環(huán)境熱源干擾下的紅外輻射檢測(cè)激光校準(zhǔn)方法

李興春,李興高

(1.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東江門 529020;2.北京交通大學(xué)土建學(xué)院,北京 100044)

0 引言

電力設(shè)備的熱故障檢測(cè)是利用紅外輻射檢測(cè)技術(shù),在帶電狀態(tài)下對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行診斷、發(fā)現(xiàn)故障所進(jìn)行的預(yù)知性檢測(cè)。熱故障檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外正在大力進(jìn)行的科學(xué)的檢測(cè)方式,它克服了定期計(jì)劃?rùn)z測(cè)的盲目性,具有很高的安全性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

早期檢測(cè)帶電運(yùn)行電力設(shè)備的故障隱患十分重要,開(kāi)展電力設(shè)備的狀態(tài)檢修必須進(jìn)行設(shè)備診斷,設(shè)備診斷是實(shí)施狀態(tài)檢修的前提。諸如絕緣在線監(jiān)測(cè)、色譜監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)、帶電測(cè)試、瓷瓶鹽密監(jiān)測(cè)、斷路器性能監(jiān)測(cè)、直流接地微機(jī)選檢、紅外輻射檢測(cè)技術(shù)等,都是當(dāng)前帶電電力設(shè)備的診斷主流應(yīng)用技術(shù)[1-2]。

電力設(shè)備的熱故障紅外輻射檢測(cè)技術(shù)是一門新興的學(xué)科,它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng),采用專用儀器獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息,進(jìn)而判斷設(shè)備運(yùn)行狀況的一門綜合技術(shù)。在對(duì)物體進(jìn)行非接觸熱故障診斷時(shí)通常只能利用輻射熱進(jìn)行檢測(cè)[3]。

紅外輻射檢測(cè)技術(shù),對(duì)故障點(diǎn)的檢測(cè)采取非接觸手段、不受電磁干擾、可帶電進(jìn)行,具有探測(cè)距離遠(yuǎn)和檢測(cè)速度快,同時(shí)還可用于那些懸空的、運(yùn)動(dòng)中帶電設(shè)備檢測(cè)等特點(diǎn),大大方便了使用者,使電力設(shè)備的早期故障診斷和預(yù)防性維修變得簡(jiǎn)單方便。但是紅外輻射檢測(cè)技術(shù)易受所在環(huán)境溫場(chǎng)干擾,導(dǎo)致熱故障誤判情況的出現(xiàn)。為了克服上述問(wèn)題,在分析環(huán)境熱源干擾的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了激光校準(zhǔn)輔助部分修改檢測(cè)數(shù)據(jù),提高了熱故障診斷的準(zhǔn)確性。

1 紅外輻射檢測(cè)現(xiàn)狀及環(huán)境熱源干擾

由于分子熱運(yùn)動(dòng),高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體,都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射,物體的溫度越高,輻射特性越好,紅外輻射的能量就越強(qiáng)。資料表明:電力變壓器正常工作時(shí)繞組的極限工作溫度為105℃;(環(huán)境溫度為40℃時(shí)),上層溫度不得超過(guò)95℃,通常以監(jiān)視溫度(上層油溫)設(shè)定在85℃及以下為宜。輻射能量大部分集中在8～15μm的光譜波段內(nèi)。紅外無(wú)損熱故障診斷系統(tǒng)由紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外敏感元件(紅外探測(cè)器)、信號(hào)處理技術(shù)組成。圖1是該系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 紅外無(wú)損熱故障診斷系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of infrared nondestructive thermal fault diagnosis system

紅外熱探測(cè)器是靠接收物體表面的輻射能來(lái)確定其溫度的,接收到的有效輻射包括三部分:目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射[4]。

對(duì)電力設(shè)備的紅外檢測(cè),可采取檢修前定點(diǎn)測(cè)試,標(biāo)定電氣設(shè)備的相對(duì)溫差[5];測(cè)定全部運(yùn)行設(shè)備的溫度情況,依據(jù)設(shè)備熱像圖譜中的相對(duì)溫差,對(duì)異常部位進(jìn)行分解檢測(cè)[6-7];為判定設(shè)備的異常,要識(shí)別設(shè)備在正常狀態(tài)下用紅外測(cè)定的溫度分布圖譜,了解周圍環(huán)境溫度、空氣溫度、現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速對(duì)溫度分布的影響,將檢測(cè)到的設(shè)備最高溫度部位與正常狀態(tài)下的部位進(jìn)行溫度比較,根據(jù)設(shè)備的溫度差來(lái)診斷異常的嚴(yán)重性[8]。

環(huán)境熱源干擾是紅外無(wú)損探測(cè)技術(shù)在故障診斷時(shí)誤判的主要根源。一般來(lái)說(shuō)紅外探測(cè)器都是由兩個(gè)熱釋電敏感元通過(guò)反極性并聯(lián)組成的[3,7],其并聯(lián)原理如圖2所示。

圖2 熱釋電敏感元并聯(lián)示意圖Fig.2 Pyroelectric sensitive element linking diagram

從理論上講,當(dāng)敏感元的特性一致時(shí),反極性聯(lián)接的兩個(gè)敏感元可以抵消背景環(huán)境熱源的干擾。通常,環(huán)境熱源干擾在兩個(gè)熱釋電敏感元件上所產(chǎn)生的感測(cè)信息基本可歸結(jié)為如圖3所示的三種情況。在兩個(gè)敏感元件上所檢測(cè)到的兩個(gè)探測(cè)信號(hào)總是基本同步出現(xiàn)的。

圖3 三種情況下的信號(hào)輸出Fig.3 Signals output of three situation

實(shí)際應(yīng)用中,發(fā)生圖3(b)和圖3(c)情況的可能性較大。這就說(shuō)明,當(dāng)背景熱源的溫度變化速度和強(qiáng)度達(dá)到一定幅度時(shí),熱釋電探測(cè)器受到干擾的可能性也是很高的。特別是當(dāng)這些干擾熱源的溫度范圍接近于被檢測(cè)對(duì)象的溫度時(shí),濾光片的作用也顯得無(wú)能為力了,這時(shí)的干擾現(xiàn)象將是明顯的。

2 環(huán)境熱源干擾下的紅外輻射檢測(cè)激光校準(zhǔn)方法

為更準(zhǔn)確地進(jìn)行電力設(shè)備熱故障的診斷,有必要對(duì)干擾熱源進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)紅外無(wú)損探測(cè)技術(shù)熱故障誤判產(chǎn)生機(jī)理設(shè)計(jì)了輔助激光校準(zhǔn)部分,其原理圖如圖4所示。

輔助激光校準(zhǔn)方法是由激光脈沖器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào),發(fā)射到溫度傳感器的表面,引起表面瞬時(shí)溫升,被校準(zhǔn)的紅外探測(cè)器和熱輻射溫度計(jì)同時(shí)對(duì)熱源進(jìn)行測(cè)量。用熱輻射溫度計(jì)所測(cè)得曲線作為依據(jù)來(lái)校準(zhǔn)紅外探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,并獲得系統(tǒng)誤差的修正值。

圖4 輔助激光校準(zhǔn)原理圖Fig.4 Schematic diagram of laser calibration

2.1 紅外輻射檢測(cè)激光校準(zhǔn)方法工作原理

圖4 中的前置放大電路為典型差動(dòng)放大電路,如圖5所示。由于電路的對(duì)稱性,無(wú)論環(huán)境熱源干擾所引起的溫度場(chǎng)變化變換如何,都會(huì)引起兩個(gè)三極管集電極電流和電壓的相同變化,即 ΔU C1=ΔUC2,因此,其中相同的變化量互相抵消,使輸出電壓不變,從而抑制了環(huán)境熱源干擾。但實(shí)際情況是:由于分立元件的電特性的分散性以及受環(huán)境熱源干擾較大的特點(diǎn),在電路設(shè)計(jì)時(shí)為了克服電路不完全對(duì)稱引起的零點(diǎn)漂移及減小每個(gè)三極管集電極對(duì)地的漂移電壓,電路中增加了發(fā)射極公共電阻RE,它具有電流負(fù)反饋?zhàn)饔?可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)(即消除環(huán)境熱源干擾所引起的輸出電信號(hào))。例如溫度升高時(shí),T1和T2的集電極電流IC1和IC2都要增大,它們的發(fā)射極電流I E1和I E2會(huì)增大,流過(guò)發(fā)射極公共電阻的電流I E=I E1+I E2也會(huì)增大,R E上的電壓增大,T 1和T2的發(fā)射極電位升高,使U BE1和U BE2減小,則I B1和I B2減小,從而抑制了 I C1和I C2的增加。這樣,由于溫度變化引起的每個(gè)管子的漂移,通過(guò)R E的作用得到了抑制。

圖5 典型差動(dòng)放大電路原理圖Fig.5 Diagram of typical differential amplifying circuit

以激光校對(duì)部分輸出到前置典型差動(dòng)放大電路的信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)(激光校對(duì)部分實(shí)時(shí)感測(cè)工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境熱源)進(jìn)行調(diào)整公共電阻R E,同時(shí)觀察波形器,如圖6所示。調(diào)整R E直至雙輸出波形重合為止,即完成了激光校對(duì)工作。這樣該技術(shù)工作現(xiàn)在的環(huán)境熱源干擾,就會(huì)在前置典型差動(dòng)放大電路的輸出信號(hào)部分被消除掉。

圖6 環(huán)境熱源干擾信號(hào)在前置放大電路所引起的共模輸出Fig.6 The common-mode output of preamplifier circuit by the environmental heat

3 應(yīng)用案例

為檢驗(yàn)經(jīng)激光校對(duì)后的紅外輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性,以變壓器為工程案例:電力變壓器的低壓升高座局部過(guò)熱、引線接頭過(guò)熱、套管將軍帽過(guò)熱、油路系統(tǒng)堵塞引起的熱缺陷以及變壓器箱體渦流發(fā)熱等缺陷,都可以通過(guò)紅外探測(cè)技術(shù)測(cè)量出來(lái)。這些部位出現(xiàn)熱異常時(shí),一般是由于內(nèi)部引線焊接不良、油路系統(tǒng)發(fā)生堵塞、漏磁形成渦流等原因所致。數(shù)次激光校對(duì)前后,紅外探測(cè)所得的測(cè)試結(jié)果和事后工程驗(yàn)證的結(jié)果如表1所示。

由測(cè)定的數(shù)據(jù)看,如果所測(cè)紅外輻射場(chǎng)的差值小于安全值10 mW/cm2時(shí),探測(cè)曲線近似于一條直線,可以判定被測(cè)部位紅外輻射場(chǎng)接近正常場(chǎng)值,所以出現(xiàn)熱故障的可能性很小。當(dāng)探測(cè)到的紅外輻射場(chǎng)差值大于10 mW/cm2時(shí),探測(cè)曲線表現(xiàn)為出現(xiàn)突變點(diǎn),據(jù)此可以判斷被測(cè)部位,出現(xiàn)熱故障的可能性就很大。經(jīng)激光校對(duì)后,紅外探測(cè)所得數(shù)據(jù)消除掉所在工作環(huán)境的熱源干擾。解決了激光校對(duì)前,紅外探測(cè)數(shù)據(jù)在安全閾值領(lǐng)域內(nèi)的虛假熱故障難題。表1測(cè)定的結(jié)果在變壓器熱故障探測(cè)與診斷工程中得到了驗(yàn)證,與實(shí)際結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

紅外輻射檢測(cè)技術(shù)經(jīng)激光校準(zhǔn)后,消除了環(huán)境熱源干擾,提高了熱故障診斷的準(zhǔn)確性,有一定的現(xiàn)實(shí)意義和工程參考價(jià)值。

表1 激光校對(duì)前后的熱故障無(wú)損探測(cè)技術(shù)紅外場(chǎng)強(qiáng)值Tab.1 Infrared acquisition data and detection after laser calibration

[1]袁世祿.紅外診斷技術(shù)在電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用[J].華北電力技術(shù),2000,32(2):18-19.YUAN Shilu.Application of infrared diagnosis technique in condition-based maintenance of electric equipment[J].North China Electric power,2000,32(2):18-19.

[2]吳繼平,李躍年.紅外熱成像儀應(yīng)用于電力設(shè)備故障診斷[J].電力設(shè)備,2006,7(9):38-41.WU Jiping,LI Yuenian.Application of infrared thermal image instrument in power equipment fault diagnosis[J].Electrical Equipment,2006,7(9):38-41.

[3]劉睿,聶鴻宇.紅外檢測(cè)裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].四川電力技術(shù),2002,2(6):30-31.LIU Rui,NIE Hongyu.Application of inf rared detection technique in electric system[J].Si Chuan Electric Technique,2002,2(6):30-31.

[4]于波,季玉茹,金光熙.紅外熱像測(cè)溫中真實(shí)溫度的計(jì)算[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2004,21(1):89-92.YU Bo,JI Yuru,JIN Guangxi.Calculation of real temperature in the infrared temperature measurement[J].Journal of Jilin Chemiacal Technology,2004,21(1):89-92.

[5]張維力.紅外熱像儀在電力工業(yè)應(yīng)用[J].激光與紅外,1996,26(2):105-111.ZHANG Weili.Application of thermal infrared inager in electric industry[J].LASER&Inf rared,1996,26(2):105-111.

[6]趙墨林.DL/T664—1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》[C]//中國(guó)科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)電力分會(huì)場(chǎng)暨中國(guó)電機(jī)工程學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:中國(guó)科協(xié),2004:606-611.

[7]趙墨林,吳曉松.DL/T664—1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》修訂建議[J].電力標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2003,46(4):20-25.ZHAO Molin,WU Xiaosong.DL/T664—1999《charged equipment infrared diagnosing technology application guidelines》revise proposals[J].Power Standardization and Measurement,2003,46(4):20-25.

[8]朱惜辰.紅外探測(cè)器的進(jìn)展[J].紅外技術(shù),1999,21(6):12-15.ZHU Xichen.Development of inf rared detector[J].Infrared Technology,1999,21(6):12-15.