熱成像儀在供配電設備狀態監測中的應用
本文作者：杭州汽輪機股份有限公司 盧斌斌 徐文 蔣鼎耀 肖鋼 董呂廣 沈晨炎 高建龍
1 背景介紹
近年來工廠供配電系統隨著機床、行車、空壓機和空調等用電設備數量的激增，用電負荷逐年增長，供配電系統內的故障跳閘次數也有所增多，而一旦跳閘勢必就將對機床以及各類用電設備,尤其是以數控機床為代表的高價值設備和被加工的工件造成較大的損害，經濟損失難以估量。目前的日常維護工作以應急維修方式為主，在故障發生之后，再進行故障排除，這樣傳統的維修方式停機時間長，耗費成本高，已經難以滿足現代裝備制造工廠的生產維護需求。因此迫切需要通過預防性維修來及早發現供配電系統中潛在的諸如電容器過熱、觸點接觸不良等故障。
有效的預防性維修完全可以防止故障的發生及擴大，縮短緊急維修處理時間和減少緊急維修停機次數，大幅減少在應急維修方式下被浪費掉的高額維護成本，并有效降低用電設備因突然停電而造成的故障或損壞率，從而進一步提高工廠的生產效率。
2 解決方案
熱像儀主要采用紅外線檢測元件,對成像范圍內物體的溫度進行檢測記錄。通過使用熱像儀作為主要檢測手段，采用非接觸式、不停機的、在線檢測技術來對電器柜、高低壓配電室和供電線路進行診斷。獲取他們的溫度分布圖，以形象直觀的方式來了解設備當前各部件的運行狀態。
2.1熱成像原理
所有不處于絕對零度的物體，均會發出不同波長的電磁輻射，物體的溫度越高，分子或原子的熱運動越劇烈，則紅外輻射越強。輻射的頻譜分布或波長與物體的性質和溫度有關。衡量物體輻射能力大小的量，稱為輻射系數。黑顏色或表面顏色較深的物體，輻射系數大，輻射較強；亮顏色或表面顏色較淺的物體，輻射系數小，輻射較弱。
人眼僅能看到很狹窄的一段波長的電磁輻射，稱為可見光譜。而對于波長在0.4um以下或0.7um以上的輻射，人眼則無能為力了。電磁波譜中紅外區域的波長在0.7um~1mm之間，人眼看不到紅外輻射。
現代的熱成像裝置工作在中紅外區域（波長3~5um）或遠紅外區域（波長8~12um）。通過探測物體發出的紅外輻射，熱成像儀產生一個實時的圖像，從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見的輻射圖像轉變為人眼可見的、清晰的圖像。熱成像儀非常靈敏，能探測到小于0.1℃的溫差。
圖 1紅外熱像儀測溫波長范圍
2.2熱成像測溫
紅外熱像儀的物鏡接收電力設備表面所輻射的紅外線，經光學系統會聚，把接收的紅外能正好落在系統的焦點上，即紅外探測器焦平面上。經探測器的光電轉換，將電力設備的紅外能轉變成電能，再經一系列的電信號處理，在熱像儀的取景器上得到一幅所測電力設備的熱像圖。通過直觀的熱圖找出圖像中溫度異常點，測出其溫度值。
圖 2紅外熱成像原理
電力系統的各類電力設備和線路，在正常運行時，都會產生一定的熱量。但是隨著設備運行時間的增加，負載的不平衡，某些接觸點的生銹腐蝕，從而引起接觸不良造成接觸電阻增加，電流過大等，導致系統、設備、線路的熱態異常和過熱故障。這些異常部位和故障點都會輻射出比正常狀態更多，更強的紅外能。紅外熱像儀就是利用電力系統的這一特性，測定電力設備表面的溫度分布場及其變化情況，實現無接觸測溫，進行成像檢測，找出電力設備可能存在的熱狀態異常和潛在的故障點，從而實現對設備和線路的故障診斷。
表1 溫度檢測設備優劣比較
2.3應用特點
眾所周知，現代電力系統的設備管理工作，正在把傳統的定期的維修制度轉變為預防性維修制度，實現這個轉變不但能減少維修費用，而且還可大大提高設備的利用率。在對電力系統實現預防性維修制度時，必須應用設備狀態診斷技術，以便經常性的對電力設備和線路進行檢測與監視，保證電力系統安全運行，并適時安排維修計劃。
3 簡介實施步驟
1、制定一個標準的預防性維修流程與操作規范，為制度化實施預防性維修工作提供參考依據；2、研究預防維修對減少潛在故障的發生率和災害、事故的影響，以及對生產效率提高的影響；3、將預防性維修形成周期性定檢機制，定檢報告備案、異常上報處理，定檢生成的報告作為數字化維修管理的一個重要組成部分集成入設備管理軟件中。
在平時的實際維修工作中故障源的判定一直是個最為重要也是最為困難的問題，通過廣泛采集設備熱像圖，依靠所獲得的技術數據和理論公式結合，形成判定標準和處理規范。將所采集到的熱像圖及生成的報告有效組織起來作為數字化設備管理的原材料，并以此為基礎構建數字化設備管理的預防性維修體系和制定預防性維修檢查標準。
圖3 熱像檢測流程圖
通過現場對各類需要檢測的電氣器件進行熱像圖數據采集，并將其轉化為純數據格式，這個數據表記錄了單張熱像圖中每個像素上由熱像元器件所檢測到的溫度。然后通過數據操作提取數值最高的5%的數據來反應元器件的最高溫度。將此溫度與熱像圖文件名相對應。而熱像圖文件名又對應于相應的器件名，從而得到器件在某一次熱像檢測中的溫度數據。通過對這些溫度數據的整理歸納就得到了器件的溫度數據。
圖4 熱像溫度數據的提取和處理
通過對所拍攝的熱像圖相關溫度的數據的提取和歸納,制作了針對公司低配室內設備熱像溫度的《標準數據庫》,為今后開展熱像檢查工作，對熱像圖中設備運行狀況建立了參照標準數據，用于比較判斷設備的運行狀態。針對每次檢查，生成《檢查報告》用于對一次熱像檢查完成后的總結報告，其中標明了設備編號、典型熱點、潛在問題等基本信息，為對熱像圖所攝的設備運行狀況的判斷提供更為直觀的判斷依據。
4 詳述方法、例證
通過對研究項目實施過程中采集到的熱像圖進行分析歸納，針對不同類型的設備熱像圖我們總結出了以下四種方法，作為對熱像圖所反映的設備發熱現象進行故障或潛在故障判斷的典型分析方法。
4.1 表面溫度判斷法
直接根據所拍攝的紅外熱像圖上的異常點標注溫度后所顯示的明顯異常高溫點進行判斷的過程。如圖5所示，P0、P1、P3和P4均為同一導線上的溫度，P0點溫度為93.84℃，P1點的溫度為59.41℃，P3和P4點的溫度分別為23.5℃和22.66℃。顯示出P0為發熱源，隨著與發熱源距離的增加，溫度逐步降低，而發熱源P1與周圍環境參考溫度P2的溫差為81.75k。一般與環境溫度的溫差大于55k，或高溫點溫度大于75℃即可確定為明顯異常高溫點。
圖5 IR002045
4.2相對溫差判斷法
所謂相對溫差，就是同一類型電器設備在相同工作條件下，或對稱三相電路中不同相中的兩個相應測點之間的溫升差值（其中一個設備或一相電路為正常狀態）與其中較熱點溫升之比的百分數。
例如圖6 IR000697中P4點為46.03℃和P5點為35.84℃，環境溫度為33℃，則根據相對溫差公式：
則對于本例，T1=46.03℃、T2=35.84℃、T0=33℃。
δt算得到相對溫差為78.2%，屬于是一般缺陷接近嚴重缺陷。
圖6 IR000697
4.3同類比較法
在同一電器回路中，當三相電流對稱和三相負載用電設備運行狀態相同時，比較三相電流致熱器件對應部位的溫升值來進行判斷。如圖7 IR001794中P2和P4點的溫度分別為71.13℃和81.84℃，明顯高于P3點的38.63℃，且熔斷器座P4點的溫度高于80℃，屬于危急缺陷。
圖7 IR001794
4.4熱像圖分析法
根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱像圖差異來判斷設備是否正常。如圖8 IR000697中，中間的電容器溫度明顯高于兩側的，判斷為電容器故障。更換電容器后，如圖9 IR002374中，三個電容器在工作狀態時溫度接近，工作狀態正常。因此可以將圖5作為工作正常時的熱像圖存檔，作為以后同類器件熱像圖運行狀態判斷的依據。
圖8 IR000697
圖9 IR002374
使用以上四種方法基本能夠對一般平時日常檢測中所獲得的熱像圖做出有效的分析，同時可以根據熱像圖中的熱分布現象，對于設備器件所可能存在的故障或隱患有初步的診斷，并針對存在的問題，提出相應的解決方法，將故障隱患消除在故障停機之前。
5 問題與總結
熱像圖診斷是以熱像圖為基礎進行的，因此在熱像圖的拍攝就顯的尤為重要，所拍攝的熱像圖必須能真實的反應設備當前溫度。在實際拍攝中,尤其是對于低壓配電室的熱像圖拍攝，主要有以下幾個方面的影響因素：
5.1 拍攝對焦
由于目前所使用的熱像儀還是采用手動對焦，對焦清晰準確與否直接關系到熱像儀中溫度采集元件對被攝對象的溫度數據采集準確程度，只有在對焦清晰準確的情況下，才能得到準確的數據。在拍攝過程中，首先對準被攝物體，然后輕輕轉動對焦環，在轉動過程中圖像逐漸變清晰，如不然則反向轉動。當轉動一定范圍后，圖像忽然由清晰變模糊時，則立即反向轉動，在畫面邊緣最清晰時即表明已準確對焦，此時進行拍攝可以得到最佳的拍攝效果。
5.2 拍攝者的角度
由于熱成像原件價格較為昂貴，一般熱像儀所拍攝得到的熱像圖大多幅面有限，因此需要盡量在一個畫面中拍攝盡可能多的器件，可以方便對所拍攝的器件與周圍器件的溫度比較。在拍攝時就需要拍攝者盡可能遠離被攝物體。由于低壓配電室內空間有限，有時也可以采取側向拍攝。
5.3 裸露銅排的處理
在低配室熱像檢測中，最容易造成干擾的因素即使高反射率物體表面的反射光線對熱成像元件溫度檢測的干擾，引起測量錯誤，這類物體會像鏡子一樣，將環境中的照射到它表面上的紅外熱源再反射出去，在一起上看來就好像是此類物體自身發熱一樣。而在低壓配電室的熱像檢查過程中，裸露的銅排或鋁排是最容易被干擾的待檢設備。為了消除環境光源對它們的干擾，在針對這類設備的檢查過程中，我們可以采取以下措施：拍攝的時候拍攝人員應盡量與這類被攝對象保持一定的角度，以免自己身體的紅外熱像被銅排反射，而得到錯誤的測量結果。一般對于銅排和鋁排的檢測，最佳的處理方式是，在配電室開始安裝時，就對表面噴涂黑色油漆或是套上黑色保護膠套，即能保證測量時可以得到準確的溫度數據。由此可知，對于一般反射率較大的物體進行紅外測溫的時候，我們都可以采取使用黑色電工膠帶、黑色記號筆涂抹等方法來處理，提高發射率。
5.4 時間安排
熱像檢查時間一般安排在上午9點30分之后至下午3點30分之前，一般此時的用電負荷較大，可以真實的反應出實際設備的用電量。在平時的熱像檢查中，主要檢查可能存在的故障隱患，因此需要選擇在負荷盡可能大的時間段，此時可以較為明顯的反應出可能存在的故障隱患。
6 數據分析
對于紅外熱像溫度數據采集工作來說，一個最重要的問題就是后期數據處理問題。一次紅外熱像溫度采集工作大概就需要拍攝總計約200張左右的熱像圖，熱像圖的分辨率是160*120，這樣就是總計19200個溫度數據。
首先需要從單張熱像圖的19200個溫度數據取出一個溫度值代表熱像圖中器件的典型溫度。建立每個文件名對應的溫度數值列表。然后根據拍攝記錄表中的所記錄的拍攝順序，對應的修改為熱像圖文件名。將所得的溫度數值替換拍攝記錄表中的熱像圖文件名。從而得到每個器件對應的溫度數值。由于一個器件可能對應多張熱像圖，因此需要再針對最大值溫度表和均值溫度表分別再做取最大值和取均值運算，最終得到所需要的溫度基準數據表。這涉及到上萬個溫度數據的求值、分類、迭代和歸結等一系列運算，這些運算工作全部通過編寫計算機程序處理完成。這不僅僅節省了大量數據操作所要花費的巨大人力資源，并且大大提高了數據處理準確性和工作效率。其中一段的溫度變化趨勢曲線如圖10。
7 實施效果
經過這一年時間的項目實施，我們對股份公司的配電室總共進行了日常巡檢八次；累計檢查低壓配電間84間次；共采集熱像圖1600余張。將配電室內的設備逐一整理并單獨編號制成設備清單。由于11個可檢查的低壓配電間遍布廠區各處,為了便于檢查,我們根據各個低配間的位置規劃了《低配間檢查線路》，并且制定了紅外熱像檢查所需遵循的《安全規程》和《操作規范》，以便檢查人員能夠在保證自身安全的情況下較好的完成低配間的熱像檢查工作，同時得到高質量的熱像圖，保證熱像檢查的效果。
通過對所拍攝的熱像圖相關溫度的數據的提取和歸納,制作了針對股份公司低配室內設備熱像溫度的《標準數據庫》,為今后開展熱像檢查工作，對熱像圖中設備運行狀況建立了參照標準數據，用于比較判斷設備的運行狀態。針對每次檢查，生成《檢查報告》用于對一次熱像檢查完成后的總結報告，其中標明了設備編號、典型熱點、潛在問題等基本信息，為對熱像圖所攝的設備運行狀況的判斷提供更為直觀的判斷依據。
同時我們還建立了《檢查聯系單》用于與相關部門對熱像檢查工作中發現的問題進行協調處理。
經過這一年來的熱像檢查工作，參與現場檢查的工作人員初步具備了正確使用熱像儀對供配電系統進行熱像檢查的能力，并且掌握了一定的識圖辨圖能力與簡單分析故障成因的方法。形成了一支4人熟練使用、2人會簡單操作使用的專業熱像檢測隊伍。為今后熱像檢測活動的進一步開展打下基礎。
8 創新成果持續改進和拓展應用展望
通過持續深入的開展熱像檢測工作,進一步培訓、鍛煉掌握熱像儀這種新型直觀檢測手段的合格使用人員，使熱像檢測人員可以采集到高質量的熱像圖，利用后期熱像分析人員的分析評估。充分利用《標準溫度數據庫》和《供配電系統預防性維修實行與檢查標準（試行）》所包含的熱像圖素材和判斷標準，培養高素質的熱像圖分析人員，為今后熱像儀在全廠各類發熱設備中的應用開展做好人員儲備工作。將熱像儀的使用納入到工廠日常預防維護體系中，搭建并實現數字化、信息化工廠，使之成為其中最為關鍵的一環。
熱像檢測技術作為一種非接觸檢測手段，在電力自動化領域有著廣泛的應用前景。通過本次使用熱像儀在工廠低配供電系統預防性維修上的實際開展應用。結合預防性維修理論體系與工廠實際生產需要、提出了一整套從實地熱像圖采集到熱像圖綜合歸納、溫度數據整理、標準數據庫建立等一攬子的解決方案。通過一整年時間，熱像儀在實際工廠低配供電系統檢測中的應用充分說明了這種以熱像檢測技術為主要手段的電力系統預防性維修檢測對維護用電設備安全的巨大作用。
隨著整體社會用電量的逐年遞增，電力系統的安全運行成為一個日益受到關注的話題，而熱像儀所具有的非接觸式、面測量、故障早期就易發現的特點，其必將成為保障電力系統安全的重要工具之一。
熱像儀作為一種新型的檢測手段，它針對所有發熱現象均具有檢測的敏感性。因此它在機械設備（包括泵、電機、汽機、軸承等）、儲液罐、建筑滲漏、管道和閥門的機械磨損發熱、汽輪機汽密性、保溫層脫落和連接等各方面都有著非常廣泛的應用，幾乎深入到工廠生產活動中的方方面面。
同時它作為一種新技術不僅能增加我們平時工作中的維修手段，更能改變以往事后維修的傳統工作方法，建立一種預防性維修的機制，通過事前周期性的檢測來掌握一般性熱源故障發生的前期征兆，將故障隱患消除在擴大之前，從而大大降低由于器件本身被破壞和故障停機造成的損失。
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