红外热成像对于电气系统检测的应用价值

说明：本文依据《红外热像对于电气系统的应用价值》原文逐节整理，全部案例热像图均选用 设备实拍图，便于客户直观理解热缺陷判据与检测方法。

一、背景概述

● 带电设备：传导负荷电流（试验电流）或加有运行电压（试验电压）的设备。

● 温升：用同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差。

● 相对温差：两个对应测试点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。

● 环境温度参照体：用来采集环境温度的物体。它可能不具有当时的真实环境温度，但具有与被测物相似的物理属性，并与被测物处在相似的环境之中。

● 外部缺陷：凡致热效应部位裸露，能用红外检测仪器直接测出的缺陷。

● 内部缺陷：凡致热效应部位被封闭，不能用红外检测仪器直接检测，只能通过设备表面的温度场进行比较、分析和计算才能确定的缺陷。

二、电气接头

在工厂输配电系统中，有大量触头、开关、套管夹等，常常由于接触不佳、腐蚀或内部异常等各种原因，出现异常过热点，严重影响供电。使用红外热像仪可以准确地检测出过热点，及时排除隐患，确保供电。

▲ 手持热像仪在配电柜前巡检：断路器、接线端子排一目了然，热点即刻定位

三、电气接头热缺陷形成原因及发热机理

所谓电气设备热缺陷，通常是指通过一定手段检测发现，由于其内在或外在原因所造成的发热现象。根据缺陷所产生的原因不同，通常归纳为以下几类：

• 1、长期暴露在空气中的部件，由于温度湿度的影响，或表面结垢而引起的接触不佳。
• 2、由于外力作用所引起的部件损伤，使导电截面积减少而产生的发热。如接头连接不佳，螺栓、垫圈未压紧或过紧。
• 3、长期在恶劣环境下运行：大气中的活性气体、灰尘引起的腐蚀氧化；元器件材质不佳，加工安装工艺不好造成导体损伤；机械振动等各种原因所造成的导体实际截面降低。
• 4、负荷电流不稳或超标等。
• 5、由于电器内部本身故障，如内部连接部件接触不佳导致的电阻过大。

根据公式 P = I²R，发热功率（P）与接触电阻（R）、通过电流（I）的平方成正比。正常时连接处的电阻在允许范围，通过额定工作电流后发热也在设计允许值以内；当接触电阻异常时，发热功率增大，通电时间越长、电流越大，温升越异常，终究产生缺陷。

▲ 实拍：电气接头接触异常，热点温度 61.4℃（环境 30.1℃），温升约 31℃——P=I²R 发热机理的直接体现

四、热缺陷的划分

根据 GB763-90 以及多年实测数据统计分析，按照热缺陷温升的高低及对设备的危害程度，可将其分为一般性热缺陷、严重性热缺陷和危险性热缺陷三种。以下三类案例热像图均由  热像仪实拍。

1、一般性热缺陷

温升范围在 10～20℃ 之间：与相同运行条件下的设备相比，该接头有一定的温升，用红外成像仪测量仅有轻微的热像特征。此种情况应引起注意，检查是否系负荷电流超标引起，并加强跟踪，防止缺陷程度加深。

▲ 实拍（一般性热缺陷）：配电柜回路热点 36.2℃、环境 25.2℃，温升约 11℃，落在 10~20℃ 判据区间。低负荷率下发现此类缺陷尤其要重视——负荷一旦升高，缺陷处温度将急剧升高

2、严重性热缺陷

发热点温升范围在 20～40℃ 之间，或实际温度在 60～80℃ 之间，或设备相间温差在 1.5～2.0 倍之间。热像特征明显，缺陷处已造成严重热损伤，对设备运行构成严重的威胁。此类缺陷在确认负载状况之后，应当给予长期监测，避免进一步恶化；生产条件允许或必要时应当及时调整，避免造成重大经济损失。

▲ 实拍（严重性热缺陷）：高压接头多点测温，热点 Sp3 达 56.6℃（参照点 Sp1 27.3℃），温升约 29℃，处于 20~40℃ 区间，热像特征明显，需长期监测

3、高危性（危险性）热缺陷

发热点温升超过 40℃，或者峰值温度度已超过国标 GB 763-90 所规定的该材料上限允许值。此类缺陷热像图非常清晰，外观检查可看到严重的灼烧痕迹，随时可能造成突发性事故，应立即退出运行，进行彻底检修。

▲ 案例（高危性热缺陷）：三相接头中 A 相温度高达 192.9℃（B 相 99.8℃、C 相 93.7℃），相间温差悬殊，远超 40℃ 温升判据，必须立即停运检修

五、红外热像仪在电气方面的应用

• 高压电气设备出线接头、内部导流回路连接处检测
• 各类导电接头、接线桩头氧化腐蚀以及连接不佳缺陷
• 各类高压开关内中心触头接触不佳缺陷
• 隔离刀闸刀口与触片以及转动帽与球头结合不佳缺陷
• 电力变压器高、低压套管上、下两端连接不佳
• 线夹发热检测
• 电缆接头检测

▲ 电机系统热缺陷实拍组图：控制电路三相不平衡 / 电机与电缆接头发热 / 轴承热缺陷 / 绝缘系统及磁路故障

▲ 实拍：电力变压器套管接头区域温度分析（Ar2 49.7℃、Ar4 46.1℃，区域框测功能轻松对比相间温差）

六、现场可能会遇到哪些问题？

1、如果负荷很低，设备故障发热不明显，即使存在较严重的故障，也不可能以特征性热异常的形式暴露出来。只有当设备在额定电压下运行、负荷越大时，发热及温升才越严重。因此红外检测时，应尽量保证设备在额定电压和满负荷下运行；即使不能连续满负荷，也应编制运行方案，让设备在检测前和检测过程中满负荷运行一段时间（如 4～6h）。

2、对于负荷率低时发现的设备故障发热应特别予以重视，这意味着负荷率一旦升高，设备故障发热可能快速升高。

3、电气设备内部的缺陷反映到设备外表的温升很小，通常不到 1℃。检测这种故障对热像仪的灵敏度要求较高，检测员需熟悉设备的正常工作原理。

▲ 热像仪现场检测实拍：户外设备尽量选择在阴天或傍晚无光照时间检测，避开太阳辐射与其他辐射影响

内部缺陷案例提示：根据红外热图，开关表面温差约 5℃ 左右，套用标准似乎属于正常范畴；但从热场分布趋势看，A 相内部肯定存在异常温升。根据经验公式，内部实际温差 T1 约等于 4～6 倍的表面温差 △T，因此开关的内部真实温差大约在 20～30℃ 左右。确认负荷状况后，才能准确定义属于哪类热缺陷并正确处理。

七、如何才能拍摄清晰的热像图？

• 1、应用于温差小的场合时，尽量选择热灵敏度较高的热像仪（ 高灵敏度机型可分辨 0.05℃ 级温差）；
• 2、对户外电气设备的现场红外检测，尽可能选择在阴天或傍晚无光照时间进行，防止直接入射、反射和散射的太阳辐射影响；对户内设备应尽量避开其他辐射影响；
• 3、调色板模式建议设置在灰度或铁红，这样热像图较为清晰；分析时可采用高对比色，更容易发现热点的根源；
• 4、对于开关柜等需要测试内部故障的电气设备，可用氟化钙等特殊材料制作的红外窗口代替一般的有机玻璃窗口，从而拿到更准确的温度数据。

▲ 热像图参数设置：发射率 ε=0.98、距离 1.1m、湿度 50% 完善记录，辐射率与检测距离设置准确是测温精准的前提

附录： 热像仪选型推荐（电气检测）