基于红外监测技术的热缺陷分类及典型故障分析论文

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　　摘要：大部分机电设备故障在其表面温度分布上都有所体现，利用红外热像仪，通过监测设备表面温度分布的变化，可以判断设备的运行状态。由于设备故障类型较多，判断方法及标准也有很多，对于电气设备的热缺陷，判断方法及标准比较规范，对于其他领域的设备热缺陷，缺少统一的判断方法及标准。针对此情况，系统地总结了各种类型的热缺陷，依据发热机理的不同将其划分为4类。梳理了红外监测技术常用的判断方法，以及不同判断方法适用的热缺陷类型。并分析了5种不同类型的典型热缺陷案例，表明红外监测技术能够在早期发现各类热缺陷，有利于及时排除安全隐患，或者跟踪监控故障的发展变化趋势，保障设备的安全运行。最后指出了建立设备的红外特征图谱档案，对于红外监测工作有重要意义，是监测技术人员非常有价值的研究方向。

　　关键词：热缺陷；状态监测；红外热像

　　Abstract:Most mechanical and electrical equipment failures are reflected in the surface temperature distribution.The operation status of equipment can be judged by monitoring the change of surface temperature distribution of equipment using infrared thermal imager.As there are many types of equipment faults,there are also many judgment methods and standards.For thermal defects of electrical equipment,the judgment methods and standards are relatively standardized,but for thermal defects of equipment in other fields,there is a lack of unifie judgment methods and standards.In order to solve the problem,various types of thermal defects are systematically summarized,which are divided into four categories according to different heating mechanisms.The common judgment methods of infrared monitoring technology and the types of thermal defects applicable to different judgment methods are introduced.Finally,five typical thermal defect cases of different types are analyzed,which shows that infrared monitoring technology can find all kinds of thermal defects at an early stage,which is conducive to eliminating potential safety hazards in a timely manner,or tracking the development trend of monitoring failures,to ensure the safe operation ofequipment.Finally,it is pointed out that the establishment of the infrared characteristic spectrum archives of the equipment is of great significance to the infrared monitoring work and is a very valuable research direction for monitoring technicians.

　　Key words:thermal defects;conditions monitor;infrared thermography

　　0引言

　　红外监测技术具有不接触被测物体、不破坏温度场、灵敏度高、检测效率高、操作安全等优点，在电力、冶金、石油化工、机械等工业领域的应用越来越受重视。对于热缺陷的判断方法和标准比较繁多，国家电力工业部于2008年修订了DL/T664-2008《带电设备红外诊断应用规范》等行业标准，使红外监测技术在电力系统得到了推广和普及，判断方法和标准也得到了统一，成为国家电网例行巡检的常用技术[1-3]。在机械设备运行状态的监控、材料的缺陷检测等方面也有很多专家做了研究，提出了多种判断方法[4-5]，但并没有形成标准的监测流程和判断方法，因此在电力领域之外的其他领域红外监测技术的研究较多，但应用相对较少，多数是针对某一设备的孤立案例，没有得到广泛推广。

　　本文系统总结了热缺陷的类型，依据发热机理的不同，划分为电气设备的热缺陷、设备材料的传热性能发生改变导致的热缺陷、零部件异常摩擦导致的热缺陷以及内燃机、加热炉等发热量异常导致的热缺陷。指出了表面温度判断法、相对温差法、相间比较法、同相比较法、内部缺陷判别法和红外特征图谱判断法6种常用方法适用的热缺陷类型。最后分析了5个典型故障案例，介绍了所适用的判断方法及具体分析过程。展示了红外监测技术广泛的应用前景，以及建立红外特征图谱档案的重要性。

　　1热缺陷类型

　　红外监测技术是指利用红外热成像技术，测量物体表面热辐射强度分布，从而判断设备的运行状态。适用于红外监测技术的常见热故障类型主要有以下4类。

　　(1)电气设备的热缺陷。电力设备的热缺陷监测是红外监测技术应用最早的领域，目前已经成为国家电网例行巡检的常规化技术手段。在高温高湿高盐环境下运行的船舶电气设备，更容易出现设备绝缘性能下降、锈蚀、接触不良等现象，导致热缺陷。根据致热源类型的不同可以分为电流致热型缺陷和电压致热型缺陷。

　　电流致热型缺陷是电流作用引起的设备热缺陷，电路中有电阻存在，必然会造成能量损耗，该部分能量主要是以热能的形式消散，发热功率如式(1)所示：

　　P=kf I2 R(1)

　　式中：P为发热功率；kf为附加损耗系数；I为负荷电流；R为导体电阻。

　　附加损耗系数(kf)用来修正交流电的邻近耦合效应和集肤效应。发热功率与电阻大小成正比，正常情况下电阻值较小，发热功率也较小。当电气设备由于松动等原因造成接触电阻增大时，发热功率也增大，若不及时发现处理，有可能进一步发展成严重故障。

　　电压致热型缺陷是指电压作用引起的设备热缺陷。如果绝缘介质出现破损、受潮等情况，自身的电导率增大，介质损耗也随增大，发热量增加，介质损耗相对于电阻损耗更容易发展扩大，极易引起故障。由此产生的发热功率如式(2)所示:

　　P=U2ωC tanδ(2)

　　式中：P为发热功率(介质损耗)；U为电压；ω为交流角频率；C为等值电容；tanδ为介质损耗因数，介质损耗与电流无关，与电压的平方成正比[6-8]。

　　(2)设备材料的传热性能发生改变导致的热缺陷。流体管路系统，包括液压系统、润滑系统、冷却系统和燃油系统等，如果出现油泵故障、传动不良、管路、阀门或者滤清器阻塞、热交换器损坏等现状或者管道内出现水垢、积聚污染物、腐蚀、裂纹等异常情况时，隔热层的厚度发生改变，相应的机体表面温度分布也会发生变化。通过红外监测，可以发现此类故障；各种高温设备中耐火材料衬里的开裂、保温层破损，将出现局部过热点或者过冷点，利用红外监测技术很容易找到损坏部位[9-12]。

　　(3)零部件异常摩擦导致的热缺陷。由于不对中，不平衡、轴弯曲、松动等原因造成的轴承、联轴器、壳体、基座等部件的异常摩擦，会导致相应部位温度急剧升高，通过红外监测很容易发现异常情况[13-14]。

　　(4)内燃机、加热炉等发热量异常导致的热缺陷。

　　缸体内部燃烧不正常，发热量异常，壳体表面的温度分布会发生变化，利用红外热像仪测量、比对温度分布的变化情况，进而可发现异常部位[15]。

　　2常用判断方法

　　2.1表面温度判断法

　　参考GJB 4000-2000所规定的设备最大允许发热温

　　度，当被测设备温度达到规定的最大值时，应建议立即停止工作，进行检查处理。

　　若考虑负载率的情况，必要时按照式(3)将实际负载情况下的温度(或温升)折合成满载情况下的温度(或温升)进行分析和判断。满载情况下温度Te的理论值计算如式(3)所示：

　　Te=T(Ie/I)2(3)

　　式中：Ie为额定负载电流；I为实际负载电流；Te为额定负载电流下的温升；T为实际负载电流下的温升。

　　如果温度(或温升)较高，超过最高允许温度(或温升)值，应立即检修。该方法通常用于第一类热缺陷。

　　2.2相对温差法

　　为了排除负荷或者环境温度不同时对红外判断结果的影响，可以使用相对温差法。根据DL/T664-2008《带电设备红外诊断应用规范》，相对温差是指设备状况相同或基本相同(指设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷电流等)的两个对应测点之间的温差，与其中较热测点温升的比值，其数学表达式如式(4)所示：

　　ΔT=×100%(4)

　　式中：T1为温度较高测点的温度；T2为温度较低测点的温度；Ta为环境温度。

　　热缺陷通常可分为3档，当35%≤ΔT≤80%为一般热缺陷；80%<ΔT≤95%为严重热缺陷；95%<ΔT为危急热缺陷。该方法通常用于第一类热缺陷。

　　2.3相间比较法

　　多数高压电气设备是三相运行的，在正常状态下，每一相的电压以及电流基本相同，不会有太大差异。因此，每一相电路相同部位的温度也基本相同。

　　相间比较法是对同一设备三相间的温度进行比较，也称为“横向比较法”。设备运行过程中三相电流基本相等，因此三相温升也应基本相等。根据相间的温差，可以比较直观地判断出设备是否正常。在进行同类比较时，虽然三相设备同时产生热故障的几率比较低，但是不能绝对排除这种可能性，这是需要注意的地方。相间比较法适用范围广，包括电流致热性缺陷和电压致热型热缺陷。该方法通常用于第一类热缺陷。

　　2.4同相比较法

　　在进行故障诊断时，可以对同一设备同一相的不同部位的温度进行对比，对判定故障属性和定位也有一定的用处。例如，高压电网中的电缆故障可以通过与同相导线1 m之外的温升来判断。该方法通常用于第一类热缺陷。

　　2.5内部缺陷判别法

　　电气设备内部热缺陷因其故障点在设备内部，被外壳包裹，因此不能直接测量故障部位的温度。内部发热缺陷对外界环境条件变化的敏感度较小，发热比较稳定，发热源通过热传导等方式与周围壳体材料进行热量交换，引起周围壳体材料的温度升高，特别是与发热点直接相连的金属导体，更容易出现显著的温度变化。因此，对电气设备的内部热缺陷，可根据周围壳体材料的温度变化和设备表面的温度分布变化进行综合分析。

　　由于是间接监测，得到的温升要小于内部实际温升，要适当放低判断发热程度的温升标准。该方法通常用于第一类热缺陷。

　　2.6红外特征图谱判断法

　　正常运行的机电设备各部位有相对稳定的表面温度分布，其红外热像图即为该设备的红外特征图谱。一旦设备出现某种热故障，必然通过热传导等形式，改变设备表面温度分布。根据红外热像图谱的变化，可以判断设备是否有故障，根据表面温度场的空间分布及温升大小，可以判别故障的位置及严重程度[16-17]。该方法通常用于第二类热缺陷、第三类热缺陷以及第四类热缺陷。

　　3典型故障分析

　　案例1：船用岸电箱配电板。在例行红外监测时发现，岸电箱绝缘板上有异常热斑，红外热像图显示绝缘板上C相电缆接头处的温度明显高于A相和B相，说明C相接点存在问题。进一步观察发现，C相接点处，绝缘板的温度明显高于电缆接头的温度，说明热量由绝缘板背面向外传导，发热点位于绝缘板的背面。调整拍摄角度后，得到的红外热像如图1所示。背面C相电缆最高温度为82.2℃，温升为50℃，根据表面温度判断法，该故障属于严重热缺陷。应当尽快拆检。断电后现场拆检发现，绝缘板背面触点明显发黑，电缆橡胶已出现熔化现像，接头金属严重氧化。对触点处理后，重新安装检测，温度明显降低。

　　案例2：船用空调冷水机组控制箱。故障点温度185.1℃，温升150.1℃，如图2所示。利用表面温度判断法判断属于危机缺陷，需要进行立即停机检修。经检查发现，电缆绝缘层已经融化，接头发黑，已经严重氧化锈蚀，拆检后发现该接头漏装垫片。更换损坏电缆，选择合适垫片，重新连接后温度恢复正常。

　　案例3：水泵电机表面过热。环境温度20℃，环境湿度60%，表面温度高达103.4℃，如图3所示。利用表面温度判断法，根据相关标准，电机A级绝缘状态下，电机外壳最高允许温升为75℃，根据红外热像，最高温升已达83.4℃，存在安全隐患。经检测发现，电机额定电流为42.5 A，实测电流为48 A，说明电机负荷过大，应当停机检查，减小负荷。

　　案例4：发电机自由端轴承盖过热。环境温度20℃，环境湿度60%。发电机自由端轴承盖温度为51.9℃。此类情况，通常可利用红外特征图谱判断法，如果没有红外特征图谱资料，也可以对比相同型号、相同工况的其他设备同一部位的温度。如图4所示，此处相比相同工况其他发电机同一部位温升为20.0℃，存在安全隐患，停机检测发现，润滑不良，轴承存在异常摩擦。

　　案例5：主变直流电机皮带轮过热。如图5所示，皮带轮表面温度高达90.6℃。根据该电机的红外特征图谱可知，正常情况下皮带轮表面温度57.3℃。此处温度明显异常，存在安全隐患，检查发现皮带弹性下降，传动带和皮带轮之间有异常摩擦，需要更换新的传动带。

　　4结束语

　　依据发热机理的不同，总结梳理了可以根据表面温度变化进行识别的各类设备热缺陷。共分为4大类。

　　对于电气设备的热缺陷，可以利用表面温度判断法或者相对温差法进行判断。红外监测技术在电气设备领域的应用较早，已有大量研究成果和成功应用案例，并且制定了通用的红外监测诊断方法和标准。

　　对于因设备材料传热性能改变导致的热缺陷、零部件异常摩擦导致的热缺陷、内燃机、加热炉等发热量异常导致的热缺陷这3类情况，部分热缺陷有相关材料的最高限温要求，可以利用表面温度判断法进行故障诊断，对于多数没有明确判断标准的热缺陷，推荐利用红外特征图谱判断法，从温度分布变化趋势的角度进行分析判断。这就要求监测技术人员定期对设备进行红外监测，建立红外特征图谱档案，长期关注设备的表面温度变化趋势。

　　通过对5个典型热缺陷案例的分析表明，红外监测技术具有安全、直观、高效等特点，可以快速识别出多种类型的设备故障，在设备故障的早期发现隐患问题，及时跟踪消除故障隐患。红外监测技术有着广泛应用价值，值得继续推广研究。

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