電力設(shè)備故障的紅外熱成像診斷

張 贏

（內(nèi)蒙古東部電力有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

紅外熱診斷技術(shù)是一種利用紅外原理了解和掌握設(shè)備使用過程中的狀態(tài),早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因,并預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。電力設(shè)備故障通常伴有發(fā)熱現(xiàn)象,觀察設(shè)備的溫度,可早期發(fā)現(xiàn)這些故障,避免造成事故。最初電力系統(tǒng)廣泛使用點(diǎn)式紅外測溫設(shè)備（紅外測溫槍）感知電力設(shè)備的溫度,判斷其工作是否正常,但使用過程發(fā)現(xiàn)點(diǎn)式測溫設(shè)備只能單點(diǎn)測量,工作效率低、勞動強(qiáng)度大、人員易疲勞,易造成漏檢,測量誤差大,故障發(fā)現(xiàn)不及時。為更好滿足及時發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防事故的要求,目前電力系統(tǒng)開始推廣使用紅外熱成像測溫技術(shù),紅外熱成像測溫技術(shù)具有測溫范圍廣、誤差小、自動跟蹤溫度最高點(diǎn)、提供清晰紅外圖譜和進(jìn)行智能分析等優(yōu)點(diǎn)。紅外成像設(shè)備利用SF6氣體對特定波長紅外線的強(qiáng)烈吸收作用,還被應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的SF6氣體泄漏探測。

1 電力設(shè)備熱故障的特征及分類

正常運(yùn)行的電力設(shè)備,由于電流、電壓的作用,將通過電阻、介質(zhì)和鐵磁損耗3種方式發(fā)熱。若設(shè)備出現(xiàn)異常,其熱分布圖像與正常情況不同。通常根據(jù)異常發(fā)熱分布位置分為內(nèi)部故障和外部故障。

外部故障主要指外界可以直接觀測到的故障。外部故障又可分為兩類：一是長期暴露在大氣中的各種裸露電氣接頭因接觸不良等原因引起的過熱故障,如刀閘壓接彈簧接觸不良;二是由于表面污穢或機(jī)械力作用引起絕緣性能下降造成的過熱故障,如絕緣子劣化或嚴(yán)重污穢引起泄漏電流增大的發(fā)熱。這類故障以局部過熱形態(tài)向周圍輻射紅外線,紅外熱像圖顯現(xiàn)出以故障點(diǎn)為中心的熱場分布,檢測和診斷比較容易。產(chǎn)生外部故障原因主要是設(shè)備設(shè)計不合理、安裝工藝不符合要求、外力引起的連接松動、大氣環(huán)境造成的表面氧化、長期運(yùn)行零部件老化等。

內(nèi)部故障主要是指封閉在固體絕緣、油絕緣及設(shè)備外殼體內(nèi)部的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的各種故障。根據(jù)產(chǎn)生故障機(jī)理可分為以下幾類：內(nèi)部電氣連接不良或觸頭不良故障,如各種高壓電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良、斷路器內(nèi)部觸頭不良等;介質(zhì)損耗增大故障,以油作絕緣介質(zhì)的高壓電氣設(shè)備,一旦出現(xiàn)絕緣介質(zhì)劣化或進(jìn)水受潮,都會因介質(zhì)增加而發(fā)熱;高壓電氣設(shè)備中的導(dǎo)電體絕緣材料因材質(zhì)不佳或老化、劣化、進(jìn)水受潮引起局部放電而發(fā)熱,如電纜護(hù)套內(nèi)局部放電等;繞組線圈或磁路組成的高壓電氣設(shè)備由于設(shè)計不合理、運(yùn)行不佳和磁回路不正常引起的磁滯、磁飽和、漏磁、鐵心片間絕緣破損引起的局部或箱體發(fā)熱;缺油引起的表面溫度分布異常;過負(fù)荷或電壓變化過大、單相運(yùn)行等引起設(shè)備局部過熱。內(nèi)部故障由于出現(xiàn)在電氣設(shè)備的內(nèi)部,無法像外部故障能從設(shè)備的外部直接檢測出,只能根據(jù)各種電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),從電氣設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖分析判斷內(nèi)部故障。

2 紅外熱成像診斷方法

a.溫度判斷法。依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),對顯示溫度過熱部位根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行診斷,該方法雖可以判定部分設(shè)備的故障情況,但易受外界條件影響,難以準(zhǔn)確判斷故障。

b.相對溫差法。狀況相同或基本相同設(shè)備的2個對應(yīng)測點(diǎn)間溫差與其中較熱測點(diǎn)溫升的比值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為δt=（τ1-τ2）/τ1×100%,當(dāng)δt＞35%時,可診斷該設(shè)備存在缺陷,應(yīng)予以跟蹤監(jiān)測,必要時安排檢修。

c.同類比較法。在同類設(shè)備之間進(jìn)行比較,對同類設(shè)備對應(yīng)部位溫度值進(jìn)行比較,可較容易地判斷出設(shè)備是否正常,該方法應(yīng)用范圍較廣。

d.檔案分析法。將測量結(jié)果與設(shè)備的紅外技術(shù)檔案項(xiàng)比較進(jìn)行分析,有利于對重要的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行正確判斷,同時應(yīng)參考其他檢測結(jié)果,如色譜及介質(zhì)損耗等的變化情況進(jìn)行綜合診斷。

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,傳熱途徑多樣,故障診斷有一定困難,可從變壓器上部開始依次往下進(jìn)行診斷,即從套管及其引出線接頭到升高座、三相分接開關(guān)、箱體各個部位及散熱器進(jìn)行檢查,采用相間比較法和檔案分析法進(jìn)行初步診斷。初步診斷后,根據(jù)具體情況進(jìn)行處理,采用特殊運(yùn)行方式,在動態(tài)過程中進(jìn)行某些故障的診斷。如增減負(fù)荷診斷、停掉冷卻器后診斷、在停電降溫過程中診斷,也可在空載、短路試驗(yàn)中用熱成像檢測診斷。

斷路器故障主要是由于內(nèi)部載流回路接觸不良造成過熱故障,只要通過溫度判斷法和相對溫差法一般都可以很方便地診斷出故障。

互感器內(nèi)部故障主要是連接接觸不良和絕緣介質(zhì)缺陷兩類故障,正常運(yùn)行時熱像特征是三相溫升溫差均很小,故在診斷互感器內(nèi)部故障時采用相間比較法,同時還應(yīng)與其他檢測手段配合診斷,絕緣油不足的缺油現(xiàn)象,熱像可清晰顯示。

避雷器盡管電壓等級、串聯(lián)元件數(shù)目不同,但熱像特征有共同之處。正常運(yùn)行時,發(fā)熱量都不大,特別是在戶外自然冷卻條件下,避雷器本體溫升很小,比周圍環(huán)境溫度略高,其熱場分布均勻,同一相設(shè)備的溫度相當(dāng)均勻或呈現(xiàn)上下兩端溫度稍低,而中部稍高的現(xiàn)象,但總的溫差僅在1℃范圍內(nèi),相間溫差也很小。當(dāng)避雷器內(nèi)部存在缺陷時,如元件老化、受潮或并聯(lián)電阻斷裂,避雷器整體熱像將出現(xiàn)異變,其熱場溫度出現(xiàn)不均勻,溫差增大,溫升也顯著增高,故障相的最低溫度比正常相的最高溫度還高,有局部過熱或局部溫度過低的反?，F(xiàn)象。

電力電容器一類是鐵殼封裝的扁方體,熱特征是最高溫度分布在大側(cè)面的2/3高度處;另一類為瓷套封裝的圓柱形體,介質(zhì)損耗因數(shù)小,溫升不高,其熱特征是最高溫度分布在頂部,當(dāng)串接后,溫度分布是上節(jié)低,下節(jié)高。兩類電力電容器判別缺陷的方法一般是采用相間比較法,其對應(yīng)部位溫差應(yīng)低于1.5℃,當(dāng)瓷套封裝的圓柱形電容器上、中部出現(xiàn)明顯溫度梯度時,可能是內(nèi)部缺油。

電纜內(nèi)部故障熱特征是缺陷部位相應(yīng)外表面、整體或局部過熱,應(yīng)采用相間比較法確定缺陷部位。

懸式瓷絕緣子串發(fā)熱量小,熱分布呈不對稱的馬鞍形,即中間溫度低,兩邊高,相鄰絕緣子間溫差極小,不超過1℃。低值絕緣子熱像特征是鋼帽溫度最高,相鄰片間溫差超過1℃;零值絕緣子熱特征是鋼帽溫度偏低;污穢絕緣子熱像特征是瓷盤表面溫度偏高。正常的支柱瓷絕緣子熱特征是上部溫度較高,下部溫度較低,熱場分布均勻;當(dāng)支柱絕緣劣化時,其熱場分布將發(fā)生改變,可能出現(xiàn)上低下高的溫度分布。

導(dǎo)通電流元件設(shè)備很多,如各種導(dǎo)線、母線、隔離開關(guān)、熔斷器、穿墻套管、阻波器等,其結(jié)構(gòu)都很簡單,發(fā)熱機(jī)理主要是由于導(dǎo)體連接部位接觸不良,絕大部分屬外部故障,判斷故障方法有溫度判斷法和相對溫差判斷法。

3 影響紅外熱成像診斷的因素

紅外熱像可將物體表面不為人眼所見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的紅外圖像,因此,一般情況下,對設(shè)備有無熱故障均可作出定性判斷。由于紅外診斷是一種被動的、非接觸式的檢測手段,在檢測過程中,會受到環(huán)境、物體材料、檢測方法等多種因素的影響,不能得到精確的測量值,對故障設(shè)備不能進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。

a.大氣吸收的影響。物體的紅外輻射在傳輸過程中,由于大氣的吸收使能量衰減。主要是由于大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧等氣體分子對一定波長的紅外輻射有選擇的吸收。因此,在雷、雨、霧、雪和空氣濕度高于85%的環(huán)境下不能進(jìn)行紅外檢測。

b.大氣塵埃及懸浮粒子的影響。大氣中的塵埃及懸浮粒子的存在使紅外輻射在傳輸過程中能量衰減。由于某些大氣塵埃及懸浮粒子的大小與紅外輻射的波長相近,對紅外輻射產(chǎn)生散射,使紅外線輻射偏離了原來的傳播方向。因此,應(yīng)選擇在無塵或空氣清新的環(huán)境下進(jìn)行紅外檢測。

c.檢測距離的影響。檢測距離對紅外診斷的影響是多方面的,檢測距離越遠(yuǎn),大氣對紅外輻射衰減的影響越大,發(fā)熱物體在紅外成像中的成像面積就越小,特別是對表面溫度不均勻的物體,紅外熱成像的測量值會更低;紅外熱成像空間分辨率不能滿足物體大小和檢測距離的要求,測溫值將受到物體背景的影響。因此,在滿足現(xiàn)場安全距離的情況下,測試人員應(yīng)盡量靠近被檢測設(shè)備。

d.風(fēng)力的影響。當(dāng)被測設(shè)備處于室外露天運(yùn)行時,在風(fēng)力較大的環(huán)境下,由于受到風(fēng)速的影響,存在發(fā)熱缺陷設(shè)備的熱量會被風(fēng)力加速散發(fā),使裸露導(dǎo)體及接觸件的散熱條件得到改善,散熱系數(shù)增大,使熱缺陷設(shè)備的溫度下降。

因此,對故障后溫升較高的設(shè)備,如由于電流致熱引起發(fā)熱的設(shè)備,一般應(yīng)在風(fēng)速≤5m/s的環(huán)境下進(jìn)行測量。對故障后溫升不明顯的設(shè)備,如由于電壓致熱引起內(nèi)部缺陷的設(shè)備,一般應(yīng)在風(fēng)速≤0.5m/s的環(huán)境下進(jìn)行測量。

e.環(huán)境溫度的影響。當(dāng)被測設(shè)備所處環(huán)境溫度較低時,存在發(fā)熱缺陷的設(shè)備散熱條件好,使熱缺陷設(shè)備溫度較低,可能造成缺陷漏判。因此,一般應(yīng)在環(huán)境溫度≥5℃的環(huán)境條件下進(jìn)行紅外檢測。如果環(huán)境溫度變化較大,要注意紅外熱像儀設(shè)置調(diào)整環(huán)境溫度,選擇合適的環(huán)境溫度參照物,一般可選擇為運(yùn)行的電氣設(shè)備的絕緣瓷柱。

f.發(fā)射率的影響。物體發(fā)射率為0～1,其值與物體的材料、溫度和表面狀況有關(guān),發(fā)射率對測溫有很大影響。對帶電設(shè)備進(jìn)行一般外部故障巡檢時,可選擇發(fā)射率為0.9。對帶電設(shè)備進(jìn)行精確診斷時,可參考下列數(shù)值選?。捍商最惏l(fā)射率選0.92,帶漆部位金屬類發(fā)射率選0.94,金屬導(dǎo)線和金屬連接件的發(fā)射率選0.9。

g.檢測角度的影響。根據(jù)紅外輻射空間分布規(guī)律,正對故障設(shè)備位置檢測時,紅外熱像儀接收到的紅外輻射強(qiáng)度最大。因此,應(yīng)從多角度進(jìn)行檢測,選擇最佳的檢測角度。在需要進(jìn)行復(fù)測的情況下,應(yīng)記錄檢測位置,以便下次在同一位置檢測進(jìn)行比較。盡量使檢測角度不大于30°。

h.太陽光輻射的影響。當(dāng)被測電氣設(shè)備處于太陽光輻射時,由于太陽光的反射和漫反射的波長與紅外熱成像波長相同,影響紅外熱像儀圖像質(zhì)量和測溫精度。同時,由于太陽光照射造成被測物體溫度升高,將疊加在被測設(shè)備的穩(wěn)定溫升上。因此,應(yīng)在陰天、多云的環(huán)境下進(jìn)行紅外檢測,在晴天要避開陽光直接照射或反射入鏡,最好選擇夜晚（日落后2 h）進(jìn)行檢測,效果較好。

i.被檢測設(shè)備的影響。故障設(shè)備的發(fā)熱情況與設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷有較大關(guān)系。因此,檢測電流致熱的設(shè)備,最好在負(fù)荷高峰狀態(tài)下進(jìn)行,一般不低于額定負(fù)荷的30%。同時,設(shè)備運(yùn)行時間應(yīng)≥6 h,最好在24 h以上。

4 應(yīng)用情況

赤峰供電公司自2006年末開始在變電所逐漸開展紅外成像技術(shù)進(jìn)行故障檢測,并發(fā)現(xiàn)了一些開關(guān)類設(shè)備缺陷。2007年2月15日,測量發(fā)現(xiàn)赤峰一次變2號變壓器二次側(cè)乙刀閘A相刀閘口溫度為81.3℃,而其他兩相僅為20.7℃。根據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》中相對溫差的計算公式計算后,其相對溫差為74.5%?！秾?dǎo)則》要求相對溫差不大于80%為一般缺陷,可以繼續(xù)運(yùn)行,但在隨后的跟蹤監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)該相溫度逐漸上升。經(jīng)停電檢查發(fā)現(xiàn),其轉(zhuǎn)動球頭內(nèi)彈簧（8個）只有2個完好,其余全部燒壞,更換處理后測溫正常。應(yīng)用紅外成像技術(shù)還曾發(fā)現(xiàn)10 kV隔離開關(guān)刀口及接頭發(fā)熱等重大缺陷。

5 結(jié)束語

通過紅外成像測溫能對電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時帶電檢測,發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗(yàn)手段不能發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障。但從目前檢測結(jié)果看,還不能對所有設(shè)備的內(nèi)部故障作出準(zhǔn)確判斷。因此,對內(nèi)部故障的檢測應(yīng)將常規(guī)試驗(yàn)手段和紅外成像檢測手段相結(jié)合。由于電力設(shè)備的多樣性和外界環(huán)境的復(fù)雜性,在紅外成像測溫時應(yīng)從一些不太明顯的表面現(xiàn)象進(jìn)行分析,積累一些典型的溫度數(shù)據(jù)和熱圖譜,在發(fā)現(xiàn)異常時進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)問題時不僅要按照《導(dǎo)則》要求進(jìn)行定性,而且還要通過其他的檢測手段和方法找出發(fā)熱的成因,具體問題具體分析。