紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用

張文政，李華偉，楊莎莎

紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用

張文政，李華偉，楊莎莎

介紹了紅外熱成像測溫技術(shù)的基本理論與原理，針對電氣化鐵路系統(tǒng)易出現(xiàn)的問題，著重分析了紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用與前景。

紅外熱成像；溫度檢測；研究現(xiàn)狀；電氣化鐵路

0 引言

溫度是度量物體冷熱程度的物理量，可通過檢測物體溫度來反映物體狀態(tài)是否良好。紅外熱成像測溫技術(shù)是一種具有非接觸、響應(yīng)速度快、精度高、測溫范圍大、便于操作且應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點的測溫技術(shù)，無論是在軍事還是工農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，但迄今為止在電氣化鐵路領(lǐng)域尚未得到廣泛的應(yīng)用。

本文將介紹紅外輻射的基本理論和紅外熱成像測溫技術(shù)的基本原理，并結(jié)合目前鐵路系統(tǒng)中易出現(xiàn)的問題以及采取的防護手段，分析紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 紅外熱成像測溫技術(shù)的基本理論與原理

1.1 紅外輻射的基本理論

自然界中所有高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，而物體的紅外輻射能量的大小及波長的分布與其表面溫度緊密相關(guān)。因此通過測量物體自身輻射的紅外能量并經(jīng)有效計算，便能準確得出物體的表面溫度，這就是紅外測溫原理的理論依據(jù)。1860—1900年，經(jīng)過40年的努力，建立起了完整的紅外輻射理論，其核心包括透射、反射、吸收定律，基爾霍夫定律，普朗克定律3大定律，它們是紅外熱成像測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1.1.1 透射、反射、吸收定律

一般而言，當(dāng)物體溫度一定時，投射到物體表面的紅外輻射能量一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分能量經(jīng)物體透射。假設(shè)投射到物體表面的紅外輻射能量為1，按能量守恒定律，則有

式中，αλT、ρλT、τλT分別為光譜吸收率、反射率和透射率。

1.1.2 基爾霍夫定律

基爾霍夫認為：物體發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值僅與輻射波長和溫度相關(guān)，與物體性質(zhì)無關(guān)，該比值是對所有物體的普適函數(shù)?？蓪⒒鶢柣舴蚨杀硎緸?/p>

式中，MλT、MbλT分別為一般物體和黑體的輻射度，αλT、αbλT分別為一般物體和黑體的光譜吸收率，且αbλT=1。

1.1.3 普朗克定律

普朗克應(yīng)用微觀粒子能量不連續(xù)的假說，并借助空腔和諧振子理論，導(dǎo)出了以波長λ(μm)和溫度T(K)為變量的黑體輻射度 MbλT(W·m2·μm-1)的計算式為

據(jù)葉靄玲說，當(dāng)白麗筠去拉房地產(chǎn)大鱷森達房地產(chǎn)公司李老板的存款時，被李老板招了安，成為身家上億的李老板的小三，順便在李老板的公司當(dāng)了售樓小姐。這里的主次關(guān)系是與白麗筠的講述顛倒的。我不知道究竟該相信哪一個版本，但是所謂兼聽則明，兩方面都聽到，事實真相基本上就清楚了。

式中，k=1.380 7×1023J/K，為玻爾茲曼常數(shù)；

c1=2πhc2=3.741 8×10-16W·m2為第一輻射常數(shù)；

c2=hc/k=1.438 8×10-2m·K為第二輻射常數(shù)。

1.2 紅外熱成像測溫技術(shù)原理

紅外熱成像測溫技術(shù)的核心設(shè)備是紅外熱像儀，其主要由4部分構(gòu)成：紅外光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理器和顯示器。紅外熱像儀利用測量物體輻射的3～5μm或8～14μm的紅外光波，將物體在這一波段的紅外輻射能量經(jīng)過紅外光學(xué)系統(tǒng)的篩選并聚焦到紅外探測器上，微測輻射熱計上的熱敏電阻元吸收紅外輻射后，將引起熱敏材料的溫度變化，溫度變化可以轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化。這些物理量通過信號處理系統(tǒng)經(jīng)過放大、整形、數(shù)模轉(zhuǎn)換等手段轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在顯示器上以溫度圖像的形式展現(xiàn)。圖像中每一個點的灰度值與被測物體上該點發(fā)出并到達光電轉(zhuǎn)換器件的輻射能量相對應(yīng)。經(jīng)過信號處理電路的內(nèi)部運算，就可以從紅外熱像儀的圖像上讀出被測物體表面的每一個點的輻射溫度值。

2 紅外熱成像測溫在電氣化鐵路中的應(yīng)用

鐵路作為國民經(jīng)濟的大命脈，是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，其中包括鐵路沿線變電所、接觸網(wǎng)、機車配套電氣設(shè)備、運行線路等，系統(tǒng)中各部分一旦發(fā)生故障，將嚴重影響列車的高速度、高密度運行。因此迫切需要一種安全、可靠且能實現(xiàn)對鐵路系統(tǒng)日常運行進行監(jiān)控的技術(shù)，而紅外熱成像測溫技術(shù)可滿足以上要求。

2.1 在鐵路沿線變電所中的應(yīng)用

電氣化鐵路沿線變電所中各類裸露電力設(shè)備部件經(jīng)長年累月的運行，受到污穢覆蓋、有害氣體腐蝕、風(fēng)吹日曬等自然環(huán)境的作用，再加上設(shè)計、施工質(zhì)量等因素的影響，出現(xiàn)設(shè)備老化、損壞和接觸不良等隱患，導(dǎo)致接觸電阻增大，引起設(shè)備的局部發(fā)熱，若未及時發(fā)現(xiàn)并消除這些隱患，將會導(dǎo)致設(shè)備故障[1]。

目前，對鐵路沿線變電所各器件運行狀況的檢測仍然采用傳統(tǒng)人工檢測方法，電力設(shè)備實行定期維修制度。但由于故障的不確定性，存在設(shè)備在未達到其維修期限時就已發(fā)生故障或達到其維修期限后設(shè)備仍然完好的情況，因此其經(jīng)濟性得不到保障。文獻[2]提出了利用X射線Dr檢測的方法，而該方法運用較為單一，更多用于檢測器件是否發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂等故障。

與其他方法相比，紅外熱成像測溫技術(shù)不但可有效降低因高壓帶來的檢測危險，還可對電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠預(yù)測，便于檢修人員及時采取合理的處理措施，減少因設(shè)備缺陷而造成的停電事故，保證了可靠供電。圖1和圖2分別為變電所套管與配電柜紅外檢測圖像。

圖1 套管紅外檢測圖像

圖2 配電柜紅外檢測圖像

2.2 在弓網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

弓網(wǎng)系統(tǒng)是電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，擔(dān)負著向電力機車輸送電能的重要任務(wù)。在機車運行過程中，由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不平順或機車運行不平穩(wěn)等原因，易造成弓網(wǎng)拉弧現(xiàn)象。短時弓網(wǎng)拉弧造成的影響相對較小，只在接觸線上形成點燒蝕或線燒蝕；但若形成長時間拉弧，其產(chǎn)生的高溫極易引起接觸線燒斷和受電弓斷裂等故障。一旦發(fā)生該類故障將進一步引發(fā)更大范圍線路損壞，機車無法正常運行，嚴重影響機車的運行安全和效率。根據(jù)中國鐵路總公司運輸局資料顯示，弓網(wǎng)系統(tǒng)故障造成的鐵路事故在近幾年仍占較大比例[5]。弓網(wǎng)系統(tǒng)故障己成為提速、提高運營安全性的嚴重障礙。特別是隨著電氣化鐵路運營里程的增加，如何對既有線路進行有效養(yǎng)護及維修，實現(xiàn)列車的平穩(wěn)運行，已成為中國鐵路工作者面臨的一大難題。目前常用的檢測手段主要包括：

（1）人工檢測。以人工作業(yè)為主，需要人工登車頂檢測受電弓和登桿檢測接觸網(wǎng)。人工檢測具有較強靈活性，可人工識別各類故障；缺點是效率低，安全性差，作業(yè)必須開“天窗”進行，干擾行車，且無法實現(xiàn)實時檢測，對行車過程中的大規(guī)模拉弧現(xiàn)象無法做出預(yù)判。

（2）接觸式弓網(wǎng)檢測。如國外文獻中給出接觸線磨耗檢測車設(shè)計方案[6]，利用受電弓預(yù)埋光纖傳感器的方式檢測受電弓實時應(yīng)力變化與沖擊[7]等。我國對弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究起步于20世紀60年代，重點是利用接觸網(wǎng)檢測車對接觸網(wǎng)各種參數(shù)進行檢測[8]。文獻[9]利用在模擬受電弓滑板上布置傳感器的方式進行接觸線拉出值檢測。接觸式檢測方法有效提高了檢測精度，缺點是利用綜合檢測車進行檢測需要占用線路，干擾正常行車，且部分檢測裝置需要對受電弓進行改造，將影響受電弓各項性能，最終可能影響檢測結(jié)果。

（3）非接觸式測距弓網(wǎng)檢測。激光測距應(yīng)用方面，文獻[10]利用脈沖相位式激光測量原理，實現(xiàn)接觸線導(dǎo)高與拉出值高精度檢測；文獻[11]利用激光束實現(xiàn)對受電弓滑條進行磨耗檢測；超聲波測距應(yīng)用方面，文獻[12，13]設(shè)計了利用超聲波傳感器作為檢測元件的受電弓磨耗檢測裝置。非接觸式測距弓網(wǎng)檢測優(yōu)勢在于檢測效率高，行車干擾小，但是激光檢測功能相對單一，而超聲波檢測具有精度相對較差等缺點。

上述檢測方法都存在一定的弊端。文獻[14]提出利用紅外熱像儀對接觸網(wǎng)各零部件進行檢測，因此同樣可以研究利用車載式紅外熱成像儀實現(xiàn)弓網(wǎng)檢測。通過將紅外熱成像設(shè)備安裝于機車車頂，對受電弓和接觸網(wǎng)所在區(qū)域進行溫度探測，實時監(jiān)測接觸網(wǎng)設(shè)備，如果在列車行進中出現(xiàn)短時間的拉弧、硬點等并產(chǎn)生瞬間高溫，熱像儀可以記錄該時刻高溫值和故障點位置，便于檢修人員及時進行維修；若發(fā)現(xiàn)長時間、大規(guī)模拉弧，此時報警裝置提醒列車監(jiān)控人員，以便采取減速等措施，避免引起大規(guī)模線路損壞。相比于其他檢測方式，該檢測方式優(yōu)勢不言而喻。圖3為接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件紅外檢測圖像。

圖3 接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件紅外檢測圖像

2.3 在機車電氣設(shè)備中的應(yīng)用

機車內(nèi)部設(shè)有大量電氣設(shè)備，運行時會產(chǎn)生很大的熱量。同時由于連接件松動、設(shè)備老化等原因其電阻等參數(shù)也會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致電氣設(shè)備溫度分布異常，造成設(shè)備損壞，嚴重時會導(dǎo)致事故發(fā)生。電力機車內(nèi)部可使用紅外熱像儀檢測的部件主要包括：主變壓器、調(diào)壓開關(guān)、變流裝置、牽引電動機、電子控制柜、制動電阻柜、發(fā)動機、發(fā)電機、油水交換器、中冷器通風(fēng)機、軸承、緩沖器、變速器、牽引機械等。

早期機車檢測手段較為單一，憑借經(jīng)驗預(yù)測機車相關(guān)部件的壽命情況，通過人工檢測實現(xiàn)機車部件的維修或替換，這種定修制顯然不具備很好的經(jīng)濟性。文獻[15]提出微機自動測控方法，微機自動測控設(shè)備通過測控連接線實現(xiàn)與檢測設(shè)備的連接，通過參數(shù)反映設(shè)備狀態(tài)。與人工檢測方法比較，該方法可通過設(shè)備的不同狀態(tài)實現(xiàn)狀態(tài)修，提高了經(jīng)濟性，缺點在于檢測過程復(fù)雜，需要外接設(shè)備與線路，檢測時間長。

根據(jù)上述分析，可利用紅外熱像儀對機車相關(guān)部件進行檢測，實現(xiàn)狀態(tài)修，并可根據(jù)各部件的預(yù)計壽命情況，在設(shè)備運行前期進行少量的設(shè)備檢測，防止因突發(fā)故障引起各設(shè)備損壞；在設(shè)備即將到達預(yù)測的壽命期時，有計劃地利用紅外熱像儀進行巡檢，觀測各器件是否由于設(shè)備老化、斷裂或者線路問題等原因出現(xiàn)局部溫度異常，一旦出現(xiàn)溫度異常，及時更換設(shè)備，提升了維護效率，但該類設(shè)備需依賴定期巡檢保證其安全性。由于熱成像儀的特點是實時拍攝，實時顯示溫度結(jié)果，因此通過分析設(shè)備是否出現(xiàn)異常溫度即可判斷設(shè)備狀態(tài)。該方法相比微機自動測控具有檢測時間更短，檢測更方便的特點。

除上述幾種應(yīng)用外，紅外熱成像測溫技術(shù)還可應(yīng)用于鐵路路基、路口、橋梁、隧道、咽喉區(qū)等重點區(qū)域，實現(xiàn)其他監(jiān)測設(shè)備無法完成的夜間監(jiān)測。根據(jù)拍攝溫度圖像對各場合出現(xiàn)的異常狀況進行報警警示，從而保障電氣化鐵路的運行安全；還可將車載型紅外熱像儀安裝于機車頭部，增加夜間行車的紅外視線，通過紅外視線可清楚識別線路狀況，增加夜間駕駛觀察距離，擴大駕駛視線范圍，提高了夜間行車的安全性。

3 結(jié)語

本文結(jié)合目前鐵路系統(tǒng)容易出現(xiàn)的問題，分析了紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，利用紅外熱成像測溫技術(shù)，實現(xiàn)對電氣化鐵路相關(guān)設(shè)備進行在線、高精度的檢測，及時排查故障。

由于紅外熱成像測溫技術(shù)在國內(nèi)電氣化鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展較晚，熱成像儀造價較高以及缺乏有效的電氣化鐵路領(lǐng)域的故障熱測量標準等原因，未得到廣泛應(yīng)用和推廣。但隨著科技的進步，熱成像儀的造價成本不斷降低，相應(yīng)的標準逐步建立完善，紅外熱成像測溫技術(shù)在電氣化鐵路領(lǐng)域必將有廣闊的應(yīng)用前景。

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The paper introduces the basic theories and principles of infrared thermal imaging based temperature metering technology,with regard to the problems liable to occur on the electrified railway system,analyzes with emphasis the application and prospect of infrared thermal imaging based temperature metering technology on the fields of electrified railways.

Infrared thermal imaging;temperature metering;situations of researches;electrified railway

U226

B

1007-936X(2017)06-0073-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.019

張文政.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向為基于紅外熱成像技術(shù)的弓網(wǎng)溫度檢測；

李華偉.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；

楊莎莎.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生。

2017-02-13