紅外測(cè)溫技術(shù)在城網(wǎng)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張鐘秀,張煒帆

(山西省電力公司原平供電支公司,山西原平 034100)

1 紅外測(cè)溫技術(shù)概述

任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng),都在持續(xù)不斷地向外輻射紅外熱能,從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng),俗稱 “熱像”。電力系統(tǒng)的各類電力設(shè)備和線路在正常運(yùn)行時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加,負(fù)載的不平衡,某些接點(diǎn)的生銹腐蝕、接觸不良造成的接觸電阻增加,電流增大等現(xiàn)象的發(fā)生,都會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備、線路出現(xiàn)熱態(tài)異常和過熱故障。這些異常部位和故障點(diǎn)都會(huì)輻射出比正常狀態(tài)更多更強(qiáng)的紅外能。通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量,準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度,這就是紅外測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

按照安裝的測(cè)溫頭,將紅外測(cè)溫分為點(diǎn)掃描測(cè)溫、線掃描測(cè)溫、面掃描測(cè)溫三大類。在日常應(yīng)用中,紅外點(diǎn)掃描測(cè)溫主要用于單個(gè)工件的溫度測(cè)溫,成本相對(duì)較低但掃描精度不高。若想較為全面地了解設(shè)備的溫度分布情況,就必須選擇線掃描測(cè)溫或者面掃描測(cè)溫系統(tǒng)。對(duì)要求較為嚴(yán)格的城網(wǎng)配電工作,面掃描測(cè)溫是最為合適的選擇。

在面掃描測(cè)溫設(shè)備中,最常使用到的設(shè)備是紅外熱像儀,它可以直觀地生成熱圖像和溫度值,進(jìn)而對(duì)被檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算。技術(shù)人員應(yīng)用紅外測(cè)溫技術(shù),對(duì)電氣設(shè)備目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫,檢測(cè)出被測(cè)物細(xì)微的熱狀態(tài)變化,準(zhǔn)確掌握被測(cè)物內(nèi)外部的發(fā)熱情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和線路的故障診斷。紅外熱像儀能夠?qū)⑻綔y(cè)到的熱量精確量化,能夠?qū)Πl(fā)熱的故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和嚴(yán)格分析,其直觀的測(cè)試效果,高靈敏度、高可靠性的檢測(cè)結(jié)果,對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。

2 紅外測(cè)溫技術(shù)的特性

a)便捷性。紅外測(cè)溫技術(shù)可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度,通過掃描,還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖,而且靈敏度高,不受電磁場(chǎng)干擾,便于現(xiàn)場(chǎng)使用。紅外熱像儀堅(jiān)實(shí)、輕巧、易攜帶,便于進(jìn)行日常巡檢工作。

b)精確性。紅外熱像儀可以將探測(cè)到的數(shù)據(jù)精確量化,且精度通常都在±2℃以內(nèi)。它可以在-20～2 000℃的寬量程內(nèi)以0.05℃的高分辨率檢測(cè)電氣設(shè)備的熱致故障,揭示出如導(dǎo)線接頭或線夾發(fā)熱,以及電氣設(shè)備中的局部過熱點(diǎn)等等。紅外測(cè)溫技術(shù)除了拍攝紅外圖像外,還同時(shí)捕獲一幅數(shù)字照片,兩者的融合有助于識(shí)別和定位故障,從而能夠?yàn)榈谝粫r(shí)間準(zhǔn)確修復(fù)故障提供可靠的數(shù)據(jù)資料和依據(jù)。

c)安全性。紅外測(cè)溫技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、不解體等特點(diǎn),給電力系統(tǒng)線路狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)提供了一種有效手段。它能夠在任何儀器允許的范圍內(nèi)安全地讀取難以接近的或不可到達(dá)的目標(biāo)溫度,還可在測(cè)溫較為困難的區(qū)域進(jìn)行精確測(cè)量。

d)經(jīng)濟(jì)性。紅外測(cè)溫技術(shù)在設(shè)備在線故障診斷和節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要的作用。通過紅外測(cè)溫技術(shù)可連續(xù)診斷電路連接問題和通過查找連接處的熱點(diǎn),以檢測(cè)電氣設(shè)備的功能狀態(tài);可檢驗(yàn)電氣組件,開關(guān)齒輪或保險(xiǎn)絲連接,防止能源消耗;有助于識(shí)別回路中電氣的絕緣故障;日常掃描變壓器的熱點(diǎn)可探測(cè)開裂的繞組和接線端子;可快速探測(cè)操作溫度的微小變化,減少因設(shè)備故障造成的開支和維修的范圍。

e)更為強(qiáng)大的功能性。紅外測(cè)溫設(shè)備配備了功能強(qiáng)大的軟件,用于存儲(chǔ)和分析熱圖像并生成專業(yè)報(bào)告。通過相關(guān)軟件,可以對(duì)熱圖像中的發(fā)射率、反射溫度補(bǔ)償以及調(diào)色板等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3 紅外測(cè)溫技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),組成元件多,分布地域廣,系統(tǒng)特性復(fù)雜。從個(gè)別元件發(fā)生的簡(jiǎn)單故障,到可能造成大面積停電后果的嚴(yán)重故障,其故障發(fā)生情況的差異性很大。紅外熱像儀能夠正確引導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。當(dāng)設(shè)備通過電流或施加電壓時(shí),只要其表面出現(xiàn)溫差,就可用紅外熱像儀把它檢測(cè)出來。工作人員可以將測(cè)量溫度值與歷史溫度或相同時(shí)間同類設(shè)備的溫度讀數(shù)進(jìn)行比較,從而判斷是否發(fā)生了顯著的溫升、是否會(huì)導(dǎo)致部件失效帶來生產(chǎn)隱患。

紅外熱像儀通過紅外圖像有效反映輸電線路的溫度,是少數(shù)幾種可以將熱信息瞬間可視化,并加以驗(yàn)證的診斷技術(shù)之一。在專業(yè)的紅外分析軟件的幫助下,數(shù)秒內(nèi)便可自動(dòng)完成分析報(bào)告。

從大量的紅外測(cè)溫結(jié)果來看,線路中電力金具的熱缺陷較多,主要集中在耐張線夾、跳線線夾、接續(xù)管、高壓電纜頭等連接部分。導(dǎo)致這些部位發(fā)熱的主要原因有三大類:一是氧化腐蝕。大部分導(dǎo)體接頭都在室外壞境中運(yùn)行,長(zhǎng)年受到風(fēng)、雪、雨、日曬、冰凍等自然侵蝕。這些因素均會(huì)加速金具表面的氧化、腐蝕和損傷,氧化層的形成會(huì)使金屬接觸面的電阻率增加幾十倍甚至上百倍,接觸電阻增大的部位就會(huì)發(fā)生異常發(fā)熱現(xiàn)象。隨著氧化腐蝕的不斷加劇,可使局部溫度急劇上升,從而導(dǎo)致燒斷接頭造成事故。二是導(dǎo)線接頭松動(dòng)。由于長(zhǎng)期受到機(jī)械震動(dòng)、風(fēng)力擺動(dòng)、熱脹冷縮等原因的影響而造成的分接開關(guān)的引線頭和接線螺絲松動(dòng),會(huì)使導(dǎo)線的接觸面積減少。當(dāng)通過較大電流時(shí),就會(huì)引發(fā)電流熱效應(yīng),電阻越大,產(chǎn)生的熱量也就越大,從而導(dǎo)致接頭部位異常發(fā)熱。三是由安裝質(zhì)量引起的部件發(fā)熱。在日常工作中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)如接頭緊固件未緊到位、安裝時(shí)未放緊固螺絲上下的平墊圈或彈簧墊圈、線夾與導(dǎo)線接續(xù)前未清刷或未涂電力復(fù)合脂、銅鋁過渡接頭安裝不當(dāng)、線夾結(jié)構(gòu)不好、線夾大小與導(dǎo)線不配套等問題,這些原因都會(huì)造成熱缺陷的產(chǎn)生。

在電力設(shè)備方面,非接觸紅外測(cè)溫儀可以在安全的距離測(cè)量一個(gè)物體的表面溫度,使其成為電力設(shè)備巡檢中不可缺少的工具。利用紅外熱像儀可及時(shí)發(fā)現(xiàn)在電氣裝置、變壓器、連接器等設(shè)備中接頭松動(dòng)、接觸不良、不平衡負(fù)荷、過載、過熱等隱患,迅速確定有嚴(yán)重問題的溫升部位,避免產(chǎn)生電弧、短路、燒毀等現(xiàn)象。

如在對(duì)原平市消防隊(duì)臺(tái)區(qū)低壓配電箱測(cè)溫時(shí)發(fā)現(xiàn),總開關(guān)A相溫度達(dá)到164.83℃(見圖1)。

圖1 未處理的消防隊(duì)臺(tái)區(qū)低壓配電箱紅外熱像圖

由于冬季變壓器負(fù)荷增加20 kVA,低壓A相電流145 A,B相電流89 A,C相電流95 A,經(jīng)分析判定,發(fā)熱主要是因三相負(fù)荷不平衡造成的。電力負(fù)荷的變化會(huì)影響設(shè)備的溫度,正常的負(fù)荷變化引起的溫度升高不會(huì)超過規(guī)定的75℃。如果負(fù)荷增加得較多時(shí),電流加大,設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)就會(huì)發(fā)熱,發(fā)熱連接點(diǎn)的材料會(huì)產(chǎn)生變形、氧化等物理或化學(xué)變化,如不及時(shí)處理,經(jīng)過多次反復(fù)的惡性循環(huán),接頭的連接狀況會(huì)越來越差,最后造成接頭熔斷事故。后經(jīng)調(diào)整負(fù)荷,更換空氣開關(guān),A相溫度下降到正常范圍內(nèi) (見圖2)。

圖2 經(jīng)處理的消防隊(duì)臺(tái)區(qū)低壓配電箱紅外熱像圖

又如2010年1月,工作人員在對(duì)35 kV東社變電站周期性巡視測(cè)溫中,監(jiān)測(cè)到10 kV 526東社線C相穿墻套管有異常熱點(diǎn) (見圖3)。

圖3 未處理的東社35 kV變電站10 kV東社線(526)

由于東社線 (526)高壓穿墻套管與設(shè)備線卡為銅鋁直接接觸,且接觸面較小,接觸電阻大,10 kV負(fù)荷電流從18 A增加到42 A,最終造成溫度升高。當(dāng)銅鋁直接接觸,空氣中的水和一氧化碳及其他有害雜質(zhì)會(huì)在接頭接觸表面形成電解液。由于兩極直接接觸,便會(huì)有微弱的電流流動(dòng),在電解液的作用下,使接觸表面逐漸腐蝕,在金屬表面形成一層氧化膜,從而引起接觸表面電阻增大而發(fā)熱。1月22日,對(duì)高壓穿墻套管和設(shè)備線卡進(jìn)行更換,并重新測(cè)試,發(fā)熱現(xiàn)象消除,三相溫度恢復(fù)正常 (見圖4)。

圖4 經(jīng)處理的東社35 kV變電站10 kV東社線(526)

在電網(wǎng)運(yùn)行中,往往因工況變化、設(shè)備老化等原因,導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱而得不到及時(shí)處理釀成故障。紅外測(cè)溫技術(shù)的推廣應(yīng)用,為及時(shí)處理設(shè)備發(fā)熱缺陷提供了依據(jù)。

4 紅外測(cè)溫的影響因素及解決措施

設(shè)備故障紅外診斷最核心的問題是要準(zhǔn)確地獲得被測(cè)設(shè)備的溫度分布和故障相關(guān)部位的溫度值。這個(gè)信息是判斷故障屬性、位置、嚴(yán)重程度的客觀依據(jù)。因此,對(duì)被測(cè)設(shè)備故障相關(guān)部位溫度的計(jì)算與合理修正,將是提高檢測(cè)設(shè)備表面溫度準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí),由于檢測(cè)條件和環(huán)境的影響,可能導(dǎo)致結(jié)果存在一定的誤差。因此,為了提高紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確度,必須采取相應(yīng)的對(duì)策與措施,改善測(cè)溫條件或?qū)y(cè)溫結(jié)果進(jìn)行合理修正。

從運(yùn)行狀態(tài)的影響方面看,電氣設(shè)備故障一般表現(xiàn)為電流效應(yīng)引起的發(fā)熱故障和電壓效應(yīng)引起的發(fā)熱故障。因此,設(shè)備的工作電壓和負(fù)荷電流的大小,都將直接影響到紅外測(cè)溫與故障診斷的結(jié)果。泄漏電流的增大,會(huì)造成部分電壓不均勻;而未加載運(yùn)行或者負(fù)荷很低,又會(huì)使設(shè)備故障發(fā)熱不明顯,即使存在較嚴(yán)重的故障,也不能以特征性熱異常的形式暴露出來。只有當(dāng)設(shè)備在額定電壓下運(yùn)行,負(fù)荷越大,設(shè)備溫升越嚴(yán)重,故障點(diǎn)的特征性熱異常才會(huì)暴露得越明顯。因此在進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí),為了能夠取得可靠的測(cè)量效果,要盡量保證設(shè)備在額定電壓和滿負(fù)荷下運(yùn)行,即使不能做到連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行,也應(yīng)編制一個(gè)運(yùn)行方案,讓設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間,使設(shè)備故障部位達(dá)到穩(wěn)定溫度。

從設(shè)備表面發(fā)射率方面分析,紅外測(cè)溫儀是通過測(cè)量設(shè)備表面紅外輻射功率來獲得設(shè)備溫度信息的。在目標(biāo)紅外輻射功率相同的情況下,目標(biāo)的表面發(fā)射率不同,也將會(huì)得到不同的檢測(cè)結(jié)果。也就是說,相同輻射功率,發(fā)射率越低,就會(huì)顯示越高的溫度。而物體表面的發(fā)射率主要決定于材料性質(zhì)和表面狀態(tài),如表面氧化情況,涂層材料,粗糙程度及污穢狀態(tài)等。因此為了準(zhǔn)確地測(cè)量設(shè)備溫度,就必須要知道受檢目標(biāo)的發(fā)射率值,并將該值作為計(jì)算溫度的重要參數(shù),以便對(duì)所測(cè)量的溫度輸出值進(jìn)行發(fā)射率修正。消除發(fā)射率對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響的兩種措施是:一是使用紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)量時(shí),查出被測(cè)設(shè)備部件表面的發(fā)射率值進(jìn)行發(fā)射率修正,從而獲得可靠的測(cè)溫結(jié)果,提高檢測(cè)的可靠性;二是對(duì)故障頻發(fā)的設(shè)備部件,運(yùn)用敷涂適當(dāng)漆料的方法來增大和穩(wěn)定其發(fā)射率值,使測(cè)溫結(jié)果具有良好的可比性,以便獲得被測(cè)設(shè)備表面的真實(shí)溫度。

針對(duì)氣象和環(huán)境條件的影響,要盡量避免不良的氣象環(huán)境,如雨、雪、霧及大風(fēng)等氣候?qū)υO(shè)備測(cè)溫帶來不利的影響。同時(shí),要盡量減少受檢設(shè)備以外的其他設(shè)備以及太陽輻射對(duì)測(cè)溫結(jié)果造成干擾。因此,應(yīng)盡量在環(huán)境大氣比較干燥、潔凈的時(shí)節(jié),選擇在無雨、無霧、無風(fēng)和環(huán)境溫度較穩(wěn)定的陰天、傍晚以及夜間進(jìn)行測(cè)溫工作。要盡量避開其他輻射,并在不影響安全的條件下,盡可能縮短測(cè)溫距離,還要對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合理的距離修正,以便得到較為準(zhǔn)確的測(cè)溫結(jié)果。

根據(jù)季節(jié)性特點(diǎn)的變化,夏冬兩季城鄉(xiāng)用電負(fù)荷明顯加大,應(yīng)針對(duì)用電負(fù)荷這一周期性的變化起伏,制定一套較為科學(xué)的測(cè)量方案,在季節(jié)性用電高峰期到來之前,選擇滿負(fù)荷條件下,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患,超前做出整改措施,同時(shí)加強(qiáng)在高峰時(shí)節(jié)的監(jiān)控工作,對(duì)相同時(shí)間段的測(cè)溫結(jié)果做出縱向比較,有針對(duì)性地發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題,進(jìn)一步提高供電可靠性。

在人為誤差方面,要對(duì)紅外測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用不斷進(jìn)行規(guī)范完善,并注重工作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。在對(duì)行架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的線路進(jìn)行測(cè)溫時(shí),要充分應(yīng)用技術(shù)分析,選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)溫角度和測(cè)溫點(diǎn),以減小測(cè)量誤差。同時(shí)要加強(qiáng)操作人員對(duì)設(shè)備的熟悉掌握程度,使工作人員能夠準(zhǔn)確讀取紅外測(cè)溫儀上的讀數(shù),確保測(cè)溫結(jié)果的正確性。

5 結(jié)束語

利用紅外測(cè)溫分析方法,進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性、改進(jìn)完善其維護(hù)體制、逐步實(shí)現(xiàn)以工作狀態(tài)為依據(jù)的實(shí)時(shí)檢修,可使電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性得到長(zhǎng)足的提高。運(yùn)行人員在日常的巡視過程中,使用紅外測(cè)溫儀對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),較大幅度地提高了設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)水平,并通過對(duì)檢測(cè)的結(jié)果綜合分析,提高了診斷設(shè)備缺陷的技術(shù)水平,使設(shè)備檢修從傳統(tǒng)的事后維修轉(zhuǎn)向狀態(tài)維修,有效地防止了設(shè)備隱患、故障的擴(kuò)大,減少設(shè)備停運(yùn)損失,從而提高了設(shè)備的可靠性和運(yùn)行的有效度。

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