Модели и методы количественной термографии в электроэнергетике

 
 
 
 
А. Б. Власов 
 
 
 
  
МОДЕЛИ И МЕТОДЫ  
КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ 
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 
 

УДК 621.31 
ББК 31.2 
В58 
Р е ц е н з е н т ы : 
доцент кафедры электрооборудования судов Мурманского арктического 
университета Урванцев Виктор Иванович; 
д. т. н., доцент, замдиректора АНОДО «Учебный центр охраны труда» 
Подобед Виталий Александрович 
Власов, А. Б. 
В58  
Модели и методы количественной термографии в электроэнергетике : 
учебное пособие / А. Б. Власов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. - 296 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1862-1 
Рассматриваются методы количественной термографии, которые предполагают 
проведение комплексных мероприятий тепловизионной диагностики электроэнергетического оборудования в процессе его работы под напряжением для получения данных, позволяющих оценить эксплуатационную надежность оборудования, перспективы его дальнейшей эксплуатации. Показано разнообразное оборудование, электротехнические комплексы и системы, эксплуатируемые на энергетических объектах, 
непосредственно в процессе эксплуатации под напряжением. 
Для студентов технических специальностей вузов и колледжей, а также специалистов электроэнергетических, судоремонтных и судостроительных предприятий, железнодорожного транспорта, заводских диагностических центров. 
УДК 621.31 
ББК 31.2 
ISBN 978-5-9729-1862-1 
” Власов А. Б., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие 
...................................................................................................................... 6 
 
ГЛАВА I. Инфракрасное излучение и методы его регистрации. ............................. 
8 
1.1. Общие сведения. ....................................................................................................... 
8 
1.2. Фотометрические единицы. 
..................................................................................... 
8 
1.3. Спектральные характеристики излучения. 
.......................................................... 
13 
1.4. Коэффициенты поглощения, пропускания, отражения и излучения. 
.............. 
14 
1.5. Законы теплового излучения. 
................................................................................ 
21 
1.6. Оптическая пирометрия. ........................................................................................ 
26 
1.7. Проблемы оценки температуры с помощью приборов. .................................... 
27 
1.7.1. Приемники полного излучения. ................................................................. 
27 
1.7.2. Фотонные приемники. ................................................................................. 
30 
1.8. Общие сведения о тепловизионных системах. ................................................... 
34 
 
ГЛАВА II. Основы количественной ИК-термографии. ........................................... 
39 
2.1. Общие сведения. ..................................................................................................... 
39 
2.2. Процессы, определяющие выделение тепла  
в узлах электрических аппаратов. ........................................................................ 
40 
2.3. Виды теплопередачи. 
.............................................................................................. 
43 
2.3.1. Особенности процесса теплопроводности. 
............................................... 
45 
2.3.2. Особенности конвективного теплообмена. .............................................. 
47 
2.3.3. Теплообмен в прослойках воздуха и масла. ............................................. 
53 
2.3.4. Теплообмен за счет излучения. .................................................................. 
55 
2.3.5. Совместное действие теплоотводов. ......................................................... 
57 
 
ГЛАВА III. Расчет плотности теплового потока от поверхности объектов. ........ 
60 
3.1. Общие сведения. ..................................................................................................... 
60 
3.2. Особенности расчета параметров сред. ............................................................... 
60 
3.3. Расчет коэффициентов теплоотдачи токопроводящих элементов. 
.................. 
63 
3.3.1. Пластины и шины. 
........................................................................................ 
63 
3.3.2. Медные провода. .......................................................................................... 
64 
3.3.3. Шина ножа разъединителя. 
......................................................................... 
65 
3.3.4. Проводники различной формы. 
.................................................................. 
66 
3.3.5. Сталеалюминиевые провода. 
...................................................................... 
69 
3 
 

3.4. Оценка величины тепловых потоков методом ИК-термографии. ................... 
70 
 
ГЛАВА IV. Программа приведения данных тепловизионного 
контроля к единому критерию. ............................................................. 
80 
4.1. Общие сведения. ..................................................................................................... 
80 
4.2. Термины и диагностические параметры тепловизионной диагностики. ........ 
81 
4.3. Физические предпосылки для Программы приведения данных  
тепловизионного контроля к единому критерию. 
............................................. 
82 
4.4. Влияние силы тока на результаты прогнозирования. ........................................ 
91 
4.5. Оценка влияния ветровой нагрузки  
при термографической диагностике объектов энергетики. 
.............................. 
93 
4.5.1. Формулировки прямой и обратной задачи. .............................................. 
95 
4.5.2. Анализ влияния различных факторов. ...................................................... 
97 
4.5.3. Факторный анализ влияния ветровой нагрузки  
на охлаждение различных объектов. ....................................................... 
101 
4.5.3.1. Прямая задача оценки влияния ветровой нагрузки. 
................ 
103 
4.5.3.2. Обратная задача оценки влияния ветровой нагрузки. ............ 
107 
4.5.4. Факторный анализ влияния ветровой нагрузки на нагрев провода. .. 
110 
4.5.5. Факторный анализ влияния ветровой нагрузки   
на нагрев фарфорового изолятора. ......................................................... 
119 
 
ГЛАВА V. Диагностические модели объектов электроэнергетики. .................... 
125 
Введение. ....................................................................................................................... 
125 
5.1. Параметрическая идентификация диагностической модели  
маслонаполненных аппаратов. ........................................................................... 
125 
5.1.1. Трансформаторы напряжения. ................................................................. 
125 
5.1.2. Маслонаполненные выключатели. .......................................................... 
134 
5.2. Параметрическая идентификация диагностической модели аппаратов  
с конденсаторным типом изоляции. .................................................................. 
137 
5.2.1. Методика и алгоритм программы расчета тепловых потоков. ............ 
137 
5.2.2. Анализ адекватности диагностической модели. .................................... 
141 
5.2.3. Высоковольтные вводы. ............................................................................ 
144 
5.3. Трансформаторы тока с изоляцией конденсаторного типа. 
............................ 
158 
5.4. ИК-диагностика силовых трансформаторов 6/0,4 кВ. ..................................... 
168 
5.5. Разработка модели для тепловизионного контроля  
электрических машин. ......................................................................................... 
171 
5.5.1. Предпосылки диагностической модели. ................................................ 
171 
4 
 

5.5.2. Описание эксперимента. 
........................................................................... 
172 
5.5.3. Описание тепловой модели двигателя.................................................... 
175 
5.5.4. Расчет коэффициента теплоотдачи с поверхности станины. .............. 
177 
5.5.5. Расчет плотности теплового потока.  
...................................................... 
179 
5.5.6. Расчет температуры поверхности обмотки. 
........................................... 
181 
 
ГЛАВА VI. Оценка и прогнозирование показателей эксплуатационной  
надежности по результатам термографической диагностики. 
........ 
186 
6.1. Общие сведения. ................................................................................................... 
186 
6.2. Определение эксплуатационных показателей надежности  
по данным количественной термографической диагностики ....................... 
186 
6.3. Оценка достоверности результатов на основе статистических гипотез. ...... 
189 
6.4. Определение величины гамма-процентного ресурса. 
...................................... 
195 
6.5. Оценка влияния различных факторов на параметры надежности. ................ 
197 
6.6. Комплексные мероприятия при количественной  
инфракрасной термографии. ............................................................................... 
204 
 
ГЛАВА VII. Методы количественной термографии  
при анализе неравновесных тепловых процессов. ........................... 
211 
7.1. Общие сведения. ................................................................................................... 
211 
7.2. Термографический метод исследования теплофизических  
параметров материалов. 
....................................................................................... 
212 
7.3. Нагрев судового кабеля при распространении пламени. ................................ 
221 
7.4. Термографический способ определения качества герметика 
кабельных коробок. .............................................................................................. 
225 
7.5. Определение теплофизических характеристик материалов  
флэш-методом. ...................................................................................................... 
229 
 
ГЛАВА VIII. Объекты испытаний и методики инфракрасной диагностики  
в энергетике. ........................................................................................ 
233 
8.1. Общие сведения. ................................................................................................... 
233 
8.2. Инфракрасная инспекция объектов энергетики. .............................................. 
233 
8.3. Проблемы инфракрасной диагностики объектов энергетики......................... 
248 
8.4. Инфракрасная диагностика как метод технической диагностики. ................ 
249 
Приложение. ................................................................................................................ 
254 
Библиографический список литературы ............................................................. 
274 
5 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Термография - метод анализа пространственного и временного распределения тепловой энергии (температуры) в физических объектах, сопровождающийся, как правило, построением тепловых изображений (теплограмм). Инфракрасная термография осуществляется путем анализа теплового излучения объектов с 
использованием приборов (тепловизоров) в инфракрасном диапазоне длин волн 
[43]. 
Термографическая диагностика объектов генерирующих электростанций, 
распределительных подстанций электроэнергетических предприятий, электрического оборудования морских судов, предприятий судостроительной, судоремонтной промышленности, электротранспортных предприятий, остается одним 
из наиболее эффективных методов контроля технического состояния электрооборудования в процессе его эксплуатации под напряжением, в особенности, высоковольтного оборудования при напряжениях свыше 1000 В. 
Современные тепловизионные системы (тепловизоры) позволяют проводить не только качественный анализ тепловых полей работающего оборудования, но и реализовать количественную оценку температурных полей объектов 
для экспертной оценки технического состояния, прогнозирования срока службы 
и ремонта оборудования. 
Количественная инфракрасная термография, в отличие от качественной, 
представляет метод анализа структуры, системы, процесса или объекта путем 
присвоения численных значений наблюдаемым особенностям инфракрасного 
изображения [43, 272]. 
Методы количественной термографии предполагают проведение комплексных мероприятий тепловизионной диагностики электроэнергетического оборудования в процессе его работы под напряжением для получения данных, позволяющих оценить эксплуатационную надежность оборудования, перспективы его 
дальнейшей эксплуатации, накопление базы данных для количественной обработки. 
Проблемы количественной термографической диагностики охватывают 
круг вопросов, связанных с подготовкой и организацией тепловизионных 
испытаний, обработкой и содержательной интерпретацией полученной информации.  
Объектами тепловизионной диагностики в энергетике являются разнообразное оборудование, электротехнические комплексы и системы, эксплуатируемые на энергетических объектах, непосредственно в процессе эксплуатации 
под напряжением. 
При развитии диагностических моделей тепловизионной диагностики с учетом конструктивных особенностей электротехнического оборудования возможна 
детализация стационарных и аномальных тепловых режимов для предупреждения аномальных состояния и предупреждения аварий. 
6 

В материалах пособия представлен обширный список литературы, позволяющий оценить неоценимый вклад отечественных специалистов в развитие термографического метода контроля объектов электроэнергетики в Российской  
Федерации. 
Пособие предназначено для специалистов генерирующих электростанций, 
распределительных подстанций, электроэнергетических, судоремонтных и судостроительных предприятий, железнодорожного транспорта, электротранспортных предприятий, заводских диагностических центров, которые обеспечивают 
эффективную эксплуатацию систем и комплексов, в том числе, высоковольтного 
электрооборудования с напряжением свыше 1000 В, а также для студентов технических специальностей вузов и колледжей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

ГЛАВА I. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ  
И МЕТОДЫ ЕГО РЕГИСТРАЦИИ 
 
1.1. Общие сведения 
Электромагнитные волны характеризуются различными параметрами, среди которых можно выделить скорость с, длину l, частоту n,  энергию квантов 
света (фотонов) Еф, связанных соотношением: 
 
Eф = hn =  hc/l,  
                        (1.1) 
где h - постоянная Планка. 
 
Монохроматическое излучение может быть охарактеризовано одним значением частоты n или длины волны l в узкой области частот dn или длин волн dl. 
Сложное излучение состоит из совокупности монохроматических излучений. 
Тепловизионные приборы работают в области инфракрасного (ИК) спектрального диапазона оптического излучения. На коротковолновом конце этого 
диапазона находится граница, лежащая на пределе зрительного восприятия (темно-красный цвет). На длинноволновом конце диапазон сливается с радиоволнами 
миллиметрового диапазона. ИК-диапазон включает четыре диапазона: ближний 
(0,75-3 мкм), средний (до 6 мкм), дальний (до 15 мкм), крайний (до 1 мм).  
Электромагнитное излучение может осуществляться за счет различных видов энергии. Самым распространенным видом является тепловое излучение, совершаемое за счет внутренней энергии тел (теплового движения атомов и молекул вещества) при температуре1 выше 0 К и характеризуемое непрерывным 
спектром, в котором при низких температурах доминирует невидимое (глазом 
человека) инфракрасное излучение. При возрастании температуры свыше  
525 ƒС нагретые тела начинают излучать видимые (глазом) волны. 
Другие виды излучения объединяются под общим названием «люминесценция» (хемо-, катодо-, фотолюминесценция и т. п.). Так, свечение, возникающее в газах под действием электрического поля, называется электролюминесценцией. Наблюдение за подобным свечением, например, на высоковольтных 
изоляторах воздушных линий электропередач (ЛЭП) на практике осуществ- 
ляется в ультрафиолетовом спектральном диапазоне. 
 
1.2. Фотометрические единицы 
Электромагнитное излучение переносит энергию We, величина которой 
определяет интенсивность света. Эта электромагнитная энергия может быть 
измерена в процессе ее превращения в другие формы энергии, например, в 
электрическую, в различных фотоприемниках. Раздел оптики, занимающийся 
измерением интенсивности света и его источников, называется фотометрией. 
 
1 Здесь и далее в тексте использованы значения температуры в градусах Кельвина (Т, К)  
и в градусах Цельсия (t, ƒC) c учетом того, что Т = t  273,15 K. 
8 
 

Рассмотрим основные фотометрические единицы на примере плоского 
источника I с температурой поверхности tп, ƒС (рис. 1.1). Тепловое излучение 
источника регистрируется приемником, например, сканером тепловизора II,  
отстоящего от источника на расстоянии X0. 
 
Рис. 1.1. Расположение сканера относительно источника излучения 
 
Проведем нормали к поверхности источника nI и приемника nII. В общем 
случае векторы nI и nII не совпадают, и поэтому чувствительный элемент приемника по-разному реагирует на возможные соотношения углов между векторами и изменение расстояния от источника. Например, если угол j между  
векторами равен 90ƒ, излучение не будет фиксироваться приемником. 
К основным фотометрическим величинам, характеризующим оптическое 
излучение, относятся: энергетические Хе; редуцированные Хn; фотонные Хр 
[165, 294].  
 
Энергетические фотометрические величины объективно характеризуют 
энергию электромагнитного излучения и не зависят от особенностей его воздействия на приемники излучения. Количественно эти величины могут быть 
определены с помощью приемников, воспринимающих лучистую энергию при 
различных длинах волн падающего света (зачерненной термопары, болометра 
и т. п.), преобразующих всю падающую на них энергию света в тепловую. 
Основной энергетической величиной является энергия We, переносимая излучением. 
Объемная плотность энергии Ue, Дж/м3, определяется отношением энергии излучения dWe к объему dV, который оно заполняет: 
 
Ue = dWe/dV.           
                    (1.2) 
Поток излучения Фе, Вт, определяется отношением энергии dWe, переносимой излучением, ко времени dt, за которое излучение произошло: 
 
Фе = dW/dt.                   
                     (1.3) 
Энергетическая светимость Me (излучательность), Вт/м2, источника 
определяется отношением потока излучения dФе, исходящего от элемента поверхности, к площади сечения dS этого участка: 
 
Me = dФе/dS.         
                          (1.4) 
Рассмотрим точечный источник света О, излучающий энергию в пространство, и окружим его воображаемой сферой (рис. 1.2). Телесный угол dW, 
9 
 

стерадиан (ср), в пределах которого видна часть сферы, определяется отношением площади dS0 участка, вырезаемого конусом на поверхности сферы, к 
квадрату ее радиуса r: 
dW = dS0/r2.                                                 (1.5) 
 
Рис. 1.2. Измерение в телесном угле 
 
Поскольку площадь всей поверхности сферы равна 4pr2, то наибольший 
телесный угол равен величине 4p ср, а безграничная плоскость видна из любой 
точки пространства под углом W = 2p ср. 
Определим телесный угол dW, под которым наблюдается малый элемент 
поверхности. На рис. 1.3 показано, что освещаемая источником площадка dS, 
нормаль n к которой составляет угол j с радиусом-вектором r, проведенным  
из точки наблюдения О, видна под телесным углом dW: 
 
dW =  dS0/r2 = dScosj/r2.       
                 (1.6) 
 
Рис. 1.3. Учет угла наблюдения 
 
Энергетическая сила излучения (сила света) Ie, Вт/ср, определяется отношением потока излучения dФе, распространяющегося внутри телесного уг- 
ла dW, содержащего рассматриваемое направление, к этому углу: 
 
Ie = dФе/dW.                    
                    (1.7) 
Изотропным называется источник, излучающий энергию с одинаковой силой света во всех направлениях, и поэтому для него справедливо соотношение 
 
Ie = Фе/W = Фе/4p,          
                            (1.8) 
или 
 
Фе = 4pIe.       
                                  (1.9) 
Интенсивность излучения протяженного источника характеризуется энергетической яркостью Lеj в данном направлении j. Рассмотрим на поверхности 
источника (рис. 1.4) около точки N элементарную площадку dS c нормалью n. 
10