红外热成像技术在机电设备维护中的应用

【前言】红外热成像技术在机电设备维护中的应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1800年英国的天文学家F. W. 赫胥尔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...

摘 要:红外热成像技术是一种诊断设备故障和线路热缺陷的先进测试技术，对及时发现、处理、预防重大事故的发生起到举足轻重的作用。对保障设备的安全运行和推进检修制度改革也具有一定作用。本论文以FLUKE热像仪为例对红外热成像原理及应用红外热成像技术对设备常见故障分析进行介绍，探讨了设备红外故障诊断的方法。用FLUKE Ti25 热像仪分别对运营大风机ZPF—I隔离开关和低压配电室1K、2K进行拍摄，并对热成像图进行分析。通过实例说明了红外热成像技术在检测设备故障中的应用，旨在提高对设备热缺陷判定和定性的准确性，最终实现设备状态预知维修，为设备的安全运行奠定技术基础。

关键词：红外热成像故障诊断设备维护

中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A 文章编号：

发热常常是设备损坏或功能故障的早期征兆，这是它成为在预测性维护计划中所监视的一个关键性能参数。进行红外热像预测性维护的技术人员定期对关键设备的温度进行检查、记录，随时跟踪设备的运行状况，并快速发现异常读数以便进一步检查。通过监视设备性能并在需要时安排维护，可降低因设备故障而发生的非计划性停产的可能性，减少维护费用和设备维修的成本，延长设备资产的寿命，并最大限度地提高维护效果和生产能力。

1 红外热成像技术简介

1800年英国的天文学家F. W. 赫胥尔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”。

红外热成像技术是一门把不可见的红外辐射能量转换成可视温度场图像，用不同颜色表示不同温度的技术。应用这一技术，研究出了红外热像仪。红外热像仪在工业，电子业及各行各业有着广泛的应用。在工业生产中，许多设备常处于高温、高压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业产品质量控制和管理。红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重要的应用。

除了在工业、电子业、医疗卫生等方面的应用外，红外成像技术也可以应用到地铁机电设备的故障诊断和维护中。利用红外热像仪对地铁机电设备的温度进行定期检查（如EPS柜、冷水机组、大风机隔离开关、电控箱，中间继电器底座等），可以减少因设备故障而导致设备停止运行的可能性，从而保障地铁机电设备的安全运行。

2 红外热成像技术基本原理

红外线又称为红外热辐射，是波长为0.75~1000μm的一种电磁波。由黑体辐射理论可知，任何温度高于绝对零度的物体表面都会连续不断地、自发地辐射红外线。绝对零度即热力学温度的理论下限0K(开尔文)，相当于－273.15℃。根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，物体表面每一辐射单元的红外线能量与该单元绝对温度的四次方成正比，并与它表面的发射率成正比，即

式中σ——斯蒂芬—波尔兹曼常数，其值为5.6697×10－2W/cm2·K4；

ε——辐射单元表面发射率；

T——辐射单元表面温度。

由于物体表面有许多单元组成。所以任何物体表面都存在一个热辐射能量场。并且对应一个温度分布场。红外热像仪就是用来测量热辐射能量场。并将其变成可见光强度场，以便人观察的仪器。红外探测器借助于扫描机逐点探测物体表面热辐射能量。并把它变成电子视频信号，通过信号处理以物体表面热像的方式显示出来。该热像代表着物体表面热辐射能量场，也是物体表面温度场的真实描写。成像原理如图1所示。

图1 红外成像原理图

探测器：红外探测器是红外辐射能量转换器，进行光电转换，产生与目标变化相对应的信号电流，送入电子放大系统处理、放大。根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子(即电子和／或空穴) 数目的变化。由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数，而热探测器的响应正比于所吸收的能量。

3 设备故障分类

（一）红外成像技术对电气设备外部故障的诊断

电气设备的外部故障，主要是指外界可以直接观测到的设备部位所发生的故障。其中含有两种情形：一是长期暴露在空气中的各种电气接头因接触不良等原因引起的过热故障；二是由于设备表面污秽或机械力作用造成外绝缘性能降低导致的过热故障。它们在运行中都会因流过负荷电流或泄露电流引起不正常的发热。外部故障主要表现在各种导电部件的连接或结合不良而引起的过热故障。

（二）红外成像技术对电气设备内部故障的诊断

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所引起的故障。电气设备的内部结构和运行状态各不相同，内部发热机理一般可概括以下几类：

（1）由于电气连接不良或接头(触头)接触不良引起的发热。

（2）绝缘介质老化、受潮后介质损耗增大引起的发热。

（3）电压型设备因内部元器件缺陷，引起电压分布不均匀或泄露电流过大引起的发热 。

（4）由于绝缘老化、受潮、缺油等，产生局部放电后形成的发热。

（5）铁芯和可导磁部位因绝缘不良、设计结构不当，而造成短路和漏磁时形成局部涡流过热。

4 实例

我们引进红外成像技术对机电设备进行故障分析，并对设备进行预测性维护。利用Fluke红外热像仪可以对电缆连接、电容器、断路器、变压器电动机电池、三相电力设备保险丝盒、EPS柜、冷水机组、大风机隔离开关、低压配电设备，电控箱等进行设备故障检测和分析。

（一）应用FLUKE Ti25 热像仪对某站大风机ZPF—I隔离开关（如图2所示）进行拍摄，并利用Smart View T M软件对拍摄的热成像图进行分析。分析及结论如下：

图2 大风机ZPF－I隔离开关热成像图

分析：从大风机ZPF—1隔离开关的热成像图中可以直观的看出A、B、C三相平均温度都在30°C左右，没有超过故障温度范围。从图中选取采集的数据（max（A）=32.1°C，min（A）=27.7°C；max（B）=32.5°C，min（B）=28.0°C；max（C）=31.5°C，min（C）=27.7°C），根据公式（1）可计算出A相的相对温差值为13.7%，B相的相对温差值为13.8%，C相的相对温差值为12.1%，三相的相对温差值都在35%内，因此设备是正常运行的，没有出现故障。

结论：通过以上诊断实例，可知红外热像仪对机电设备的预防性维护起着重要作用。我们可以利用项目部现有设备仪器—红外热像仪对EPS柜、冷水机组、大风机隔离开关、电控箱等由温度判断设备故障的设备进行定期检测，抽测。

（二）应用FLUKE Ti25 热像仪对某低压配电室1K、2K（如图3、图4所示）进行拍摄，并利用Smart View T M软件对拍摄的热成像图进行分析。分析及结论如下：

图3低压配电室1K热成像图

图4 低压配电室2K热成像图

纵向分析：从图3图4对比中我们可以直观的看出，在同一配电室内（室温相同），1K热成像图的A、B、C三相平均温度在30°C左右，2K热成像图的A、B、C三相平均温度在40°C左右。通过两组热成像图的温度对比我们可以提出疑问，为什么在相同室温下两组热成像图温度会有所差异呢？这值得我们注意。于是我们排查原因发现2K所带负载明显多于1K所带负载，不平衡负荷使得2K三相的温度明显高于1K三相温度。因此，为了避免因不平衡负荷造成系统线损增加，供电质量差等对设备运行不稳定造成的影响，可以合理匹配1K、2K负荷。

横向分析：从图4中我们也可以清晰地看出A、B、C三相的平均温度各不相同，其中A相42.1°C、B相41.9°C、C相45.1°C，明显可见C相温度略高于A相、B相温度。三相电流的负荷不平衡将导致线路损耗、变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，影响用户供电等。针对由于三相负荷不平衡引起的设备故障，我们可以定期对设备进行故障排查、预防性检测。

结论：通过对相同室温下低压配电1K、2K热成像图拍摄，并利用Smart View T M软件对红外拍摄图像进行分析，可以及时发现异常现象，找到异常原因，解决故障问题。从而提高用电质量，减少损耗，延长设备的使用寿命。

5 小结

几乎所有电气设备在发生故障之前，温度都会随之升高，因此红外热像仪绝对是一种经济有效的检测工具。而具备测温功能的红外热像仪能够正确引导预防性维护专业工程师对电气设备的运转情况进行准确判断。为了使机电设备更好的运行，如何管理好这么多种类繁多，复杂的设备，成了我们工作中的关键。工程师，技术员除了做好日常工作、技术支持外，要更多的从设备管理，技术管理的角度出发，做好本职工作。

参考文献：

[1]上海市电力公司.电力设备红外检测诊断图谱及应用规范[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]胡世征.电气设备红外诊断的相对温差判断法及判断标准[J].电网技术,1998,22(10):10

[3]带电设备红外诊断技术应用导则(DL/T664)[S].北京:中国电力出版社,1999