热成像仪在供配电设备状态监测中的应用
本文作者：杭州汽轮机股份有限公司 卢斌斌 徐文 蒋鼎耀 肖钢 董吕广 沈晨炎 高建龙
1 背景介绍
近年来工厂供配电系统随着机床、行车、空压机和空调等用电设备数量的激增，用电负荷逐年增长，供配电系统内的故障跳闸次数也有所增多，而一旦跳闸势必就将对机床以及各类用电设备,尤其是以数控机床为代表的高价值设备和被加工的工件造成较大的损害，经济损失难以估量。目前的日常维护工作以应急维修方式为主，在故障发生之后，再进行故障排除，这样传统的维修方式停机时间长，耗费成本高，已经难以满足现代装备制造工厂的生产维护需求。因此迫切需要通过预防性维修来及早发现供配电系统中潜在的诸如电容器过热、触点接触不良等故障。
有效的预防性维修完全可以防止故障的发生及扩大，缩短紧急维修处理时间和减少紧急维修停机次数，大幅减少在应急维修方式下被浪费掉的高额维护成本，并有效降低用电设备因突然停电而造成的故障或损坏率，从而进一步提高工厂的生产效率。
2 解决方案
热像仪主要采用红外线检测元件,对成像范围内物体的温度进行检测记录。通过使用热像仪作为主要检测手段，采用非接触式、不停机的、在线检测技术来对电器柜、高低压配电室和供电线路进行诊断。获取他们的温度分布图，以形象直观的方式来了解设备当前各部件的运行状态。
2.1热成像原理
所有不处于绝对零度的物体，均会发出不同波长的电磁辐射，物体的温度越高，分子或原子的热运动越剧烈，则红外辐射越强。辐射的频谱分布或波长与物体的性质和温度有关。衡量物体辐射能力大小的量，称为辐射系数。黑颜色或表面颜色较深的物体，辐射系数大，辐射较强；亮颜色或表面颜色较浅的物体，辐射系数小，辐射较弱。
人眼仅能看到很狭窄的一段波长的电磁辐射，称为可见光谱。而对于波长在0.4um以下或0.7um以上的辐射，人眼则无能为力了。电磁波谱中红外区域的波长在0.7um~1mm之间，人眼看不到红外辐射。
现代的热成像装置工作在中红外区域（波长3~5um）或远红外区域（波长8~12um）。通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏，能探测到小于0.1℃的温差。
图 1红外热像仪测温波长范围
2.2热成像测温
红外热像仪的物镜接收电力设备表面所辐射的红外线，经光学系统会聚，把接收的红外能正好落在系统的焦点上，即红外探测器焦平面上。经探测器的光电转换，将电力设备的红外能转变成电能，再经一系列的电信号处理，在热像仪的取景器上得到一幅所测电力设备的热像图。通过直观的热图找出图像中温度异常点，测出其温度值。
图 2红外热成像原理
电力系统的各类电力设备和线路，在正常运行时，都会产生一定的热量。但是随着设备运行时间的增加，负载的不平衡，某些接触点的生锈腐蚀，从而引起接触不良造成接触电阻增加，电流过大等，导致系统、设备、线路的热态异常和过热故障。这些异常部位和故障点都会辐射出比正常状态更多，更强的红外能。红外热像仪就是利用电力系统的这一特性，测定电力设备表面的温度分布场及其变化情况，实现无接触测温，进行成像检测，找出电力设备可能存在的热状态异常和潜在的故障点，从而实现对设备和线路的故障诊断。
表1 温度检测设备优劣比较
2.3应用特点
众所周知，现代电力系统的设备管理工作，正在把传统的定期的维修制度转变为预防性维修制度，实现这个转变不但能减少维修费用，而且还可大大提高设备的利用率。在对电力系统实现预防性维修制度时，必须应用设备状态诊断技术，以便经常性的对电力设备和线路进行检测与监视，保证电力系统安全运行，并适时安排维修计划。
3 简介实施步骤
1、制定一个标准的预防性维修流程与操作规范，为制度化实施预防性维修工作提供参考依据；2、研究预防维修对减少潜在故障的发生率和灾害、事故的影响，以及对生产效率提高的影响；3、将预防性维修形成周期性定检机制，定检报告备案、异常上报处理，定检生成的报告作为数字化维修管理的一个重要组成部分集成入设备管理软件中。
在平时的实际维修工作中故障源的判定一直是个最为重要也是最为困难的问题，通过广泛采集设备热像图，依靠所获得的技术数据和理论公式结合，形成判定标准和处理规范。将所采集到的热像图及生成的报告有效组织起来作为数字化设备管理的原材料，并以此为基础构建数字化设备管理的预防性维修体系和制定预防性维修检查标准。
图3 热像检测流程图
通过现场对各类需要检测的电气器件进行热像图数据采集，并将其转化为纯数据格式，这个数据表记录了单张热像图中每个像素上由热像元器件所检测到的温度。然后通过数据操作提取数值最高的5%的数据来反应元器件的最高温度。将此温度与热像图文件名相对应。而热像图文件名又对应于相应的器件名，从而得到器件在某一次热像检测中的温度数据。通过对这些温度数据的整理归纳就得到了器件的温度数据。
图4 热像温度数据的提取和处理
通过对所拍摄的热像图相关温度的数据的提取和归纳,制作了针对公司低配室内设备热像温度的《标准数据库》,为今后开展热像检查工作，对热像图中设备运行状况建立了参照标准数据，用于比较判断设备的运行状态。针对每次检查，生成《检查报告》用于对一次热像检查完成后的总结报告，其中标明了设备编号、典型热点、潜在问题等基本信息，为对热像图所摄的设备运行状况的判断提供更为直观的判断依据。
4 详述方法、例证
通过对研究项目实施过程中采集到的热像图进行分析归纳，针对不同类型的设备热像图我们总结出了以下四种方法，作为对热像图所反映的设备发热现象进行故障或潜在故障判断的典型分析方法。
4.1 表面温度判断法
直接根据所拍摄的红外热像图上的异常点标注温度后所显示的明显异常高温点进行判断的过程。如图5所示，P0、P1、P3和P4均为同一导线上的温度，P0点温度为93.84℃，P1点的温度为59.41℃，P3和P4点的温度分别为23.5℃和22.66℃。显示出P0为发热源，随着与发热源距离的增加，温度逐步降低，而发热源P1与周围环境参考温度P2的温差为81.75k。一般与环境温度的温差大于55k，或高温点温度大于75℃即可确定为明显异常高温点。
图5 IR002045
4.2相对温差判断法
所谓相对温差，就是同一类型电器设备在相同工作条件下，或对称三相电路中不同相中的两个相应测点之间的温升差值（其中一个设备或一相电路为正常状态）与其中较热点温升之比的百分数。
例如图6 IR000697中P4点为46.03℃和P5点为35.84℃，环境温度为33℃，则根据相对温差公式：
则对于本例，T1=46.03℃、T2=35.84℃、T0=33℃。
δt算得到相对温差为78.2%，属于是一般缺陷接近严重缺陷。
图6 IR000697
4.3同类比较法
在同一电器回路中，当三相电流对称和三相负载用电设备运行状态相同时，比较三相电流致热器件对应部位的温升值来进行判断。如图7 IR001794中P2和P4点的温度分别为71.13℃和81.84℃，明显高于P3点的38.63℃，且熔断器座P4点的温度高于80℃，属于危急缺陷。
图7 IR001794
4.4热像图分析法
根据同类设备在正常状态和异常状态下的热像图差异来判断设备是否正常。如图8 IR000697中，中间的电容器温度明显高于两侧的，判断为电容器故障。更换电容器后，如图9 IR002374中，三个电容器在工作状态时温度接近，工作状态正常。因此可以将图5作为工作正常时的热像图存档，作为以后同类器件热像图运行状态判断的依据。
图8 IR000697
图9 IR002374
使用以上四种方法基本能够对一般平时日常检测中所获得的热像图做出有效的分析，同时可以根据热像图中的热分布现象，对于设备器件所可能存在的故障或隐患有初步的诊断，并针对存在的问题，提出相应的解决方法，将故障隐患消除在故障停机之前。
5 问题与总结
热像图诊断是以热像图为基础进行的，因此在热像图的拍摄就显的尤为重要，所拍摄的热像图必须能真实的反应设备当前温度。在实际拍摄中,尤其是对于低压配电室的热像图拍摄，主要有以下几个方面的影响因素：
5.1 拍摄对焦
由于目前所使用的热像仪还是采用手动对焦，对焦清晰准确与否直接关系到热像仪中温度采集元件对被摄对象的温度数据采集准确程度，只有在对焦清晰准确的情况下，才能得到准确的数据。在拍摄过程中，首先对准被摄物体，然后轻轻转动对焦环，在转动过程中图像逐渐变清晰，如不然则反向转动。当转动一定范围后，图像忽然由清晰变模糊时，则立即反向转动，在画面边缘最清晰时即表明已准确对焦，此时进行拍摄可以得到最佳的拍摄效果。
5.2 拍摄者的角度
由于热成像原件价格较为昂贵，一般热像仪所拍摄得到的热像图大多幅面有限，因此需要尽量在一个画面中拍摄尽可能多的器件，可以方便对所拍摄的器件与周围器件的温度比较。在拍摄时就需要拍摄者尽可能远离被摄物体。由于低压配电室内空间有限，有时也可以采取侧向拍摄。
5.3 裸露铜排的处理
在低配室热像检测中，最容易造成干扰的因素即使高反射率物体表面的反射光线对热成像元件温度检测的干扰，引起测量错误，这类物体会像镜子一样，将环境中的照射到它表面上的红外热源再反射出去，在一起上看来就好像是此类物体自身发热一样。而在低压配电室的热像检查过程中，裸露的铜排或铝排是最容易被干扰的待检设备。为了消除环境光源对它们的干扰，在针对这类设备的检查过程中，我们可以采取以下措施：拍摄的时候拍摄人员应尽量与这类被摄对象保持一定的角度，以免自己身体的红外热像被铜排反射，而得到错误的测量结果。一般对于铜排和铝排的检测，最佳的处理方式是，在配电室开始安装时，就对表面喷涂黑色油漆或是套上黑色保护胶套，即能保证测量时可以得到准确的温度数据。由此可知，对于一般反射率较大的物体进行红外测温的时候，我们都可以采取使用黑色电工胶带、黑色记号笔涂抹等方法来处理，提高发射率。
5.4 时间安排
热像检查时间一般安排在上午9点30分之后至下午3点30分之前，一般此时的用电负荷较大，可以真实的反应出实际设备的用电量。在平时的热像检查中，主要检查可能存在的故障隐患，因此需要选择在负荷尽可能大的时间段，此时可以较为明显的反应出可能存在的故障隐患。
6 数据分析
对于红外热像温度数据采集工作来说，一个最重要的问题就是后期数据处理问题。一次红外热像温度采集工作大概就需要拍摄总计约200张左右的热像图，热像图的分辨率是160*120，这样就是总计19200个温度数据。
首先需要从单张热像图的19200个温度数据取出一个温度值代表热像图中器件的典型温度。建立每个文件名对应的温度数值列表。然后根据拍摄记录表中的所记录的拍摄顺序，对应的修改为热像图文件名。将所得的温度数值替换拍摄记录表中的热像图文件名。从而得到每个器件对应的温度数值。由于一个器件可能对应多张热像图，因此需要再针对最大值温度表和均值温度表分别再做取最大值和取均值运算，最终得到所需要的温度基准数据表。这涉及到上万个温度数据的求值、分类、迭代和归结等一系列运算，这些运算工作全部通过编写计算机程序处理完成。这不仅仅节省了大量数据操作所要花费的巨大人力资源，并且大大提高了数据处理准确性和工作效率。其中一段的温度变化趋势曲线如图10。
7 实施效果
经过这一年时间的项目实施，我们对股份公司的配电室总共进行了日常巡检八次；累计检查低压配电间84间次；共采集热像图1600余张。将配电室内的设备逐一整理并单独编号制成设备清单。由于11个可检查的低压配电间遍布厂区各处,为了便于检查,我们根据各个低配间的位置规划了《低配间检查线路》，并且制定了红外热像检查所需遵循的《安全规程》和《操作规范》，以便检查人员能够在保证自身安全的情况下较好的完成低配间的热像检查工作，同时得到高质量的热像图，保证热像检查的效果。
通过对所拍摄的热像图相关温度的数据的提取和归纳,制作了针对股份公司低配室内设备热像温度的《标准数据库》,为今后开展热像检查工作，对热像图中设备运行状况建立了参照标准数据，用于比较判断设备的运行状态。针对每次检查，生成《检查报告》用于对一次热像检查完成后的总结报告，其中标明了设备编号、典型热点、潜在问题等基本信息，为对热像图所摄的设备运行状况的判断提供更为直观的判断依据。
同时我们还建立了《检查联系单》用于与相关部门对热像检查工作中发现的问题进行协调处理。
经过这一年来的热像检查工作，参与现场检查的工作人员初步具备了正确使用热像仪对供配电系统进行热像检查的能力，并且掌握了一定的识图辨图能力与简单分析故障成因的方法。形成了一支4人熟练使用、2人会简单操作使用的专业热像检测队伍。为今后热像检测活动的进一步开展打下基础。
8 创新成果持续改进和拓展应用展望
通过持续深入的开展热像检测工作,进一步培训、锻炼掌握热像仪这种新型直观检测手段的合格使用人员，使热像检测人员可以采集到高质量的热像图，利用后期热像分析人员的分析评估。充分利用《标准温度数据库》和《供配电系统预防性维修实行与检查标准（试行）》所包含的热像图素材和判断标准，培养高素质的热像图分析人员，为今后热像仪在全厂各类发热设备中的应用开展做好人员储备工作。将热像仪的使用纳入到工厂日常预防维护体系中，搭建并实现数字化、信息化工厂，使之成为其中最为关键的一环。
热像检测技术作为一种非接触检测手段，在电力自动化领域有着广泛的应用前景。通过本次使用热像仪在工厂低配供电系统预防性维修上的实际开展应用。结合预防性维修理论体系与工厂实际生产需要、提出了一整套从实地热像图采集到热像图综合归纳、温度数据整理、标准数据库建立等一揽子的解决方案。通过一整年时间，热像仪在实际工厂低配供电系统检测中的应用充分说明了这种以热像检测技术为主要手段的电力系统预防性维修检测对维护用电设备安全的巨大作用。
随着整体社会用电量的逐年递增，电力系统的安全运行成为一个日益受到关注的话题，而热像仪所具有的非接触式、面测量、故障早期就易发现的特点，其必将成为保障电力系统安全的重要工具之一。
热像仪作为一种新型的检测手段，它针对所有发热现象均具有检测的敏感性。因此它在机械设备（包括泵、电机、汽机、轴承等）、储液罐、建筑渗漏、管道和阀门的机械磨损发热、汽轮机汽密性、保温层脱落和连接等各方面都有着非常广泛的应用，几乎深入到工厂生产活动中的方方面面。
同时它作为一种新技术不仅能增加我们平时工作中的维修手段，更能改变以往事后维修的传统工作方法，建立一种预防性维修的机制，通过事前周期性的检测来掌握一般性热源故障发生的前期征兆，将故障隐患消除在扩大之前，从而大大降低由于器件本身被破坏和故障停机造成的损失。
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