第二节 红外热像检测基本原理

一、红外线的基本知识

（一）红外辐射

通常把波长大于0.75μm、小于1 000μm的这一段电磁波称作“红外线”，也称为“红外辐射”。

红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射。自然界一切绝对温度高于绝对零度的物体，不停地辐射出红外线，辐射出的红外线带有物体的温度特征信息，这就是利用红外技术探测物体温度高低和温度场分布的理论依据和客观基础。

（二）黑体

实验表明，物体表面的材质不同，则其红外辐射或吸收的能力也不同。如果有一个理想的物体，它对红外线的辐射率、吸收率与红外线的波长都无关，且等于1（即全部吸收或全部辐射），那么这种理想的辐射体和理想的吸收体称为黑体。

黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体并不存在。黑体100%吸收所有的入射辐射，也就是说，它既不反射也不穿透任何辐射，黑体100%辐射自身的能量。

（三）辐射率

在理论研究和工程实践中，常用物体的辐射率（或称为发射率）来定量地描述物体辐射的能力，它等于物体的实际辐射强度和同温度下黑体辐射强度之比值，常用符号ε表示。

式中：I——物体辐射强度；

I_b——黑体辐射强度；

ε——物体的辐射率。

很明显，实际物体的辐射率一般都小于1，但是有些物体的辐射率很接近1，如石墨粗糙的表面及黑色的漆面等；而另一些物体的辐射率却很小，如抛光的铝表面，其辐射率仅为0.05。

影响物体辐射率的因素很多，如红外线波长，物体的厚度，物体表面的温度、粗糙度、平整度、颜色等。

图中茶壶装满热水，尽管两部分的温度相同，但茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不锈钢的高，这也意味着物体右边的散热效率要比左边的高。如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热。

一般来说，物体吸收外界辐射的能力与物体辐射自身能量的能力相等，即∝=ε。也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦然。所以，一个不透明的差的吸收体既是一个好的反射体，同时也是一个差的辐射体。

（四）物体红外辐射的基本规律

1.基尔霍夫定律

德国的物理学家基尔霍夫根据大量的实验资料总结出一条有关物体热辐射的定律：当几个物体处于同一温度时，各物体辐射红外线的能力正比于其本身吸收红外线的能力，并且任何一个物体的红外辐射能量密度可用下面的公式来表示：

式中：ω_λ——物体在单位时间内红外辐射的能量密度；

ω_b——黑体在同一温度下单位时间内红外辐射的能量密度；

∝——物体红外的吸收系数，它总是小于1。

2.普朗克辐射定律

普朗克辐射定律是描述温度、波长和辐射功率之间的关系，是所有定量计算红外辐射的基础。一个绝对温度为T（K）的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率M_b（T）与波长λ、温度T满足下列关系：

式中：C₁为第一辐射常数，C₁=3.741 5×108W·m-2·μm-4；C₂为第二辐射常数，C₂=1.438 79×104μm·K；C为光速。

3.斯蒂芬—玻尔兹曼定律

如果用M_b（T）表示黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率，斯蒂芬—玻尔兹曼定律指出，物体红外辐射的能量密度与其自身的热力学温度（T）的四次方成正比，并与它的表面辐射率（ε）成正比。

物体温度越高，红外辐射越多，反之，物体温度越低，辐射越低。辐射率也一样，即使物体温度相同，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。

4.维恩位移定律

黑体的红外辐射具有各种不同的波长，每种波长的红外辐射能量大小也不相同。人们通常把对应于辐射能量最大的波长，称为辐射的峰值波长（λ_max）。维恩由实验得出了峰值波长与黑体温度间关系的公式：

式中：T——黑体温度（K）；

λ _max——峰值波长（μm）。

5.朗伯余弦定律

所谓朗伯余弦定律，就是指黑体（或任何其他辐射体）在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比。

式中：I_θ为在与辐射表面法线夹角为θ方向上的辐射强度；I₀为θ=0时的辐射强度。

对于辐射面积很小的黑体而言，在法线方向的辐射强度可表示为：

式中：ΔA为黑体辐射源的辐射面积。

该式表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强，因此，在实际做红外检测时应尽可能选择在被测表面法线方向进行。

（五）实际物体的红外辐射

实际上黑体并不存在，实际的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物体的所有特性，即具有吸收、辐射、反射、穿透红外辐射的能力。但对大多数物体来说，红外辐射不透明，即τ=0。所以对于实际测量来说，辐射率ε和反射率ρ满足：

实际物体的辐射由两部分组成：自身辐射和反射环境辐射，如图1-4所示。光滑表面的辐射率较高，容易受环境影响（反光）；粗糙表面的辐射率较高。不同的材料、温度、表面光度、颜色等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不同）。

在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数。电力设备辐射率一般在0.85～0.95之间。

对运行的电力设备进行红外测温探测，多数情况下是通过比较来判断的，因此一般只需求出相对温度值的变化或相对温差的比值，而无须过分强调被测物体的红外辐射率。但若要精确测量目标物体的真实温度，必须事先知道和了解物体的红外辐射率ε的范围。否则，测出的温度与物体的实际温度将有较大的误差。

二、红外检测原理

对设备热状态进行红外检测，首先必须将红外辐射转变为易于分析和处理的电信号。这种能够将红外辐射转变为电信号的器件，通常叫作红外探测器。一般来说，当红外辐射照射到物体上时，除了一部分被物体表面反射外，还有一部分被物体吸收。红外辐射进入物体后，它的能量将传递给物体内的原子、分子等粒子。这些粒子得到这部分能量后，其总动能将增加，无规则的运动将变得更激烈，在宏观上表现为物体温度升高。通常把物体吸收红外辐射后温度升高的效应叫作红外辐射对物体产生的一次效应。物体吸收红外辐射除了产生温度升高的一次效应外，同时还伴随着其他物理、化学性质的变化，如体积、折射率、电导率、二次发射等。这些性能的改变，称为物体吸收红外辐射后产生的二次效应。

其次是对电力设备运行情况的确定和分析。必须从观察者的角度准确地确定设备红外辐射的分布，即再现设备红外辐射的分布情况。通常，把从观察者角度重现设备红外辐射的物理过程称为红外成像。

红外热像仪可将不可见的红外辐射转换成可见的图像。物体的红外辐射经过镜头聚焦到探测器上，探测器产生电信号，电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理区域，再转换成我们能在显示器上看到的红外图像。其基本原理如下图所示：

三、电力设备发热机理

对于高压电气设备的诸多故障，如果从红外检测与诊断的角度来讲，大体可以分为两大类，即外部故障和内部故障。外部故障是指裸露在设备外部各部位发生的故障（如长期暴露在大气环境中工作的裸露电气接头故障、设备表面污秽以及金属封装的设备箱体涡流过热等）。因这类故障直接暴露在红外监测仪器的视场范围内，故红外检测时很容易就可以获取直观的故障信息。内部故障则是指封闭在固体绝缘、油绝缘及设备内部的各种故障。由于这类故障部位受到绝缘介质或设备壳体的阻挡，所以通常难以像外部故障那样从设备外部直接获得直观的故障信息。但是，根据各种电气设备的内部结构和运行工况，依据传热学理论，分析传导、对流和辐射三种热交换形式沿不同传热路径的传热贡献（多数情况下只考虑金属导电回路、绝缘油和气体介质等引起的传导和对流），并结合模拟试验、大量现场检测实例的统计分析和解体验证，也能够获得电气设备内部故障在设备外部的温度布规律或热（像）特征，从而对设备内部故障的性质、部位及严重程度作出判断。因此，必须研究电气设备故障的主要模式、产生原因。

（一）电阻损耗增大

根据焦耳定律，电流通过导体存在的电阻将产生热能，其发热功率为：

式中：P——发热功率（W）；

I——通过的负荷电流（A）；

R——载流导体的直流电阻（Ω）；

K_f——附加损耗数。

理想情况下，假如导电回路中的各种连接件、接头或触头接触电阻低于相连接导体部分的电阻，那么连接部位的电阻损耗发热不会高于（甚至低于）相邻载流导体的发热。然而，一旦某些连接件、接头或触头因接触不良造成接触电阻增大，则从式（1-9）可以看出，该连接部位与周围导体部位相比，会产生更多的电阻损耗发热功率和更高的温升，从而造成局部过热。

（二）介质损耗增大

电气绝缘介质，由于交变电场的作用，使介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热，由此产生的发热功率为：

式中：U——施加的电压（V）；

ω——交变电压的角频率；

C——介质的等值电容（F）；

tanδ——绝缘介质损耗因数或介质损耗角正切值。

由于绝缘电介质因介质损耗产生的发热功率与所施加的工作电压的平方成正比，而与负荷电流大小无关，因此称这种损耗发热为电压效应引起的发热。介质损耗的微观本质是电介质在交变电压作用下产生的两种损耗：一种是电导引起的损耗；另一种是由极性电介质中偶极子的周期性转向极化和夹层介质界面极化引起的极化损耗。

引起绝缘电介质材料介质损耗增大的主要原因包括以下两点：

（1）固体绝缘材料材质不佳或老化。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料材质不佳，或在长期运行中由于高温与氧化作用而发生老化，甚至出现开裂或脱落，导致绝缘性能劣化，材质发软或变脆，分解或进水受潮等。

（2）液体绝缘介质性能劣化、受潮以及绝缘介质本身的化学变化（如绝缘油受热与氧化，产生有机酸和蜡状物等）。

（三）铁磁损耗增大

对于由绕组或磁回路组成的高压电气设备，由于铁芯的磁滞、涡流而产生的电能损耗称为铁磁损耗或铁损。如果由于设备结构设计不合理、运行不正常，或者由于铁芯材质不良、铁芯片间绝缘受损，出现局部或多点短路，可分别引起回路磁滞或磁饱和，或在铁芯片间短路处产生短路环流，增大铁损并导致局部过热。另外，对于内部带铁芯绕组的高压电气设备（如变压器和电抗器等），如果出现磁回路漏磁，还会在铁制箱体产生涡流发热。由于交变磁场的作用，电器内部或载流导体附近的非磁性导电材料制成的零部件有时也会产生涡流损耗，因而导致电能损耗增加和运行温度升高。此类发热后于电磁效应引起的发热。

（四）电压分布异常和泄漏电流增大

有些高压电气设备（如避雷器和输电线路绝缘子等）在正常运行状态下都有一定的电压分布和泄漏电流，但是当出现某些故障时，将改变其分布电压U_d和泄漏电流I_g的大小，并导致其表面温度分布异常。此时的发热虽然仍属于电压效应发热，但发热功率由分布电压与泄漏电流的乘积决定：

（五）缺油及其他

油浸高压电气设备由于渗漏或其他原因（如变压器套管未排气）而造成缺油或假油位，严重时可以引起油面放电，并导致表面温度分布异常。这种热特征除放电时引起发热外，通常主要是由于设备内部油位面上下介质（如空气和油）热物性参数值不相同。除了上述各种主要故障模式以外，高压电气设备还会由于特殊运行方式，如过负荷、电压变化过大、单相运行等而引起故障。此外，还会由于设备冷却系统设计不合理、堵塞及散热条件差等引起热故障。