方勇，邹璟，王清波，施涛，韦瑞峰，段永生

（云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明650000）

0 前言

在变电站高压设备中，容性设备包括耦合电容器、电容式电压互感器、电流互感器、变压器套管等设备，它们占变电设备的40%-50%，其自身的健康程度直接关系到电力系统安全、稳定运行[1-2]。容性设备的绝缘劣化是一个渐变的过程，如不及时发现并检修，可能导致设备发生故障，引发突发性事故，造成系统保护勿动或电网的波动。

红外监测诊断技术是变电设备在线监测式基础诊断方法，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外辐射将其热像显示在荧光屏上[4-5]，从而准确判断物体表面的温度分布情况，集准确、实时、快速、便捷等特点，在电气领域、军事领域等得到广泛的利用。目前，红外检测技术在容性设备中的应用已经很成熟，利用红外技术对设备状态进行诊断，根据诊断的结果对其试验，以此来判断红外诊断的有效性[6-8]。

由于电压致热性设备发热集中在设备内部，产热量并不高，同时热量从设备内部往外传输过程中发生扩散，对其进行故障诊断就很难有效把握。本文应用热辐射的基本规律对容性设备在运行过程中产生的热辐射进行分析，得出容性设备的测温原理；通过分析红外辐射的特征和红外辐射在大气中传输规律，把握容性设备红外传输规律。最后实际应用效果表明，利用容性设备的热发射规律和红外传输规律，整体把握容性设备的实际运行状态，一方面可以作为红外测试中的理论指导，另一方面提高了红外测试员的分析能力，对实际生产有一定的价值意义。

1 容性设备的热辐射规律

本文将容性设备(耦合电容器、电容式电压互感器、电流互感器、变压器套管等)看成一个圆柱型的外瓷套，套住电气单元的设备一般辐射物体，已知其发射率，可通过测量物体的光谱辐射量来确定物体的温度[9]。若红外测试仪依据容性设备的总辐射而定温，则所得到的是物体的辐射温度（Tc）；若红外测试仪器根据两个或多个特征波长上的辐射而定温，则所得到的温度是物体的色温度（Ts）；若红外测试仪只根据某一个特征波长的辐射而定温，则所得到的是物体的亮温度（Tl）。辐射温度、色温度和亮温度都不是物体表面真实的温度（T），即使经过了大气传输因子等的修正，它们与物体表面的真实温度之间仍存在一定的差异。

设有一容性设备的真实温度为T，发射率为ε(T)，辐射出射度为M(T)。当该容性设备的辐射出射度与某一温度的黑体辐射出射度相等时，这个黑体的温度就叫做该物体的辐射温度Tc，由上述假设有：

式1中，Mb为黑体的辐射出射度，式1即可以写成：

式2中，δ为换算系数，因为ε(T)＜1，所以T＞Tc。当用红外测试仪测量一个非黑体的真实温度时，必须要知道物体的发射率ε(T)才能将测得的辐射温度Tc换算成真实温度T。在这里的假设，是没有考虑容性设备所反射的环境辐射，在实际应用中，反射比ρ(T)=1-ε(T)，必须要把反射的环境辐射一起考虑进去分析，对于物体温度与周围环境物体温度相近的场合，考虑物体的反射环境辐射带来的影响是很有必要的，否则真实温度的换算表达式（2）就不正确了。

2 容性设备的红外辐射的基本特征

容性设备的红外特征与红外辐射的特征一致，红外辐射是一种电磁辐射，它既有与可见光相似的特性，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发射和吸收。此外，红外辐射还有一些与可见光不一样的独有特性：

1）红外辐射对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外辐射敏感的红外测试仪器才能探测到；

2）红外辐射的光量子能量比可见光的小，如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20；

3）红外辐射的热效应比可见光要强得多；

4）红外辐射更易被物质所吸收，但对于有雾天气来说，长波红外辐射更容易通过。

3 容性设备的红外辐射传输规律

3.1 容性设备的红外辐射在大气中的吸收

图1红外在1-15 μm波长之间的辐射光谱

由于大气对红外辐射的吸收，可以用各种不同强度的重叠光谱线组成的离散带来表征，如图1红外在1-15μm波长之间的辐射光谱。重叠的程度取决于谱线的半宽度，而这些谱线在整个吸收带内的分布取决于吸收分子，因而才出现不同的吸收带。一氧化碳在4.8μm处有一个吸收带，甲烷在3.2μm和7.8μm处各有一个吸收带，7.8μm处也可以观察到一氧化碳的吸收带，然而一氧化碳最强的吸收带在4.7μm处，臭氧有三个吸收带，其中4.8μm处的吸收带很弱。剩下的就是二氧化碳和水蒸气，二氧化碳在2.7μm、4.3μm和15μm处有三个强吸收带，水蒸气比其它任何气体有更多的吸收带，其位置在0.94μm、1.14μm、1.38μm、1.87μm、2.7μm、3.2μm和6.3μm处。

由图1可以看出，大气的红外吸收的特点是具有一些离散的吸收带，而每一吸收带是由大量不同程度重叠的各种强度光谱线组成，这些谱线重叠的程度与谱线的半宽度有直接关系，并且还与谱线的间隔有关系，当然与谱线的实际线型也是有关的。

3.2 容性设备红外辐射在大气中传输过程中的散射衰减

红外辐射在大气中传输时，除因分子的选择吸收导致辐射能衰减外，辐射还会在大气中遇到气体分子密度的起伏及微小微粒，使辐射改变方向，从而使传播方向的辐射能减弱，这就是散射。一般来说，散射比分子吸收弱，随着波长增加散射衰弱所占的地位逐渐减少。但是在吸收很小的大气窗口波段，相对来说散射就是使辐射衰减的主要原因。

散射是由于媒质不均匀所致，另外大气中各种类型的悬浮粒也都是引起散射的原因之一，当一束单色辐射在不均匀媒质中传播xm 后，由于散射作用将使辐射衰减，其衰减是按指数规律进行的，即：其中Pλ(0)和Pλ(x)分别为散射前和经过x距离散射后的光谱辐射功率，μ(λ)为散射系数，λ为散射系数变量，因此纯散射决定了介质的投射率，投射率τx(λ,x)表达式为：

一般情况下，大气中的散射是由两类散射元的作用所构成，即大气分子的散射和大气中悬浮粒的散射，所以散射系数μ(λ)又可以写成下列两项之和：

式5中，μf(λ)和μxf(λ)分别表示分子散射系数和悬浮微粒的散射系数。

4 算例分析

将一台容性设备放置在恒温（20℃）环境中运行，设备的运行温度为23.2℃。将环境作为变量，开启日光灯模拟晴天，关掉日光灯在昏暗的环境下模拟阴天，对环境加水蒸气模拟雾天。分别在这三种环境下，同一个测试位置对容性设备进行红外测试，测试数据如表1 所示。

表1容性设备在不同的环境下的测试温度

从表1横向可以看出，当把空气对红外辐射的吸收效应、空气对红外辐射散射考虑进去，换算出的容性设备真实温度比理想环境下的环境温度要小；单一只考虑空气一方面的环境效应影响，其换算出的真实温度比所有影响因素都考虑进去换算的温度要大，但是都没有理想环境下的换算温度大。

表1中的数据纵向比较，可以看出晴天的测试温度较阴天和有雾的天气测试温度大，这是由于晴天设备被反射，被反射的辐射被红外设备所接收，所以测试的温度是最大的；阴天天气由于设备被太阳反射较弱，所以测试的温度更接近设备实际运行温度；有雾天气测试的温度最小，这是由于有雾天气水蒸气对红外辐射进行吸收，红外设备所接收的到辐射比较弱，所以测试温度相对晴天和阴天都要小。

5 结束语

本文首先分析了红外辐射的规律，指出了红外辐射的特征，接着分析了红外在大气中的传输规律，分别得到了容性设备在运行过程中也具备相应的红外规律。最后通过算例分析得到，在同一环境温度下，不同天气下对容性设备进行红外测试，所测试的温度不一样。当考虑空气对红外辐射的吸收和散射的时候，其真实温度也各不相同。在实际的测试过程中，没有理想环境，但是通过上述的分析可以看出，最佳的测试环境是在阴天，空气透明度比较高的环境下测试。