高压输电线红外检测的原理及技术特点_红外光谱的原理及应用

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现代检测技术研究报告

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高压输电线红外检测的原理及技术特点

摘要

随着我国西电东送的实施，远距离高压输电的安全显得越来越重要、输电线路本身是输电安全的基础。红外检测技术具有易于实现自动化、高效无污染、监测可靠性高等特点。红外热像测温技术是利用红外热辐射探测输电线路中各种电器设备表面辐射的不为人眼所见的红外线热信息，然后转换成温度进行显示的一种先进技术。是一种被动的、非接触的设备过热监测手段。它能测量设备表面上某点周围确定面积的平均温度，以温度高低来判断工作工作状态是否正常。目前已在输电线路在线测温、电力设备故障诊断 领域得到广泛应用。

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着我国电力工业的飞速发展，现代电力系统结构的日益复杂，输电线路的输送容量和电压等级不断提高，远距离输电线路日益增多，输电线路故障对电力系统运行，工农业生产和人民生活的危害也日益严重。因此，在线路故障后，如果能够及时、准确的找到故障点，不仅对修复线路和保证可靠供电，而且对保证整个电力系统安全稳定和经济运行都有十分重要的意义[1]。

然而线路故障的查找及其困难的。首先随着输电电压等级向超高压和特高压发展，以及高速乃至超高继电保护装置和断路器的应用，线路故障切除的时间大大缩短，这使得大部分的故障没有明显的破坏迹象。这不仅给故障点的排查带来困难，而且将成为继发性故障隐患。其次远距离输电线难免要穿越山区、沙漠等偏僻地带，交通十分不便。再次，多数故障往往在风雪、雷雨等较为恶劣的天气中发生。因此输电线路故障测距技术的大力发展和广泛应用具有极其重要的作用，而且一直是国内外工作者研究的热点。

1.2 红外热成像测温技术的发展史

1800年，应该物理学家发现了红外线以及1900年德国物理学家普朗克的量子理论假设，对红热成像技术的发展与完善奠定了基础。

红外热成像技术是从战争中发展起来的。二次世界大战后，美国德克萨斯仪器公司开发研制出第一代用于军事领域的红外成像设置，称之为红外巡视系统。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外

辐射迹象，经光电传换及一系列处理，形成视频图像信号。20世纪五十年代，随着高速锗掺汞光子探测器的发展，开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。20世纪60年代早期，瑞典AGA公司研制成功第2代红外成像装置，它在红外寻视系统的基础上增加测温的功能，成为红外热像仪。

1988年推出的全功能热像仪，集温度的测量、修改、分析、图像采集和存储于一体，质量小于7kg。一起的功能、精度和可靠性都得到显著的提高。

20世纪90年代中期，美国FSI公司研制成功由军用技术转民用，并商品化的新一代红外热成像仪-焦平面红外热像仪[2]。现场测温时只需要对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC上即完成全部操作。

如今红外成像技术已经在冶金、化工、航海以及医疗等领域得到了广泛的应用。红外热成像技术在世界经济的发展中继续发挥着巨大的潜力。

使用红外热像仪检测检测时先对要监测的物体各部位进行全面扫描，找到异常设备，对异常部位准确测温，拍摄热谱图，通过计算机，应用分析上报异常热谱图和诊断报告。

红外热成像测温技术在设备检测的应用在国内外已经被广泛使用与传统测温技术相比，红外测温技术具有优势。红外测温具有不与物体相接触特点。

第二章 线路缺陷分析及红外检测原理

2.1线路发生缺陷原因

高压输电线路具有分布广、长期暴露于外面，经常气候多变的影响，使高压输电线路故障，使高压输电线路故障率高、故障点多。归结为以下几点：

（1）大风，风速超过设计风速时，会引起倒塔永久性地接地故障，风速接近设计风速时，会引起导线瞬时位移和出现偏转塔身的情况，使得放电间隙减小，造成瞬间线路跳闸，瞬间重合闸重合成功的故障。

（2）舞动，微风会引起导线、避雷线振动，从而使导线、避雷线断股、断线或金具零件断裂，进而造成线路故障。

（3）覆冰，导线避雷线，杆塔覆冰严重会增大导地线的驰度，增加杆塔的机械负荷，从而造成断线或倒塔，稳态横向风，覆冰脱落时产生的不平衡张力作用，会引起导线、底线舞动，从而造成导线之间或导线与避雷线之间发生短路故障。

（4）雷害，雷害故障在线路的故障总数中占较大比例，对电力系统的危害极大，危害500kV线路的主要是直接雷击主要有绕击和反击[3]。

以上列举了四种故障原因，在现实中还存在有许多原因，这里就不一一列举。

下面阐述红外热像技术原理。如今供电网络迅速发展，供电可靠性是电力安全行业检查、监督的重要指标。输电线路红外热像在线测温技术可以解决目前监测困难的问题。

2.2红外热像测温技术及原理

红外热像测温技术是利用光谱原理、探测输电线路中各种电器设备表面辐射的不为人眼所见的红外辐射热信息，用图像进行显示的技术是一种被不断电、远距离监测技术，通过五体表面温度异常来判定设备缺陷，红外热在该项技术的基础上研发的监测热故障设备。

红外辐射是电磁频谱的重要组成部分，包括微波、紫外线、无线电波、可见光、X射线和R射线。红外线波长在0.75至100m之间，是不可见光，所有摄氏温度零度以上的五体都在绵绵不断的向周围辐射红外能量。红外辐射实质是物理学中的热辐射，红外线辐射的能量大小和红外线的波长都和五体的表面温度紧密相关。通过红外测温仪的应用，迅速准确接收物体本身的能量，并对能量加以测量分析，进而精准地反应被测物体的温度，从中找出热缺陷[4]。电力设备的红外辐射通过大气传送到红外热像仪，热像仪中的光学系统设备辐射的能量聚集在红外探测仪上，探测仪将聚集到的辐射转变成为电信号，通过信号处理后显示现场红外数据。如图2.1所示典型红外探测仪器。

2.1典型红外探测器

2.3红外检测高压线路的优势及特点

远红外测温检验常用的方法有远红外线测温仪和红外热像仪个有优势，都有很好发展空间。

一、红外检测特点

1、不受电磁场的干扰

2、因为是非接触测量，十分安全

3、比蜡试温度准确

4、对高架构设备测量方便省力

二、引入远红外热成像仪后，采取以测量监测为主，打开线夹抽查为辅的办法，使导线及相关部件的技术管理水平得到提高，实现一化三性。

1、实现数字化，架空输电线设计规程规定，导线在长期最大负荷电流作用下，温度70C。，以往的检验方法无法对导线温度进行量化，只有在过热或不见温度达到一定程度时，才能在夜间通过目测观察到。而远红外热成像仪的使用，可以根据导线温度具体升高的情况采取相应的处置措施，杜绝导线缺陷演变成线路故障。把测量的数据存入计算机，用于技术分析，及时发现热缺陷，避免重大事故发生。

2、及时性，对大负荷线路而言，通过定期红外测温统计数据对比可及早发现导线异常状况，对雷击杆塔导线，在线路无法安排停电情况，先利用热成像仪对疑似部件进行测试，从测试结果迅速判断其运动状况，为下步工作提供技术支持。综上所述，远红外热成像仪的使用，使输电线路导线过热问题发现更准确，更及时。

3、便捷性，远红外热成像技术在输电线路上的应用，使固有的导线过热检验方式发生了改变，技术的提升让我们可有空减少夜间巡视的频次，降低安全隐患，使得维护生产更便捷，更高效。

2.4红外热检测方法

红外测温监测输电电路的判别有临界温升法和相对升温两种，临界温升法提出用发热点相对环境温度的温升来判断热缺陷，并给了对不同负荷电流下不同导线接头过热的临界温升表，当被检测点对环境温度的温升大于表中所规定的临界温升时就认为有缺陷，并按表中的温升确定缺陷种类，这种方法简单、清晰、实用性很强。但在实际的线路红外检测工作中，输电线上的设备受环境因素和设备自身发热状况不同，存在一定量的误差，分析热缺陷不够精确，相对温升法通过分析相对温差，根据电力行业分类。这种检测方法被测对象附近正常运行的导线或线路金具的最高温度为参考温度T2，被测量对象的温度T1，T0为环境参照体温度，根据公式：

tT1T2T1T0

T1:为发热点的温升和温度； T2：为正常相对应点的温升和温度； T0:为环境参照体的温度；

当公式计算结果35%时为一般缺陷；80%时为重大缺陷，95%时为紧急缺陷。这种方法可以消除太阳辐射造成的附加温升的影响。有效的解决了表面温度判断

法的不足，对电力设备的红外诊断具有一定的指导性，因此在实际工作中经常被采用。如下图2.2所示，可看出不同红外检测示意图。

2.2红外检测示意图

第三章 基于红外热成像技术的应用

3.1红外无损检测

红外无损检测，顾名思义，就是利用物体红外进行红外辐射原理，通过红外成像获取被测物体的温度部分来掌握其内部热量的流动，以此来鉴定物体内部是否在缺陷的一种无损的检测方法。

无损检测是以现代科学技术为依托并尽力在其基础上的一门应用型技术学科，它以不破坏监测物体内部结构为前提，应用物理学的方法，检测五体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部构造，检查物质内部是否存在不连续性，从而来判断被测物是否还有符合规定，再来评价还是否具有适用性[5]。

无损检测技术重要性已在全世界得到了公认。无损检测在生产过程中产品质量的保证，材质、零件和产品的可靠性以及生产效率的提高、降低成本方面都起到了重大的作用。而红外无损检测就是根据五体的热辐射特性，扫描记录或者观测物体的表面。红外无损检测过程是与物体的热扩散过程息息相关的，所以又被成为热无损检测。

3.2 红外检测中故障定点查找

故障发生时，应立即确定已发生热故障点范围，这样对故障囊定位就有一个大致的范围。例如：110kV奔登线跳闸，要求巡线查找故障点。接到巡视命令后，技术人员可从调度中心调取继电保护动作记录，记录显示奔腾一次变110kV奔

登线808方向电流电压。零序II段保护动作跳闸。根据保护动作情况，分析判断故障点应该在40#-50#之间，于是我们先将巡视重点放在40#以后，结果发现110kV奔登线#47杆A、B两项绝缘子闪络[6]。提前近1个小时发现了缺陷，为顺利抢修争取时间。

第四章 建议及总结

应用红外测温仪监测热缺陷，首先要建立大容量带宽的传输通道。在通道带宽建设上，一个标清的摄像机经压缩后，传输视频需要1个2M口，拿一个变电站13路信号为例，就需要13个2M口。如果采用高清摄像机，并对重要部位的开关状态、仪表设备状态、显示数据等进行巡视，那么，要采用16M的宽带[7]。这样就可以避免因宽带不足，只能牺牲图像分辨率的情况出现。通过红外功能的摄像头可实现夜视功能，也可以安装带环境测温读的摄像头来辅助变电站的安防。

结合上文提到的检测方法，给出如下建议：

（1）当前，数据对比预测高压输电线的热缺陷是较为合理的，实用性较强。（2）我国高压输电线路的安装施工工作应加强安全隐患的管理。（3）必须加强对道题的监督，金具、接头、导线等的性能会直接影响高压输电线路的送电性能和安全性能，我国应在重视绝缘监督的同时，加强导体的监督及技术检测方法的管理。

（4）严格执行验收标准，实现无隐患投运，强化验收人员施工标准。通过推行标准化管理，电缆线路管理水平稳步提升，在今后工作中将继续加强标注化推行力度，想科学、标注化迈进。确保电缆线路安全平稳运行。

综上所述，该技术与传统测温技术相比，具有不受距离限制、不断电、安全可靠性高、易操作等优点，适合供电公司，发电厂等行业推广使用。

参考文献：

[1] 董其国.红外线诊断技术在电力设备中的应用[M].北京：机械工业出版社，1998 [2] 陈衡，候善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京：中国电力出版社，1999 [3] 王方，邱道尹，岳艳杰，朱云.基于红外技术的变电站温差无线温度监测[J].电力自动化设备.2011(08)[4] R万兹蒂.红外技术的实际应用[M].北京：科学出版社，1981.[5] 关荣华，曹春梅，陈衡：工业设备内部缺陷的红外热诊断研究[J]:激光与红外：2001年04期

[6] 栾锡武, 彭学超, 邱燕.2009.南海北部陆坡高速堆积体的构造成因.现代地质, 23(2):183-199.[7] 叶风，张晓宇：红外技术在电力设备外部故障检测中的应用[J]:电网技术：1988年10期