電氣設(shè)備載流部件紅外診斷的相對(duì)溫差判斷法

申大勇

(錦州石化公司設(shè)備研究所,錦州 121001)

通過(guò)紅外診斷發(fā)現(xiàn)的電氣設(shè)備缺陷中,大量的為載流部件過(guò)熱缺陷。此類過(guò)熱缺陷由電流效應(yīng)所致,引發(fā)的原因?yàn)椋航佑|電阻增大、導(dǎo)體材質(zhì)不良或?qū)w損傷,而前者是最主要的。雖然在電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程中,規(guī)定對(duì)開(kāi)關(guān)類設(shè)備的主回路電阻、變壓器類設(shè)備的直流電阻等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試[1],但系統(tǒng)中仍然存在許多這類缺陷未被檢測(cè)。因此,在現(xiàn)階段的電氣設(shè)備紅外診斷工作中,診斷載流部件過(guò)熱缺陷仍是其中的主要內(nèi)容之一。

由于紅外診斷技術(shù)在保證電力安全生產(chǎn)和提高供電可靠性方面取得了明顯的效果,同時(shí),其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著,在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家更是普遍推廣使用,應(yīng)用范圍也從最初的電器設(shè)備和電力線路開(kāi)始擴(kuò)大到發(fā)電廠等相關(guān)領(lǐng)域。對(duì)電氣設(shè)備而言,通過(guò)熱分布場(chǎng)的變化而探測(cè),分析判斷設(shè)備內(nèi)部熱缺陷通過(guò)熱傳導(dǎo)而引起外部熱分布場(chǎng)的變化。合理運(yùn)用并有效地掌握該方法將對(duì)此類缺陷檢出,對(duì)設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。1999年,我國(guó)首次發(fā)布并實(shí)施電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 644—1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》)。該《導(dǎo)則》中提出了相對(duì)溫差判斷法,并給出了明確的參數(shù)定義和判斷依據(jù)[2],為診斷電氣載流部件的過(guò)熱缺陷發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用。

1 電氣設(shè)備紅外診斷方法

《導(dǎo)則》中共提出了五種電氣設(shè)備紅外診斷方法：表面溫度判斷法、相對(duì)溫差判斷法、同類比較法、熱譜圖分析法以及檔案分析法。

第一種方法直接利用紅外儀器的測(cè)量值,對(duì)照GB 763—1990《交流高壓電器在長(zhǎng)期工作時(shí)的發(fā)熱》標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)設(shè)備最高允許溫度或溫升值的規(guī)定進(jìn)行判斷。而其它四種方法實(shí)質(zhì)上都是基于進(jìn)行比較的策略。其中,相對(duì)溫差判斷提出了一個(gè)量化的新參量,即相對(duì)溫差。對(duì)于診斷載流部件過(guò)熱缺陷,后三種方法是用于確定存在異常的判據(jù),而前兩種方法則是判斷缺陷性質(zhì)及其嚴(yán)重程度的尺度。第一種方法存在較大的局限性。提出相對(duì)溫差判斷法在一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題,可作為判斷載流部件過(guò)熱缺陷的基本方法。

下文將對(duì)相對(duì)溫差判斷法如何能解決表面溫度判斷法的局限性問(wèn)題,其理論基礎(chǔ)、判據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)分析。

1.1 相對(duì)溫差的定義

根據(jù)《導(dǎo)則》3.4條,相對(duì)溫差定義如下：兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。相對(duì)溫差δt可用下式求出：

式中 τ1,T1——發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度;

τ2,T2——正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度;

T0——環(huán)境參照體的溫度。

由于過(guò)熱點(diǎn)和正常點(diǎn)(常選擇同一設(shè)備其他相別的相同部位)的散熱條件是近似相同的,且流過(guò)設(shè)備的三相電流是基本對(duì)稱,因此有：

另外,可定義過(guò)熱點(diǎn)的電阻相對(duì)偏差δr為：

式(4)說(shuō)明,過(guò)熱點(diǎn)的相對(duì)溫差δt近似等于它的電阻相對(duì)偏差δr。因此,可以根據(jù)設(shè)備允許的電阻偏差來(lái)導(dǎo)出設(shè)備允許相對(duì)溫差的大小[3]。如果算出了被研究部位的相對(duì)溫差值,也就能判斷設(shè)備是否存在缺陷,甚至可以確定缺陷的嚴(yán)重程度。

1.2 相對(duì)溫差判據(jù)

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的相對(duì)溫差大小,可以判斷設(shè)備缺陷的嚴(yán)重程度?！秾?dǎo)則》表1中給出了部分電流致熱型設(shè)備的相對(duì)溫差判據(jù)。

根據(jù)相對(duì)溫差大小與設(shè)備允許電阻偏差之間所存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)《導(dǎo)則》表1中判斷電流致熱型設(shè)備缺陷的尺度,基本上是等同于DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中所要求的。如《規(guī)程》對(duì)SF6斷路器導(dǎo)電回路電阻的規(guī)定。

敞開(kāi)式斷路器的測(cè)量值不大于制造廠規(guī)定值的120%,即電阻相對(duì)偏差δr為：

在《導(dǎo)則》表1中則規(guī)定,對(duì)SF6斷路器,當(dāng)相對(duì)溫差值＞20%時(shí)判斷為存在缺陷?？梢?jiàn),兩者是相當(dāng)?shù)?。其它的?duì)應(yīng)內(nèi)容如表2所示。

表1 部分電流致熱型設(shè)備的相對(duì)溫差判據(jù)

表2 《導(dǎo)則》與《規(guī)程》中相關(guān)內(nèi)容的對(duì)比

除了表2中所述的內(nèi)容之外,還應(yīng)注意兩種設(shè)備。第一種是在《規(guī)程》中列出了回路電阻試驗(yàn)項(xiàng)目,但結(jié)果要求為運(yùn)行中自行規(guī)定的設(shè)備;第二種是在《規(guī)程》中沒(méi)有列出的,主要是導(dǎo)線、母線及各連接件。對(duì)此,可按《導(dǎo)則》提供的“其它導(dǎo)流設(shè)備”項(xiàng)進(jìn)行判斷。其規(guī)定為當(dāng)相對(duì)溫差＞35%時(shí)判斷設(shè)備存在缺陷。

1.3 相對(duì)溫差的特點(diǎn)

相對(duì)溫差δt的大小實(shí)際上反映了過(guò)熱點(diǎn)的電阻(接觸電阻或體電阻)相對(duì)于正常部位電阻的偏差情況這一本質(zhì)特征,因此它與負(fù)荷大小、環(huán)境條件、輻射率等因素都沒(méi)有關(guān)系。而且,該值是歸一化的,值域?yàn)?%≤δt≤100%,能方便制定統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)[4]。同時(shí)還注意到,在實(shí)際應(yīng)用中,用于計(jì)算δt的溫度為熱像儀的測(cè)量值,由于輻射率設(shè)置偏差的影響,此值可能不是被測(cè)物體上的真實(shí)溫度。研究表明[4]：改變熱像儀的輻射率設(shè)置,測(cè)量得到了不同的溫度值,但相對(duì)溫差δt仍始終保持不變[5]。由于相對(duì)溫差具有以上的特性,因此相對(duì)溫差判斷法也就克服了表面溫度判斷法所存在的不足。

2 具體案例故障分析及診斷

筆者所在單位于 1998年引進(jìn)日本NIKONS270A型紅外熱像儀。在這幾年的工作當(dāng)中,應(yīng)用熱像儀對(duì)單位內(nèi)的兩座熱電廠和六座變電站的多臺(tái)主設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)在線電氣設(shè)備內(nèi),外部熱故障達(dá)25處,其中外部嚴(yán)重?zé)峁收?處,一般性熱故障10處,內(nèi)部熱故障8處,故障點(diǎn)最高溫度達(dá)133℃。對(duì)于所有熱故障點(diǎn),均及時(shí)通知了運(yùn)行單位,其中嚴(yán)重故障點(diǎn)都及時(shí)采取了相應(yīng)的處理措施,對(duì)保障電力設(shè)備安全運(yùn)行起到了重要作用。下文將介紹檢測(cè)過(guò)程中兩個(gè)典型例子。

(1)熱電廠3號(hào)變電站1號(hào)進(jìn)線紅外熱像圖如圖1所示,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖1 典型的接頭發(fā)熱圖像

表1 B相接頭檢測(cè)溫度

由式(2)可得：

從表3數(shù)據(jù)可見(jiàn),在相同負(fù)荷下,B相接頭溫度竟然達(dá)到A,C相接頭溫度的3倍,且B相接頭相對(duì)溫差也接近86.4%(屬于“重大缺陷”),可見(jiàn)B相接頭存在嚴(yán)重的接觸不良。后停電檢查,發(fā)現(xiàn)B相接頭處的聯(lián)結(jié)板表面有一小處凸起,導(dǎo)致兩塊板壓接不緊密,造成接頭接觸不良,引起過(guò)熱現(xiàn)象。

(2)焦化1號(hào)線B相瓷瓶下接線柱螺母紅外熱像圖如圖2所示,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖2 典型的瓷瓶接頭發(fā)熱圖像

表1 B瓷瓶接頭檢測(cè)溫度

式由(2)：

B相瓷瓶接頭最高溫度為86℃,相對(duì)溫差達(dá)82.7%(屬于“重大缺陷”)。所在位置為瓷瓶下接線柱螺母,可能是因?yàn)槁菽杆蓜?dòng)而引起的局部溫升,對(duì)該部位進(jìn)行及時(shí)處理,該瓷瓶下接線柱螺母擰緊后一直安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

相對(duì)溫差的大小實(shí)際上反映了電阻相對(duì)偏差的大小,在一定范圍內(nèi),其相對(duì)溫差值不受載荷大小、大氣環(huán)境、材質(zhì)輻射率設(shè)置等因素的影響?！秾?dǎo)則》中確立的相對(duì)溫差判據(jù)基本上體現(xiàn)了常規(guī)電氣試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。相對(duì)溫差判斷法是用于診斷載流部件過(guò)熱缺陷的最主要方法而且是最有效的方法。在實(shí)際應(yīng)用中須注意如下幾點(diǎn)：

(1)計(jì)算相對(duì)溫差值不但需要被測(cè)試部位的溫度,還需知道正常部位及環(huán)境參照體的溫度。一般可將三相間溫度最低者作為正常部位,但它必須與被研究部位具有相同的結(jié)構(gòu)、表面特征、電流大小、環(huán)境條件以及測(cè)量距離。環(huán)境參照體的溫度由紅外儀器對(duì)處于停役中的設(shè)備測(cè)量所得,不能用其它方法測(cè)得的環(huán)境溫度代替。此外,這3個(gè)溫度值必須是使用同一臺(tái)儀器在同時(shí)或相繼測(cè)得的值。

(2)雖然相對(duì)溫差與環(huán)境條件、負(fù)荷大小等因素?zé)o關(guān),但這結(jié)論成立是有范圍的。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)仍應(yīng)盡量在適宜紅外測(cè)試的條件下進(jìn)行。當(dāng)發(fā)熱點(diǎn)的溫度較小時(shí)(＜10K[2]),電流、散熱條件的微小差別以及太陽(yáng)輻射的作用等因素造成相對(duì)顯著的影響,這種情況下得到的相對(duì)溫差值可能不可靠。

(3)如果設(shè)備三相同時(shí)出現(xiàn)過(guò)高溫度,還應(yīng)按表面溫度判斷進(jìn)行分析。

(4)對(duì)于電壓致熱型設(shè)備缺陷,理論上可以證明,其相對(duì)溫差與介損之間也存在類似的關(guān)系。但相對(duì)溫差判斷法不適用于電壓致熱型設(shè)備缺陷的現(xiàn)場(chǎng)診斷。

[1]DL/T 596—1996 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]DL/T 664—1999 帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則[S].

[3]陳衡,侯善敬.電力設(shè)備故障紅外診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社,1999：218.

[4]胡世征.電氣設(shè)備紅外故障診斷的相對(duì)溫差判斷法及判斷標(biāo)準(zhǔn)[J].電網(wǎng)技術(shù),1998(10)：47.

[5]姜建國(guó).故障診斷學(xué)及其在電工中的應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,1995：107.