應(yīng)用紅外熱成像儀進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)及故障分析

張振全 陳勝喜 趙偉超 王寶平

摘 要:熱成像原理和使用方法,利用熱成像儀發(fā)現(xiàn)的隱患、判斷、分析及處理方法等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞:紅外線熱成像儀變壓器電動(dòng)機(jī)配電裝置

中圖分類(lèi)號(hào):TM32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0110-03

1紅外熱成像技術(shù)原理

用紅外熱成像技術(shù),探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射,并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段,將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備,我們稱為紅外熱成像儀。人們眼能夠感受到的可見(jiàn)光波長(zhǎng)為:0.38mm～0.78mm。通常我們將比0.78mm長(zhǎng)的電磁波,稱為紅外線。自然界中,一切物體都會(huì)輻射紅外線,因此利用探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差,可以得到不同的紅外圖像,稱為熱圖像。同一目標(biāo)的熱圖像和可見(jiàn)光圖像是不同,它不是人眼所能看到的可見(jiàn)光圖像,而是目標(biāo)表面溫度分布圖像,或者說(shuō),紅外熱圖像是人眼不能直接看到目標(biāo)的表面溫度分布,變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。用紅外熱成像技術(shù),探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射,并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段,將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的設(shè)備,我們稱為紅外熱成像儀。自然界所有溫度在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體都會(huì)發(fā)出紅外線,紅外線(或稱熱輻射)是自然界中存在最為廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見(jiàn)光和近紅外線,但是對(duì)3mm～5mm和8mm～14mm的紅外線卻是透明的。因此,這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。我們利用這兩個(gè)窗口,可以在完全無(wú)光的夜晚,或是在煙云密布的惡劣環(huán)境中,能夠清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn),紅外熱成像技術(shù)可用在安全防范的夜間監(jiān)視和森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中。紅外熱成像儀大致分為致冷型和非致冷型兩大類(lèi)。目前,世界最先進(jìn)的紅外熱成像儀,其溫度靈敏度可達(dá)0.03℃。

2紅外熱像儀應(yīng)用范圍

紅外熱像儀(熱成像儀或紅外熱成像儀)的應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣泛,在科研領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括:汽車(chē)研究發(fā)展－射出成型、模溫控制、剎車(chē)盤(pán)、引擎活塞、電子電路設(shè)計(jì)、烤漆;電機(jī)、電子業(yè)－印制電路板熱分布設(shè)計(jì)、產(chǎn)品可靠性測(cè)試、電子零組件溫度測(cè)試、筆記本電腦散熱測(cè)試、微小零組件測(cè)試;引擎燃燒試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);目標(biāo)物特征分析;復(fù)合材料檢測(cè);建筑物隔熱、受潮檢測(cè);熱傳導(dǎo)研究;動(dòng)植物生態(tài)研究;模具鑄造溫度測(cè)量;金屬熔焊研究;地表/海洋熱分布研究等。

紅外熱像儀可以十分快捷準(zhǔn)確探測(cè)電氣設(shè)備的不良接觸,以及過(guò)熱的機(jī)械部件,以免引起嚴(yán)重短路和火災(zāi)。對(duì)于所有可以直接看見(jiàn)的設(shè)備,紅外熱像儀能夠確定所有連接點(diǎn)的熱隱患。那些由于遮蔽而無(wú)法直接看到的部分,則可以根據(jù)其熱量傳導(dǎo)到外面的部件上的情況,來(lái)發(fā)現(xiàn)隱患。這種情況對(duì)傳統(tǒng)的方法來(lái)說(shuō),除解體檢查和清潔接頭外,沒(méi)有其它的辦法。斷路器、導(dǎo)體、母線及其它部件的運(yùn)行測(cè)試,紅外熱像儀是無(wú)法取代的。紅外熱像儀可以進(jìn)行檢查的部分設(shè)施:(1)電氣裝置:可發(fā)現(xiàn)接頭松動(dòng)或接觸不良,不平衡負(fù)荷,過(guò)載,過(guò)熱等隱患。這些隱患可能造成的潛在影響是產(chǎn)生電弧、短路、燒毀、起火。(2)變壓器:可以發(fā)現(xiàn)的隱患有接頭松動(dòng),套管過(guò)熱,接觸不良(抽頭變換器),過(guò)載,三相負(fù)載不平衡,冷卻管堵塞不暢。其影響為產(chǎn)生電弧、短路、燒毀、起火。(3)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī):可以發(fā)現(xiàn)的隱患是軸承溫度過(guò)高,不平衡負(fù)載,繞組短路或開(kāi)路,碳刷、滑環(huán)和集流環(huán)發(fā)熱,過(guò)載過(guò)熱,冷卻管路堵塞。其影響為有問(wèn)題的軸承可以引起鐵芯或繞組線圈的損壞;有毛病的碳刷可以損壞滑環(huán)和集流環(huán),進(jìn)而損壞繞組線圈。還可能引起驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的損壞。(4)電氣設(shè)備維修檢查,屋頂查漏,節(jié)能檢測(cè),環(huán)保檢查,安全防盜,森林防火,無(wú)損探傷,質(zhì)量控制,醫(yī)療檢查等也很有效益。(5)診斷人體疾病,運(yùn)用經(jīng)絡(luò)學(xué),在人腦的研究工作及在研究疾病治療方法中的應(yīng)用;特別是在診斷哮喘病,痹癥,腰椎間盤(pán)突出癥,運(yùn)動(dòng)病,惡性腫瘤等病癥具有無(wú)放射性,一次多臟器全身掃描的非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，是綜合確診人體某種疾病的一種有用手段。(6)建筑物外墻的監(jiān)測(cè)。通過(guò)表面溫度可以為我們提供有關(guān)樓宇結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)、供暖通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)的許多信息。在透過(guò)紅外鏡頭觀察時(shí),平日肉眼看不到的問(wèn)題會(huì)突現(xiàn)眼前。使用紅外熱像儀,可以檢測(cè)到空氣泄漏、水分積累、管道堵塞、墻壁后面的結(jié)構(gòu)特征以及過(guò)熱的電氣線路等,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化記錄歸檔。通過(guò)用這種工具對(duì)表面進(jìn)行掃描,您可以快速發(fā)現(xiàn)通常代表潛在問(wèn)題的溫度變化,并以詳細(xì)的圖形報(bào)告的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。(7)紅外熱成像儀在自然環(huán)境方面的應(yīng)用。監(jiān)控自然環(huán)境,如山體滑坡、火山爆發(fā)。

3下面談一談熱成像儀在承鋼公司設(shè)備故障檢測(cè)判斷、分析上的應(yīng)用

3.1 由事故引發(fā)的點(diǎn)檢方式

(1)2010年6月25日上午11時(shí)12分12秒765毫秒,AV80風(fēng)機(jī)變壓器壓力釋放閥釋放(見(jiàn)圖3-1),計(jì)算機(jī)報(bào)“1#主變壓力釋放告警發(fā)生”(字幕未自動(dòng)彈出),也無(wú)音響信號(hào),值班員未能發(fā)現(xiàn)異常。14時(shí)16分12秒,變壓器溫度達(dá)到90℃,值班員聽(tīng)到計(jì)算機(jī)音響報(bào)警(字幕未自動(dòng)彈出),檢查事故報(bào)文發(fā)現(xiàn)“1#主變差動(dòng)、本體重瓦斯動(dòng)作(紅色)”;“1#主變本體重瓦斯發(fā)生”;“1#主變本體差動(dòng)預(yù)告總發(fā)生”。立即通知正在檢修2#水泵斷路器的值班長(zhǎng)去變壓器室檢查,發(fā)現(xiàn)變壓器壓力釋放閥動(dòng)作噴油,隨即熱力工段組織帶壓倒風(fēng)機(jī)將電動(dòng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷倒入AV90風(fēng)機(jī)運(yùn)行,未影響高爐運(yùn)行。(如圖3-1)

事故原因:(1)由于變壓器投入運(yùn)行后油溫隨負(fù)荷和環(huán)境溫度的增加而膨脹,值班員未按時(shí)點(diǎn)檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器溫度升高趨勢(shì)最高升至93℃,同時(shí)變壓器油枕油位表不準(zhǔn)(滿油后在6的位置)。致使變壓器油枕滿油無(wú)膨脹空間,壓力達(dá)到啟動(dòng)值(55KP)壓力釋放閥動(dòng)作。(2)變壓器風(fēng)扇未能及時(shí)投入運(yùn)行(風(fēng)扇電源未送)。(3)計(jì)算機(jī)報(bào)文與綜自保報(bào)文與實(shí)際不符,造成誤判斷。(4)油位表上、下限報(bào)警由于設(shè)計(jì)等原因未接線安裝完成。(5)壓力釋放閥動(dòng)作時(shí),由于計(jì)算機(jī)設(shè)置問(wèn)題未出現(xiàn)字幕自動(dòng)彈出報(bào)警和音響報(bào)警信號(hào),導(dǎo)致變壓器噴油未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

防范措施:崗位值班人員認(rèn)真監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況,及時(shí)抄表、按時(shí)點(diǎn)檢,對(duì)新投入運(yùn)行設(shè)備、負(fù)荷逐漸增加設(shè)備、雷雨大風(fēng)天氣等特殊時(shí)期進(jìn)行特殊點(diǎn)檢。

亡羊補(bǔ)牢,時(shí)猶未晚。此后,我們采用熱成像儀對(duì)35臺(tái)采用磁力油位計(jì)的主變油枕油位進(jìn)行復(fù)測(cè)共發(fā)現(xiàn)3臺(tái)主變油位計(jì)指示與實(shí)際位置不符(見(jiàn)圖3-2),其中一臺(tái)油位高,采取了放油措施避免噴油事故的發(fā)生。

由圖紅外照片和可見(jiàn)光照片對(duì)比清楚的看出實(shí)際油位與磁力油位計(jì)相差較大。

(2)2011年8月3日能源管控中心35MW發(fā)電機(jī)出線開(kāi)關(guān)柜斷路器C相下觸頭由于插入位置偏斜造成過(guò)熱拉弧放電,至使部分絕緣套分解冒煙,煙霧涌進(jìn)電纜室造成三相短路。事故發(fā)生后在制定防范措施時(shí),認(rèn)為采用在線測(cè)溫技術(shù)可有效避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生,在還未采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)前是否能夠應(yīng)用熱成像儀及早發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題時(shí),我們進(jìn)行了嘗試并總結(jié)出行之有效的用熱成像儀在線檢測(cè)設(shè)備過(guò)熱時(shí)測(cè)量判斷、分析隱患的方法。

由于現(xiàn)在開(kāi)關(guān)柜全部使用的全密閉技術(shù),完全從外部測(cè)量是絕對(duì)不行的。我們利用熱成像儀能夠測(cè)量較大面積的特點(diǎn),在檢查封閉式高壓開(kāi)關(guān)柜時(shí)首先從開(kāi)關(guān)柜安裝排列的端頭用熱成像儀拍攝后背面或正面的影像,比較發(fā)現(xiàn)溫度比別的開(kāi)關(guān)柜高2℃-3℃以上(見(jiàn)圖3-3)的開(kāi)關(guān)柜,剔除站用變、電壓互感器柜,還有自動(dòng)打開(kāi)加熱器的開(kāi)關(guān)柜,若那個(gè)開(kāi)關(guān)柜再高極有可能該開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部有過(guò)熱部位,可打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜手車(chē)前柜門(mén),用熱成像儀正面檢測(cè)即可發(fā)現(xiàn)是否過(guò)熱,從開(kāi)關(guān)柜正面檢測(cè)由于手車(chē)面板遮擋可用熱成像儀拍攝手車(chē)上部縫隙或擋板的溫度若達(dá)到55℃以上(見(jiàn)圖3-4)基本可以判斷開(kāi)關(guān)柜內(nèi)有異常過(guò)熱部位。一般手車(chē)前面溫度過(guò)高有主要是以下兩點(diǎn)。一是動(dòng)靜觸頭交接處,插入偏斜或動(dòng)觸頭彈簧緊力不足。二是靜觸頭底部連接觸頭盒母線的固定螺絲松動(dòng)所致。

為準(zhǔn)確論證過(guò)熱位置可以進(jìn)一步檢查,在確認(rèn)開(kāi)關(guān)柜后門(mén)不是機(jī)械連鎖和電器連鎖未接跳閘時(shí),由專業(yè)人員打開(kāi)后柜門(mén),測(cè)量上母線室觸頭盒部位和下觸頭盒部位,便可以發(fā)現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn),進(jìn)一步判斷過(guò)熱點(diǎn)是否立即停電處理還是待檢修時(shí)處理,這樣可使損失降到最低。(見(jiàn)圖3-5、3-6)特別注意:打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜后柜門(mén)必須是懂得專業(yè)知識(shí)的人員打開(kāi),防止出現(xiàn)跳閘和觸電事故發(fā)生。我們一共發(fā)現(xiàn)三起這樣的隱患。

我們將圖3-4、圖3-5照片的開(kāi)關(guān)柜抽出發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)靜觸頭底部130℃檢查發(fā)現(xiàn)固定靜觸頭導(dǎo)電筒與母線之間的螺栓(見(jiàn)圖3-7紅外照片數(shù)字130.8下的藍(lán)色圓點(diǎn))松動(dòng)所致(圖3-6也是此原因所致)。將靜觸頭導(dǎo)電筒拆下,用水磨砂紙打磨氧化層后緊固,由于此斷路器觸頭過(guò)熱較嚴(yán)重導(dǎo)致動(dòng)觸頭各觸指片過(guò)熱氧化也進(jìn)行了打磨。處理后運(yùn)行正常,最高負(fù)荷不超過(guò)40℃,考慮到觸頭緊力彈簧受熱準(zhǔn)備更換彈簧。

圖3-7從圖3-4、圖3-5照片中的開(kāi)關(guān)柜抽出斷路器紅外照片明顯看出過(guò)熱點(diǎn)。

4電動(dòng)機(jī)本體過(guò)熱原因分析及其它

(1)2011年5月17日崗位點(diǎn)檢反饋5#鍋爐引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)101℃(見(jiàn)圖4-3),檢測(cè)電流發(fā)現(xiàn)187A,而該電動(dòng)機(jī)額定功率是110kW的,額定電流201A,運(yùn)行電流不超過(guò)額定電流為什么還過(guò)熱？檢測(cè)三相電流平衡,運(yùn)轉(zhuǎn)正常,再進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)封星形接觸器接點(diǎn)110℃,因此認(rèn)定是星角啟動(dòng)運(yùn)行的星型接線的接觸器未打開(kāi)所致,從現(xiàn)象看187A電流未達(dá)到額定電流電動(dòng)機(jī)怎么還會(huì)過(guò)熱？分析原因如下:在三相對(duì)稱電路中,各相負(fù)載是相同的,因此各相負(fù)載的電壓,電流有效值和阻抗角都相同,故對(duì)稱負(fù)載的平均功率為:P=3UpIpCOSθ。若負(fù)載作由Δ接改為Y接平均功率將降低1/3。那么Δ接時(shí)每相線圈的相電流為:Ia=201/1.732=116A。

而當(dāng)電動(dòng)機(jī)由角接改為星接其功率降低1/3,其功率為110kW/3=36.67kW,那么額定電流為I=36.67kW/1.732*0.85*0.22= 60.56A。從計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)角接時(shí)該電機(jī)每一相線圈的相電流只是116A,而改為星接后由于電動(dòng)機(jī)為滿足負(fù)載風(fēng)機(jī)的需要,致使每相電流達(dá)到187A,超過(guò)電動(dòng)機(jī)角接時(shí)每相額定電流116A的1.6倍,但其熱繼電器是按照角接時(shí)電動(dòng)機(jī)的線電流的1.05整定的,未達(dá)到啟動(dòng)值,時(shí)間再長(zhǎng)將會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。(如圖4-3)

(2)6月7日崗位反饋35MW發(fā)電機(jī)2#油泵電動(dòng)機(jī)過(guò)熱106℃(見(jiàn)圖4-4),檢查電動(dòng)機(jī)無(wú)過(guò)載現(xiàn)象,一般電動(dòng)機(jī)最熱點(diǎn)在安裝銘牌的寬橫筋處,別處是翅型散熱片通道,溫度相對(duì)較低,而從照片看翅型通道處溫度與大橫筋處相近,用手指放到翅型散熱片通風(fēng)道中間明顯感覺(jué)各風(fēng)通道風(fēng)量差別較大,從風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)孔看無(wú)堵塞現(xiàn)象,扇葉無(wú)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象(風(fēng)扇葉鍵脫落或滾鍵),查看散熱片上有油漬,打開(kāi)風(fēng)扇外護(hù)罩看到護(hù)罩下風(fēng)通道沾了許多細(xì)毛和油塵,致使通風(fēng)不良造成過(guò)熱,清理后運(yùn)行溫度正常。(如圖4-4)

(3)7月1日1#TRT油溫過(guò)高,造成跳機(jī),檢查發(fā)現(xiàn)油泵達(dá)到90℃左右(圖4-5),測(cè)量交換器進(jìn)油管端49.8℃,交換器出油管端48.3℃溫度差別較小(圖4-6),判斷為交換器堵塞,拆開(kāi)清理后運(yùn)行正常。

參考文獻(xiàn)

[1] 百度百科.紅外線成像儀.

[2] 李翰蓀.電路分析[M].中央廣播電視大學(xué)出版社.