紅外熱像技術(shù)在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

陶霞，牟惠文，趙生虎

(陡河發(fā)電廠，河北 唐山 063028)

紅外熱像技術(shù)在電氣設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

陶霞，牟惠文，趙生虎

(陡河發(fā)電廠，河北 唐山 063028)

介紹了紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備故障診斷原理，并通過實(shí)際案例分析了電力設(shè)備故障紅外診斷的適用范圍及其對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行所起的重要作用，提出將紅外熱性技術(shù)與其他測溫技術(shù)相結(jié)合以克服紅外熱像技術(shù)的局限性，使之在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

紅外熱像技術(shù);電氣設(shè)備;故障診斷;應(yīng)用

1 引言

隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)不斷成熟和日臻完善，利用紅外熱像技術(shù)的遠(yuǎn)距離、不接觸、準(zhǔn)確、實(shí)時、快速等特點(diǎn)發(fā)展起來的電力設(shè)備狀態(tài)紅外熱像檢測技術(shù)，由于在不停電、不取樣、不解體的情況下快速實(shí)時地在線檢測和診斷電力設(shè)備的大多數(shù)故障，所以備受國內(nèi)外電力行業(yè)的重視，并得到快速發(fā)展。

2 紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備故障診斷原理

世間萬物都會發(fā)射人眼看不見的紅外輻射能量，而且，物體的溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能量越強(qiáng)。既然電力設(shè)備故障絕大多數(shù)都以局部或整體過熱或者溫度分布異常為征兆，那么只要運(yùn)用適當(dāng)?shù)募t外儀器檢測電力設(shè)備運(yùn)行中發(fā)射的紅外輻射能量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，在經(jīng)過專門的電信號處理系統(tǒng)處理就可以獲得電力設(shè)備表面的溫度分布狀態(tài)及其包含的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。由于電力設(shè)備不用性質(zhì)、不同的空間分布特征，所以，分析處理紅外檢測到的上述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，就能夠?qū)υO(shè)備中潛伏的故障或事故隱患屬性，具體位置和嚴(yán)重程度作出定量的判定。

3 電力設(shè)備故障紅外診斷的適用范圍和案例分析

除某些電氣設(shè)備的少數(shù)內(nèi)部故障以外，凡是內(nèi)部的故障發(fā)熱能夠在設(shè)備外部有溫度響應(yīng)的故障，均可應(yīng)用紅外方法做出診斷。所以，紅外方法原則上可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的診斷。下面將著重從故障的發(fā)熱機(jī)理，說明電力設(shè)備故障紅外診斷的適用范圍并以實(shí)例加以詮釋。

3.1 電流致熱型設(shè)備故障的診斷

許多高壓電氣設(shè)備的內(nèi)部導(dǎo)流回路因連接不良，接觸電阻增大而出現(xiàn)過熱，這類內(nèi)部導(dǎo)流回路故障的發(fā)熱功率P=I2R，并通過特定的傳熱路徑在設(shè)備表面相關(guān)部位形成局部特征性熱場分布或紅外熱像。當(dāng)改變負(fù)荷電流時，其發(fā)熱功率和表面紅外熱像也隨之改變。所以，通過掃描紀(jì)錄設(shè)備表面的紅外熱像，不僅可以分辨設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)流回路有無連接不良故障，而且還可以判定內(nèi)部連接故障的具體位置。并且，根據(jù)設(shè)備表面溫升值的大小，定量判定內(nèi)部導(dǎo)流回路連接故障的嚴(yán)重程度，即對故障程度進(jìn)行分等定級。這類故障是紅外熱像技術(shù)發(fā)現(xiàn)的最常見的高壓設(shè)備故障

3.1.1 電機(jī)故障

案例一:1995年陡河廠4號(G4)發(fā)電機(jī)(額定有功功率:250MW，75年日本國日立生產(chǎn))大修時進(jìn)行靜子線圈的直流電阻測量。發(fā)現(xiàn)直流電阻不平衡，互差2.12%，超標(biāo)。懷疑線棒焊接點(diǎn)焊接不良。采用日本產(chǎn)的TVS-100半導(dǎo)體制冷的紅外熱像儀進(jìn)行紅外測溫，靜子線圈通入1200A電流，5小時后從熱像儀中觀測到#55線棒延伸線部分溫度:34.5℃，其他部分32℃。由此確定故障點(diǎn)在該處。將包的絕緣層打開，發(fā)現(xiàn)絕緣材料云母有過熱跡象，同時發(fā)現(xiàn)一大塊焊錫餾子。經(jīng)化驗(yàn)證明為該處過熱將錫烤流造。紅外熱像如圖1所示。

圖1 定子線棒焊接不良的紅外熱像

故障處理:將線棒焊接點(diǎn)重新焊接之后，直阻合格，紅外測溫?zé)o異常，機(jī)組投入正常運(yùn)行。

案例二:2002年9月15日對陡河廠3號(G3)發(fā)電機(jī)(額定有功功率:250MW，75年日本國日立生產(chǎn))進(jìn)行紅外測溫工作。9∶00發(fā)電機(jī)靜子線圈三相串接好，通入1400A電流進(jìn)行了測溫。13∶10許，使用深圳颯特公司生產(chǎn)的SAT-慧眼6000紅外熱像儀觀察，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵測6點(diǎn)位置線棒的漸開線部分(Y1的第三根線棒漸開線)溫度明顯升高。高出其他部位2℃。紅外圖像如圖2所示。

故障處理辦法:將缺陷處進(jìn)行了重新焊接，處理后，紅外測溫未發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)組投入后正常運(yùn)行。

案例三:2000年11月16日陡河廠5號爐丙排粉機(jī)利用小修時對其靜子線圈端部進(jìn)行敲擊。測量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 定子線棒焊接不良的紅外熱像

表1 排粉機(jī)敲擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)敲擊后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，B相線圈有斷股的跡象，使用SAT-慧眼6000紅外熱像儀觀看電動機(jī)靜子的端部發(fā)現(xiàn)B相有一部位溫度比較高。剝開絕緣發(fā)現(xiàn)第二極向組第一線圈與第二線圈端部引線二股斷一股。重新焊接后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，電機(jī)投入正常運(yùn)行。

案例四:2003年3月陡河廠8#發(fā)電機(jī)大修中，對發(fā)電機(jī)定子鐵心試驗(yàn)。使用SAT-慧眼6000紅外熱像儀測溫，圖形如圖3所示。

圖3 表面污穢物導(dǎo)致發(fā)熱的紅外熱像

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)鐵損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有缺陷鐵芯(20#～21#線棒間的齒部鐵心)最大溫差為17℃，超標(biāo)。經(jīng)檢查時因?yàn)榇笮捱^程中殘留污穢物導(dǎo)致發(fā)熱。故障處理:

用37%的鹽酸擦拭臟污處后，試驗(yàn)結(jié)果折算至10000高斯的最大溫差為3.3℃，最高溫升11.06℃，單位鐵損1.23W/kg(鐵心表面積:17791cm2，鐵心重量:81270kg)，鐵損試驗(yàn)合格。

3.1.2 CT故障

案例五:2002年1月25日陡河發(fā)電廠7#發(fā)電機(jī)出口CT二次直流電阻測量時，發(fā)現(xiàn)直流電阻增加了8.4%，超出《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定值，進(jìn)行故障查找時通入直流，使用SAT-慧眼6000紅外成像儀對其進(jìn)行紅外測溫，發(fā)現(xiàn)接頭過熱(內(nèi)部焊接不良)，屬于內(nèi)部熱故障。紅外測溫圖形如圖4所示。

圖4 CT內(nèi)部焊接不良的紅外熱像

故障處理意見:更換備件。

3.1.3 開關(guān)故障

陡河廠的220kV隔離開關(guān)每年進(jìn)行一次小修，我們進(jìn)行220kV隔離開關(guān)的紅外測量發(fā)現(xiàn)多起過熱故障。限于篇幅，這里只舉一例:

案例六:2011年，使用深圳颯特公司生產(chǎn)的HY-90紅外熱像儀進(jìn)行220kV隔離開關(guān)紅外測溫時發(fā)現(xiàn)204－4A相隔離開關(guān)東側(cè)轉(zhuǎn)頭溫度偏高，圖像如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 隔離開關(guān)轉(zhuǎn)頭溫度偏高的紅外熱像

表3 隔離開關(guān)轉(zhuǎn)頭溫度偏高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖像及數(shù)據(jù)顯示此隔離開關(guān)東側(cè)轉(zhuǎn)頭(P02點(diǎn))溫度高于西側(cè)轉(zhuǎn)頭(P01點(diǎn))12.75K，據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》隔離開關(guān)的轉(zhuǎn)頭，“溫差不超過15K，為達(dá)到重要缺陷的要求”應(yīng)當(dāng)縮短預(yù)試周期，加強(qiáng)監(jiān)測。隨后多次復(fù)測，無明顯增長趨勢，待停電預(yù)試處理。

3.2 電壓致熱型設(shè)備故障的診斷

對于絕緣介質(zhì)，其損耗:P=U2·ω·C·tgδ，發(fā)熱功率主要取決于電壓，所以被稱為電壓致熱型設(shè)備。電壓致熱型設(shè)備，通常指電壓互感器(PT、CVT、YDR)、避雷器、絕緣子、耦合電容器(OY)、開關(guān)斷口均壓電容器、電纜頭等。這些設(shè)備往往由于內(nèi)部缺陷(如介損增大、泄漏電流增大、局部放電等)，或者外部缺陷(如瓷介質(zhì)表面污穢、裂紋等)導(dǎo)致電壓分布異常和泄漏電流增大產(chǎn)生故障。這類設(shè)備致熱效應(yīng)主要由電壓所引起，與負(fù)荷電流沒關(guān)系。

案例七:2003年7月用SAT-慧眼6000紅外成像儀對陡河廠220kV設(shè)備進(jìn)行紅外溫度普測時發(fā)現(xiàn)220kV 1#站－4母線電容式電壓互感器224－9A相中間變壓器溫度異常，上部較下部高出2℃，紅外圖片如圖6所示。

圖6 CVT中間變壓器溫度異常的紅外熱像

隨后多次復(fù)測，無明顯增長趨勢，待停電預(yù)試處理。

案例八:2010年5月1號，陡河廠在使用SAT-慧眼6000紅外成像儀對變壓器進(jìn)行紅外測溫時發(fā)現(xiàn)6號主變(T6)底部螺栓過熱，紅外圖像如圖7所示。

圖7 變壓器螺栓溫度異常的紅外熱像

故障分析:運(yùn)行中的變壓器漏磁在變壓器鐘罩表面感應(yīng)出較大的電流，正常時此電流通過變壓器鐘罩螺栓、變壓器底座、接地扁鐵泄放至大地。此時，越是緊固的螺栓接觸電阻越小，通過的泄放電流就越大，發(fā)熱就越嚴(yán)重。反之，則發(fā)熱較輕。

故障處理辦法:由于變壓器仍在運(yùn)行中，因此采取將發(fā)熱較嚴(yán)重的螺栓進(jìn)行外跨接短路環(huán)(扁鐵)的辦法，以增加螺栓的散熱面并起到較好的分流效果，另將其他與法蘭接觸狀況較差的螺栓清臟，并涂抹增加導(dǎo)電性和防氧化性的電力脂重新緊固，處理后效果良好。

3.3 油浸電氣設(shè)備缺油故障的診斷

許多油浸高壓電氣設(shè)備，會因漏油而造成缺油或者假油位。由于油面上下介質(zhì)熱物性參數(shù)差異較大，在設(shè)備外表可產(chǎn)生與油位對應(yīng)的明顯梯度，因此，缺油故障也可以應(yīng)用紅外方法檢測和診斷。

3.4 電力機(jī)械故障的診斷

發(fā)電機(jī)、電動機(jī)以及其他各種電力機(jī)械因軸承振動或潤滑冷卻油量不足，或因安裝調(diào)整不好，軸承受力不正常，引起的軸承磨損過熱;直流電動機(jī)換向器因表面臟污或磨損變形引起的高溫過熱故障;發(fā)電機(jī)碳刷因勵磁電流過大、碳刷壓力太大及碳刷材質(zhì)不良等原因引起的碳刷高溫過熱故障等，均可應(yīng)用紅外方法做出診斷。

4 電力設(shè)備故障紅外診斷的局限性

任何一種檢測技術(shù)與診斷方法都不會是萬能的，紅外熱像技術(shù)也不例外。紅外狀態(tài)檢測與故障診斷是以對設(shè)備表面進(jìn)行紅外掃描測溫為基礎(chǔ)的，又因?yàn)榧t外輻射在固體中的穿透能力極其微弱(對金屬導(dǎo)體的穿透厚度只有1μm數(shù)量級，對于大多數(shù)非導(dǎo)電材料的穿透度也小于1mm)，所以，對于大型復(fù)雜電力設(shè)備內(nèi)部故障的某些故障，假如其故障發(fā)熱功率太小，或因故障部位距設(shè)備表面太遠(yuǎn)，由于熱量的橫向傳遞，使故障發(fā)熱不能在設(shè)備表面產(chǎn)生明顯的特征性響應(yīng);或者因設(shè)備內(nèi)部的熱交換過程特別復(fù)雜，致使內(nèi)部的故障發(fā)熱也無法在設(shè)備表面形成特征性熱場分布。在這種情況下，紅外方法就能難從設(shè)備外部檢測到內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，因此也就難以準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷。

5 結(jié)束語

大量的實(shí)踐證明，紅外熱像診斷技術(shù)對電力生產(chǎn)是十分必要的。它能配合其他的試驗(yàn)方法準(zhǔn)確地找到設(shè)備的故障點(diǎn)，也能判定許多故障類型，從而有效地降低了維修費(fèi)用，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度減少電氣設(shè)備的突發(fā)性故障，是開展電氣設(shè)備狀態(tài)檢修的必要手段之一。但是由于紅外輻射的穿透力微弱，紅外方法就能難從設(shè)備外部檢測到內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)，所以紅外熱像技術(shù)有著一定的局限性，如果能尋找出電氣設(shè)備內(nèi)部溫度與表面溫度的關(guān)系，將紅外測溫技術(shù)與其他測溫技術(shù)結(jié)合起來，紅外熱像技術(shù)將會更好地診斷電氣設(shè)備存在的缺陷和事故隱患，為電氣設(shè)備的安全運(yùn)行發(fā)揮更大的作用。

［1］ 胡世征，申興忠．紅外熱像技術(shù)在河北電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．激光與紅外，1996，26(2):107 －111．

［2］ 陳衡，侯善敬．電力設(shè)備故障紅外診斷［M］．北京:中國電力出版社，2002．

［3］ DL/T664－2008，帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范［S］．

［4］ Q/HBW14701－2008，電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程［S］．

Application of Infrared Thermal Imagery Technology in Fault Diagnosis of Electrical Equipment

TAO Xia，MU Hui-wen，ZHAO Sheng-hu
(Douhe Power Plant，Tangshan 063028，China)

The paper presents the fault diagnosis principle of electrical equipmenton infrared thermal imagery technology．By practical example，analyzed the scope of application of the fault of infrared diagnosis for the powe equipment and its importanteffect to safe and stable operation for the power system．Italso puts forward infrared thermal technology combining with other warm technology to overcome limitations of the infraved thermal imagery technology，make it play greater action in the power system．

infrared thermccl imagery technology;electrical equipment;facclt diagnosis;application

TM76

B

1004－289X(2013)03－0085－04

2012－05－19

陶霞(1980－)女，河北唐山人，漢族，碩士學(xué)位，工程師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)高壓試驗(yàn)工作。