红外热成像测温技术在电气化铁路领域的应用

张文政，李华伟，杨莎莎

红外热成像测温技术在电气化铁路领域的应用

张文政，李华伟，杨莎莎

介绍了红外热成像测温技术的基本理论与原理，针对电气化铁路系统易出现的问题，着重分析了红外热成像测温技术在电气化铁路领域的应用与前景。

红外热成像；温度检测；研究现状；电气化铁路

0 引言

温度是度量物体冷热程度的物理量，可通过检测物体温度来反映物体状态是否良好。红外热成像测温技术是一种具有非接触、响应速度快、精度高、测温范围大、便于操作且应用领域广等特点的测温技术，无论是在军事还是工农业、林业等领域都发挥着重要作用，但迄今为止在电气化铁路领域尚未得到广泛的应用。

本文将介绍红外辐射的基本理论和红外热成像测温技术的基本原理，并结合目前铁路系统中易出现的问题以及采取的防护手段，分析红外热成像测温技术在电气化铁路领域的应用前景。

1 红外热成像测温技术的基本理论与原理

1.1 红外辐射的基本理论

自然界中所有高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而物体的红外辐射能量的大小及波长的分布与其表面温度紧密相关。因此通过测量物体自身辐射的红外能量并经有效计算，便能准确得出物体的表面温度，这就是红外测温原理的理论依据。1860—1900年，经过40年的努力，建立起了完整的红外辐射理论，其核心包括透射、反射、吸收定律，基尔霍夫定律，普朗克定律3大定律，它们是红外热成像测温技术的理论基础。

1.1.1 透射、反射、吸收定律

一般而言，当物体温度一定时，投射到物体表面的红外辐射能量一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分能量经物体透射。假设投射到物体表面的红外辐射能量为1，按能量守恒定律，则有

式中，αλT、ρλT、τλT分别为光谱吸收率、反射率和透射率。

1.1.2 基尔霍夫定律

基尔霍夫认为：物体发射本领和吸收本领的比值仅与辐射波长和温度相关，与物体性质无关，该比值是对所有物体的普适函数。可将基尔霍夫定律表示为

式中，MλT、MbλT分别为一般物体和黑体的辐射度，αλT、αbλT分别为一般物体和黑体的光谱吸收率，且αbλT=1。

1.1.3 普朗克定律

普朗克应用微观粒子能量不连续的假说，并借助空腔和谐振子理论，导出了以波长λ(μm)和温度T(K)为变量的黑体辐射度 MbλT(W·m2·μm-1)的计算式为

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式中，k=1.380 7×1023J/K，为玻尔兹曼常数；

c1=2πhc2=3.741 8×10-16W·m2为第一辐射常数；

c2=hc/k=1.438 8×10-2m·K为第二辐射常数。

1.2 红外热成像测温技术原理

红外热成像测温技术的核心设备是红外热像仪，其主要由4部分构成：红外光学系统、探测器、信号处理器和显示器。红外热像仪利用测量物体辐射的3～5μm或8～14μm的红外光波，将物体在这一波段的红外辐射能量经过红外光学系统的筛选并聚焦到红外探测器上，微测辐射热计上的热敏电阻元吸收红外辐射后，将引起热敏材料的温度变化，温度变化可以转化为电流或电压的变化。这些物理量通过信号处理系统经过放大、整形、数模转换等手段转化为数字信号，在显示器上以温度图像的形式展现。图像中每一个点的灰度值与被测物体上该点发出并到达光电转换器件的辐射能量相对应。经过信号处理电路的内部运算，就可以从红外热像仪的图像上读出被测物体表面的每一个点的辐射温度值。

2 红外热成像测温在电气化铁路中的应用

铁路作为国民经济的大命脉，是一个庞大而复杂的系统，其中包括铁路沿线变电所、接触网、机车配套电气设备、运行线路等，系统中各部分一旦发生故障，将严重影响列车的高速度、高密度运行。因此迫切需要一种安全、可靠且能实现对铁路系统日常运行进行监控的技术，而红外热成像测温技术可满足以上要求。

2.1 在铁路沿线变电所中的应用

电气化铁路沿线变电所中各类裸露电力设备部件经长年累月的运行，受到污秽覆盖、有害气体腐蚀、风吹日晒等自然环境的作用，再加上设计、施工质量等因素的影响，出现设备老化、损坏和接触不良等隐患，导致接触电阻增大，引起设备的局部发热，若未及时发现并消除这些隐患，将会导致设备故障[1]。

目前，对铁路沿线变电所各器件运行状况的检测仍然采用传统人工检测方法，电力设备实行定期维修制度。但由于故障的不确定性，存在设备在未达到其维修期限时就已发生故障或达到其维修期限后设备仍然完好的情况，因此其经济性得不到保障。文献[2]提出了利用X射线Dr检测的方法，而该方法运用较为单一，更多用于检测器件是否发生结构断裂等故障。

与其他方法相比，红外热成像测温技术不但可有效降低因高压带来的检测危险，还可对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠预测，便于检修人员及时采取合理的处理措施，减少因设备缺陷而造成的停电事故，保证了可靠供电。图1和图2分别为变电所套管与配电柜红外检测图像。

图1 套管红外检测图像

图2 配电柜红外检测图像

2.2 在弓网系统中的应用

弓网系统是电气化铁路供电系统中的关键组成部分，担负着向电力机车输送电能的重要任务。在机车运行过程中，由于接触网结构不平顺或机车运行不平稳等原因，易造成弓网拉弧现象。短时弓网拉弧造成的影响相对较小，只在接触线上形成点烧蚀或线烧蚀；但若形成长时间拉弧，其产生的高温极易引起接触线烧断和受电弓断裂等故障。一旦发生该类故障将进一步引发更大范围线路损坏，机车无法正常运行，严重影响机车的运行安全和效率。根据中国铁路总公司运输局资料显示，弓网系统故障造成的铁路事故在近几年仍占较大比例[5]。弓网系统故障己成为提速、提高运营安全性的严重障碍。特别是随着电气化铁路运营里程的增加，如何对既有线路进行有效养护及维修，实现列车的平稳运行，已成为中国铁路工作者面临的一大难题。目前常用的检测手段主要包括：

（1）人工检测。以人工作业为主，需要人工登车顶检测受电弓和登杆检测接触网。人工检测具有较强灵活性，可人工识别各类故障；缺点是效率低，安全性差，作业必须开“天窗”进行，干扰行车，且无法实现实时检测，对行车过程中的大规模拉弧现象无法做出预判。

（2）接触式弓网检测。如国外文献中给出接触线磨耗检测车设计方案[6]，利用受电弓预埋光纤传感器的方式检测受电弓实时应力变化与冲击[7]等。我国对弓网检测系统研究起步于20世纪60年代，重点是利用接触网检测车对接触网各种参数进行检测[8]。文献[9]利用在模拟受电弓滑板上布置传感器的方式进行接触线拉出值检测。接触式检测方法有效提高了检测精度，缺点是利用综合检测车进行检测需要占用线路，干扰正常行车，且部分检测装置需要对受电弓进行改造，将影响受电弓各项性能，最终可能影响检测结果。

（3）非接触式测距弓网检测。激光测距应用方面，文献[10]利用脉冲相位式激光测量原理，实现接触线导高与拉出值高精度检测；文献[11]利用激光束实现对受电弓滑条进行磨耗检测；超声波测距应用方面，文献[12，13]设计了利用超声波传感器作为检测元件的受电弓磨耗检测装置。非接触式测距弓网检测优势在于检测效率高，行车干扰小，但是激光检测功能相对单一，而超声波检测具有精度相对较差等缺点。

上述检测方法都存在一定的弊端。文献[14]提出利用红外热像仪对接触网各零部件进行检测，因此同样可以研究利用车载式红外热成像仪实现弓网检测。通过将红外热成像设备安装于机车车顶，对受电弓和接触网所在区域进行温度探测，实时监测接触网设备，如果在列车行进中出现短时间的拉弧、硬点等并产生瞬间高温，热像仪可以记录该时刻高温值和故障点位置，便于检修人员及时进行维修；若发现长时间、大规模拉弧，此时报警装置提醒列车监控人员，以便采取减速等措施，避免引起大规模线路损坏。相比于其他检测方式，该检测方式优势不言而喻。图3为接触网关键部件红外检测图像。

图3 接触网关键部件红外检测图像

2.3 在机车电气设备中的应用

机车内部设有大量电气设备，运行时会产生很大的热量。同时由于连接件松动、设备老化等原因其电阻等参数也会发生变化，这将导致电气设备温度分布异常，造成设备损坏，严重时会导致事故发生。电力机车内部可使用红外热像仪检测的部件主要包括：主变压器、调压开关、变流装置、牵引电动机、电子控制柜、制动电阻柜、发动机、发电机、油水交换器、中冷器通风机、轴承、缓冲器、变速器、牵引机械等。

早期机车检测手段较为单一，凭借经验预测机车相关部件的寿命情况，通过人工检测实现机车部件的维修或替换，这种定修制显然不具备很好的经济性。文献[15]提出微机自动测控方法，微机自动测控设备通过测控连接线实现与检测设备的连接，通过参数反映设备状态。与人工检测方法比较，该方法可通过设备的不同状态实现状态修，提高了经济性，缺点在于检测过程复杂，需要外接设备与线路，检测时间长。

根据上述分析，可利用红外热像仪对机车相关部件进行检测，实现状态修，并可根据各部件的预计寿命情况，在设备运行前期进行少量的设备检测，防止因突发故障引起各设备损坏；在设备即将到达预测的寿命期时，有计划地利用红外热像仪进行巡检，观测各器件是否由于设备老化、断裂或者线路问题等原因出现局部温度异常，一旦出现温度异常，及时更换设备，提升了维护效率，但该类设备需依赖定期巡检保证其安全性。由于热成像仪的特点是实时拍摄，实时显示温度结果，因此通过分析设备是否出现异常温度即可判断设备状态。该方法相比微机自动测控具有检测时间更短，检测更方便的特点。

除上述几种应用外，红外热成像测温技术还可应用于铁路路基、路口、桥梁、隧道、咽喉区等重点区域，实现其他监测设备无法完成的夜间监测。根据拍摄温度图像对各场合出现的异常状况进行报警警示，从而保障电气化铁路的运行安全；还可将车载型红外热像仪安装于机车头部，增加夜间行车的红外视线，通过红外视线可清楚识别线路状况，增加夜间驾驶观察距离，扩大驾驶视线范围，提高了夜间行车的安全性。

3 结语

本文结合目前铁路系统容易出现的问题，分析了红外热成像测温技术在电气化铁路领域的应用，利用红外热成像测温技术，实现对电气化铁路相关设备进行在线、高精度的检测，及时排查故障。

由于红外热成像测温技术在国内电气化铁路领域的应用发展较晚，热成像仪造价较高以及缺乏有效的电气化铁路领域的故障热测量标准等原因，未得到广泛应用和推广。但随着科技的进步，热成像仪的造价成本不断降低，相应的标准逐步建立完善，红外热成像测温技术在电气化铁路领域必将有广阔的应用前景。

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The paper introduces the basic theories and principles of infrared thermal imaging based temperature metering technology,with regard to the problems liable to occur on the electrified railway system,analyzes with emphasis the application and prospect of infrared thermal imaging based temperature metering technology on the fields of electrified railways.

Infrared thermal imaging;temperature metering;situations of researches;electrified railway

U226

B

1007-936X(2017)06-0073-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.019

张文政.北京交通大学电气工程学院，硕士研究生，研究方向为基于红外热成像技术的弓网温度检测；

李华伟.北京交通大学电气工程学院，副教授；

杨莎莎.北京交通大学电气工程学院，硕士研究生。

2017-02-13