變電一次容性設備紅外成像技術研究

方勇，鄒璟，王清波，施濤，韋瑞峰，段永生

（云南電網有限責任公司昆明供電局，昆明650000）

0 前言

在變電站高壓設備中，容性設備包括耦合電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、變壓器套管等設備，它們占變電設備的40%-50%，其自身的健康程度直接關系到電力系統安全、穩定運行[1-2]。容性設備的絕緣劣化是一個漸變的過程，如不及時發現并檢修，可能導致設備發生故障，引發突發性事故，造成系統保護勿動或電網的波動。

紅外監測診斷技術是變電設備在線監測式基礎診斷方法，它集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術于一身，通過接收物體發出的紅外輻射將其熱像顯示在熒光屏上[4-5]，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況，集準確、實時、快速、便捷等特點，在電氣領域、軍事領域等得到廣泛的利用。目前，紅外檢測技術在容性設備中的應用已經很成熟，利用紅外技術對設備狀態進行診斷，根據診斷的結果對其試驗，以此來判斷紅外診斷的有效性[6-8]。

由于電壓致熱性設備發熱集中在設備內部，產熱量并不高，同時熱量從設備內部往外傳輸過程中發生擴散，對其進行故障診斷就很難有效把握。本文應用熱輻射的基本規律對容性設備在運行過程中產生的熱輻射進行分析，得出容性設備的測溫原理；通過分析紅外輻射的特征和紅外輻射在大氣中傳輸規律，把握容性設備紅外傳輸規律。最后實際應用效果表明，利用容性設備的熱發射規律和紅外傳輸規律，整體把握容性設備的實際運行狀態，一方面可以作為紅外測試中的理論指導，另一方面提高了紅外測試員的分析能力，對實際生產有一定的價值意義。

1 容性設備的熱輻射規律

本文將容性設備(耦合電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、變壓器套管等)看成一個圓柱型的外瓷套，套住電氣單元的設備一般輻射物體，已知其發射率，可通過測量物體的光譜輻射量來確定物體的溫度[9]。若紅外測試儀依據容性設備的總輻射而定溫，則所得到的是物體的輻射溫度（Tc）；若紅外測試儀器根據兩個或多個特征波長上的輻射而定溫，則所得到的溫度是物體的色溫度（Ts）；若紅外測試儀只根據某一個特征波長的輻射而定溫，則所得到的是物體的亮溫度（Tl）。輻射溫度、色溫度和亮溫度都不是物體表面真實的溫度（T），即使經過了大氣傳輸因子等的修正，它們與物體表面的真實溫度之間仍存在一定的差異。

設有一容性設備的真實溫度為T，發射率為ε(T)，輻射出射度為M(T)。當該容性設備的輻射出射度與某一溫度的黑體輻射出射度相等時，這個黑體的溫度就叫做該物體的輻射溫度Tc，由上述假設有：

式1中，Mb為黑體的輻射出射度，式1即可以寫成：

式2中，δ為換算系數，因為ε(T)＜1，所以T＞Tc。當用紅外測試儀測量一個非黑體的真實溫度時，必須要知道物體的發射率ε(T)才能將測得的輻射溫度Tc換算成真實溫度T。在這里的假設，是沒有考慮容性設備所反射的環境輻射，在實際應用中，反射比ρ(T)=1-ε(T)，必須要把反射的環境輻射一起考慮進去分析，對于物體溫度與周圍環境物體溫度相近的場合，考慮物體的反射環境輻射帶來的影響是很有必要的，否則真實溫度的換算表達式（2）就不正確了。

2 容性設備的紅外輻射的基本特征

容性設備的紅外特征與紅外輻射的特征一致，紅外輻射是一種電磁輻射，它既有與可見光相似的特性，如反射、折射、干射、衍射和偏振，又具有粒子性，即它可以以光量子的形式被發射和吸收。此外，紅外輻射還有一些與可見光不一樣的獨有特性：

1）紅外輻射對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外輻射敏感的紅外測試儀器才能探測到；

2）紅外輻射的光量子能量比可見光的小，如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20；

3）紅外輻射的熱效應比可見光要強得多；

4）紅外輻射更易被物質所吸收，但對于有霧天氣來說，長波紅外輻射更容易通過。

3 容性設備的紅外輻射傳輸規律

3.1 容性設備的紅外輻射在大氣中的吸收

圖1紅外在1-15 μm波長之間的輻射光譜

由于大氣對紅外輻射的吸收，可以用各種不同強度的重疊光譜線組成的離散帶來表征，如圖1紅外在1-15μm波長之間的輻射光譜。重疊的程度取決于譜線的半寬度，而這些譜線在整個吸收帶內的分布取決于吸收分子，因而才出現不同的吸收帶。一氧化碳在4.8μm處有一個吸收帶，甲烷在3.2μm和7.8μm處各有一個吸收帶，7.8μm處也可以觀察到一氧化碳的吸收帶，然而一氧化碳最強的吸收帶在4.7μm處，臭氧有三個吸收帶，其中4.8μm處的吸收帶很弱。剩下的就是二氧化碳和水蒸氣，二氧化碳在2.7μm、4.3μm和15μm處有三個強吸收帶，水蒸氣比其它任何氣體有更多的吸收帶，其位置在0.94μm、1.14μm、1.38μm、1.87μm、2.7μm、3.2μm和6.3μm處。

由圖1可以看出，大氣的紅外吸收的特點是具有一些離散的吸收帶，而每一吸收帶是由大量不同程度重疊的各種強度光譜線組成，這些譜線重疊的程度與譜線的半寬度有直接關系，并且還與譜線的間隔有關系，當然與譜線的實際線型也是有關的。

3.2 容性設備紅外輻射在大氣中傳輸過程中的散射衰減

紅外輻射在大氣中傳輸時，除因分子的選擇吸收導致輻射能衰減外，輻射還會在大氣中遇到氣體分子密度的起伏及微小微粒，使輻射改變方向，從而使傳播方向的輻射能減弱，這就是散射。一般來說，散射比分子吸收弱，隨著波長增加散射衰弱所占的地位逐漸減少。但是在吸收很小的大氣窗口波段，相對來說散射就是使輻射衰減的主要原因。

散射是由于媒質不均勻所致，另外大氣中各種類型的懸浮粒也都是引起散射的原因之一，當一束單色輻射在不均勻媒質中傳播xm 后，由于散射作用將使輻射衰減，其衰減是按指數規律進行的，即：其中Pλ(0)和Pλ(x)分別為散射前和經過x距離散射后的光譜輻射功率，μ(λ)為散射系數，λ為散射系數變量，因此純散射決定了介質的投射率，投射率τx(λ,x)表達式為：

一般情況下，大氣中的散射是由兩類散射元的作用所構成，即大氣分子的散射和大氣中懸浮粒的散射，所以散射系數μ(λ)又可以寫成下列兩項之和：

式5中，μf(λ)和μxf(λ)分別表示分子散射系數和懸浮微粒的散射系數。

4 算例分析

將一臺容性設備放置在恒溫（20℃）環境中運行，設備的運行溫度為23.2℃。將環境作為變量，開啟日光燈模擬晴天，關掉日光燈在昏暗的環境下模擬陰天，對環境加水蒸氣模擬霧天。分別在這三種環境下，同一個測試位置對容性設備進行紅外測試，測試數據如表1 所示。

表1容性設備在不同的環境下的測試溫度

從表1橫向可以看出，當把空氣對紅外輻射的吸收效應、空氣對紅外輻射散射考慮進去，換算出的容性設備真實溫度比理想環境下的環境溫度要??；單一只考慮空氣一方面的環境效應影響，其換算出的真實溫度比所有影響因素都考慮進去換算的溫度要大，但是都沒有理想環境下的換算溫度大。

表1中的數據縱向比較，可以看出晴天的測試溫度較陰天和有霧的天氣測試溫度大，這是由于晴天設備被反射，被反射的輻射被紅外設備所接收，所以測試的溫度是最大的；陰天天氣由于設備被太陽反射較弱，所以測試的溫度更接近設備實際運行溫度；有霧天氣測試的溫度最小，這是由于有霧天氣水蒸氣對紅外輻射進行吸收，紅外設備所接收的到輻射比較弱，所以測試溫度相對晴天和陰天都要小。

5 結束語

本文首先分析了紅外輻射的規律，指出了紅外輻射的特征，接著分析了紅外在大氣中的傳輸規律，分別得到了容性設備在運行過程中也具備相應的紅外規律。最后通過算例分析得到，在同一環境溫度下，不同天氣下對容性設備進行紅外測試，所測試的溫度不一樣。當考慮空氣對紅外輻射的吸收和散射的時候，其真實溫度也各不相同。在實際的測試過程中，沒有理想環境，但是通過上述的分析可以看出，最佳的測試環境是在陰天，空氣透明度比較高的環境下測試。