红外成像仪的基本原理及在地铁供电设备中的运用

红外成像仪的基本原理及在地铁供电设备中的运用

娄方顺

昆明地铁运营有限公司 云南 昆明 650000

一、红外成像仪的基本原理

通过诸多科学家很多年的研究表明，红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，任何温度高于绝对零度（－273.16℃)就会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场分布的理论依据和客观基础。红外线在大气中存在三个波长，分别在（1-2.5μm),（3-50 μm),（8-14μm)区域穿透比较好，衰减比较弱，一般红外线成像仪使用的波段为：短波（3-5μm);长波（8-14μm)。

红外成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成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及温度。

红外成像检测基本原理是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。

不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不同）。在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数，电力设备辐射率（ε）一般在0.85-0.95之间。

二、红外成像仪在地铁供电设备中的运用

红外成像仪可以“面”的形式对目标整体实时成像，使操作者通过屏幕显示的图像热点追踪显示功能就能初步判断发热情况和故障部位，然后加以后续分析，从而高效率、高准确率地确认问题所在。几乎所有利用或者发射能量的物体在发生故障前都会产生发热现象。在一个电气接点发生故障之前及时发现并进行维修，可以节省或避免因此造成的生产停工、能源损耗、火灾甚至灾难性故障所带来的高昂代价，因此对地铁供电设备红外成像巡检是很有必要的，下面举一些地铁供电系统变电所典型设备案例进行描述。

1、110kV主变压器红外成像检测

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，目前，红外测温是变压器带电状态下的有效检测手段。

（1）110kV主变压器红外成像检测

110kV主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，通过红外热成像技术能发现变压器本体、储油柜、套管、冷却器及其控制回路等大量不同类型的缺陷。

图一：110kV主变套管及附件没有出现局部过热现象

图二：110kV主变套管局部温度高，表面存在污秽现象

（2）干式变压器红外热成检测

干式变压器主要由线圈和铁芯两大部件构成，另外通常还需加装温度控制器、冷却风机、出线绝缘子等辅件。通过红外热成像技术能发现变压器铁芯、进出线母排电缆连接处等故障缺陷。

图三：35kV变压器铁芯虽然出现过热现象，但铁芯温度在正常范围，铜牌没有局部过热现象

2、GIS设备红外成像检测

GIS设备即气体绝缘封闭组合电器，是将变压器以外的高压电气设备元件，全部按照主接线顺序布置在金属罐体内，以SF6气体作为绝缘介质，具有结构紧凑、供电可靠性高、免维护的特点，按照结构特点又可分为GIS、HGIS.通过红外检测能发现GIS内部导电回路接点发热、金属附件发热等缺陷。

(1)110kV GIS设备

110kV GIS设备罐体由金属导电向路、盆式绝缘子、SF6气体、金属外壳组成，通过红外检测的手段也能发现GIS设备导电回路发热这一类电流致热型缺陷。

图四110kV GIS断路器实测局部无过热现象，温度正常无内部故障

(1)35kVGIS设备

35kVGIS断路器是电力系统中最重要的设备之一，它用于开断正常运行条件下的电流和系统故障条件下的短路电流，断路器性能的好坏直接影响电力系统运行的可靠性和安全性，SF6断路器一般由本体、机构、控制回路等部件组成。红外检测高压断路器发现的缺陷通常为电流致热型缺陷。

图五35kV GIS断路器实测无局部放电现象，温度正常无内部故障

总之，红外成像仪是通过非接触探测红外热量，并将其转换生成热图像和温度值，进而显示在显示器上，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外成像仪能够将探测到的热量精确量化，能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。现在，红外成像技术已毋庸质疑地成为预防性维护领域最有效的检测工具，它能够在设备发生故障之前，快速、准确、安全的发现故障，使用红外成像仪对地铁设备维修方式的转变（状态修），减少对设备检测、拆卸、组装等的二次伤害，提高设备使用寿命。