yīng)盡量安排在天氣較干燥和清潔的季節(jié)檢測(cè)，在不影響安全的條件下，盡量縮小檢測(cè)距離。

2.3被測(cè)目標(biāo)發(fā)射率的影響及對(duì)策

任何紅外檢測(cè)儀器都是通過設(shè)備表面紅外輻射功率來獲得設(shè)備溫度（或故障）信息的。然而，在紅外儀器接收目標(biāo)紅外輻射功率相同的情況下，因設(shè)備表面發(fā)射率不同，將得到不同的溫度測(cè)量結(jié)果。當(dāng)儀器接收相同輻射功率時(shí)，發(fā)射率占越低的物體，顯示的溫度越高。因?yàn)槲矬w表面發(fā)射率主要決定于材料性質(zhì)和表面狀態(tài)，所以，即使由同種材料制成的相同設(shè)備部件（如變壓器三相套管），或同一部件在不同時(shí)期，盡管實(shí)際溫度相同，但因表面狀態(tài)不同，仍可顯示不同測(cè)溫結(jié)果。這必將給檢測(cè)結(jié)果和診斷判別帶來不統(tǒng)一。而且，在同一設(shè)備不同相的部件之間也難以做有無故障的比較。

為克服發(fā)射率影響，在檢測(cè)前應(yīng)首先從有關(guān)資料中查出被測(cè)設(shè)備部件表面的發(fā)射率值，通過紅外儀器進(jìn)行發(fā)射率修正，也可采用紅外軟件對(duì)發(fā)射率值進(jìn)行修正。

3、結(jié)論

紅外檢測(cè)技術(shù)以其不接觸設(shè)備、不需要取樣、不要求設(shè)備停運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)在電力診斷中越來越重要，它對(duì)保證電力安全生產(chǎn)和提高可靠性方面取得了明顯的效果。

某變電站變壓器10KV套管A相線夾發(fā)熱紅外熱像圖70℃時(shí)與運(yùn)行一段時(shí)間后103℃紅外熱像圖明顯有差別，能夠看出該設(shè)備缺陷已演變非常嚴(yán)重，我們就應(yīng)該及時(shí)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡紅光.電力設(shè)備紅外診斷技術(shù)與應(yīng)用[M]，中國電力出版社， 2012-8-1

[2] 羅軍川.電氣設(shè)備紅外診斷實(shí)用教程[M] ，中國電力出版社， 2013-1-1

[3] 楊立.紅外熱成像測(cè)溫原理與技術(shù)[M]，科學(xué)出版社發(fā)行部， 2012-6-1