紅外熱像儀在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

林榮聰 林曦

【摘 要】目前，在電力糸統(tǒng)中，普及使用紅外熱成像技術(shù)，能在早期發(fā)現(xiàn)電力運行設(shè)備隱患及缺陷，為電力部門提前采取相應(yīng)的解決措施提供依據(jù)，能有效的控制運行設(shè)備隱患及缺陷漫延發(fā)展，對提高電力運行設(shè)備的健康水平和供電可靠性有著非常重要的意義，本文就紅外熱成像技術(shù)的使用方法，結(jié)果的判斷提出一些看法。

【關(guān)鍵詞】 紅外熱成像 分析 使用

【中圖分類號】 TN219【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0291-02

一、正常運行的電力設(shè)備，由于電流、電壓的作用，將產(chǎn)生發(fā)熱。這些發(fā)熱的形式是多種多樣的，主要存在下列三種方式：

1、電阻損耗 （電流）：按照焦耳定律，電流通過導(dǎo)體存在的電阻將產(chǎn)生熱能。

2、介質(zhì)損耗（電壓）：電氣絕緣介質(zhì)，由于交變電場的作用，用介質(zhì)極化方向不斷改變而消耗電能并引起發(fā)熱。

3、鐵損：當(dāng)在勵磁回路上施加工作電壓時，由于鐵芯的磁滯、渦流而產(chǎn)生的電能損耗并形成發(fā)熱。

以上三種發(fā)熱形式，在正常運行的設(shè)備中也同樣存在，這時設(shè)備表現(xiàn)為正常的熱分布。若設(shè)備出現(xiàn)異常，這些發(fā)熱機理將加劇或表現(xiàn)異常，則其熱分布圖像也與正常情況不一樣 。

二、電力設(shè)備熱故障分類

1、電氣設(shè)備的外部故障：所謂電力設(shè)備的外部故障，主要是指對外界可以直接觀測到的設(shè)備部位發(fā)生的故障。其中又可以分為兩種類型 ：

（1）、刀匝壓接彈簧接觸不良：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。

（2）、磁絕緣子表面污穢 ：由于表面污穢或機械力作用引起絕緣性能降低造成的過熱故障，如絕緣子劣化或嚴重污穢，引起泄漏電流增大而發(fā)熱。

這類故障以局部過熱的形態(tài)向其周圍輻射紅外線，可以直接暴露在紅外診斷設(shè)備的視場范圍之內(nèi)，其紅外熱像圖顯現(xiàn)出以故障點為中心的熱場分布。所以，檢測和診斷都比較容易，能夠做到直觀且一目了然。

（3）、安裝施工不嚴格，不符合工藝要求。如連接件的接觸表面未除凈氧化層及其它污垢；焊接工藝差；或緊固螺母不到位；末擰緊；或者是末加彈簧墊圈；或者是由于連接件內(nèi)導(dǎo)體不等徑；壓接工藝等原因；

（4）、導(dǎo)線在風(fēng)力舞動下或者外界引起的振動等機械力作用下，以及線路周期性過載及環(huán)境溫度的周期性變化，使部件周期冷縮熱脹，引起連接松馳；

（5）、長期裸露在大氣環(huán)境中工作，因受雨、雪、霧有害氣體及酸、堿、鹽等腐蝕性塵埃的污染和侵蝕，造成接頭表面材料氧化等；

（6）、長期運行引起彈簧墊圈老化等。

2、電氣設(shè)備的內(nèi)部故障：所謂電力設(shè)備的內(nèi)部故障，主要是指封閉在固體絕緣、油絕緣以及設(shè)備殼體內(nèi)部的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的各種故障；故障出現(xiàn)在電氣設(shè)備的內(nèi)部，無法像外部故障那樣能夠從設(shè)備的外部直接檢測出來；根據(jù)各種電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)，依據(jù)傳熱學(xué)理論，分析傳導(dǎo)、對流和輻射三種熱傳遞形式沿不同傳熱路徑的作用（多數(shù)情況下只考慮導(dǎo)與對流），結(jié)合模擬試驗、大量現(xiàn)場檢測實例的統(tǒng)計分析和解體驗證，從電氣設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖，分析判斷與其相關(guān)的內(nèi)部故障。

（1）、內(nèi)部電氣連接不良或觸頭不良故障。如封閉在絕緣盒內(nèi)的發(fā)電機定子線棒接頭焊接不良、各種上高壓電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良、斷路器觸頭不良、高壓電力電纜出現(xiàn)鼻端連接不良等。此類故障的發(fā)熱機制與外部故障相同。

（2）、 介質(zhì)損耗增大故障。各種以油作絕緣介質(zhì)的高壓電氣設(shè)備，一旦出現(xiàn)絕緣介質(zhì)劣化或進水受潮，都會因介質(zhì)損耗增加而發(fā)熱。其發(fā)熱機制屬于電壓效應(yīng)發(fā)熱，發(fā)熱功率可用P=U2wctgδ表示。

（3）、絕緣老化，開裂或脫落故障。許多高壓電氣設(shè)備中的導(dǎo)電體絕緣材料因材質(zhì)不佳或運行中老化，引起局部放電而發(fā)熱；或者因老化、開裂或脫落，引起絕緣性能劣化或進水受潮，這種故障發(fā)熱也屬于電壓效應(yīng)發(fā)熱。

（4）、渦流損耗（鐵損）增大性故障。對于由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、運行不佳和磁回路不正常引起的磁滯、磁飽和與漏磁；或者由于鐵芯片間絕緣破損，造成短路時，均可引起局部發(fā)熱或鐵制箱體發(fā)熱。其發(fā)熱機制為鐵損或渦流損耗發(fā)熱。

（5）、電壓分布不均勻或泄漏電流過大性故障。

（6）、缺油故障。油浸高壓電氣設(shè)備由于漏油而造成油位低下，嚴重者可引起油面放電，并導(dǎo)致表面溫度分布異常。這種熱特征，除放電時引起發(fā)熱外，主要是由于設(shè)備內(nèi)部油面上下介質(zhì)的熱物性不同所致。

（7）、過負荷或電壓變化過大、單相運行等引起的故障，或者冷卻系統(tǒng)設(shè)計不合理與堵塞、散熱條件差等引起的故障。

三、紅外檢測專業(yè)術(shù)語

溫升 ：被測設(shè)備表面溫度和環(huán)境溫度參照體表面溫度之差（兩個對應(yīng)測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數(shù)）。

溫差 ：不同被測設(shè)備或同一被測設(shè)備不同部位之間的溫度差。

環(huán)境溫度參照體 ： 用來采集環(huán)境溫度的物體。它不一定具有當(dāng)時的真實環(huán)境溫度，但具有與被檢測設(shè)備相似的物理屬性，并與被測檢測設(shè)備處于相似的環(huán)境之中。

1、電壓致熱型設(shè)備：由于電壓效應(yīng)引起發(fā)熱的設(shè)備。

2、電流致熱型設(shè)備：由于電流效應(yīng)引起發(fā)熱的設(shè)備。

3、綜合致熱型設(shè)備：即有電壓效應(yīng)，又有電流效應(yīng)，或者電磁效應(yīng)引起發(fā)熱的設(shè)備。

四、一般檢測的要求

1、被檢設(shè)備是帶電運行設(shè)備，應(yīng)盡量避開視線中的封閉遮擋物，如門或蓋板；

2、環(huán)境溫度一般不低于5℃，相對濕度一般不大于85%；天氣以陰天、多云為宜，夜間圖像質(zhì)量為佳；不應(yīng)在雷、雨、霧、雪等氣象條件下進行，檢測時風(fēng)速一般不大于5m/s。

3、戶外晴天要避開陽光直接照射或反射進入儀器鏡頭，在室內(nèi)或晚上檢測應(yīng)避開燈光的直射，宜閉燈檢測。

4、檢測電流致熱型設(shè)備，最好在高峰負荷狀態(tài)下進行。否則，一般應(yīng)在不低于30%的額定負荷下進行，同時應(yīng)充分考慮小負荷電流對測試結(jié)果的影響。

五、精確檢測要求

除滿足一般檢測的環(huán)境要求下，還滿足以下的要求

1、風(fēng)速一般不大于0.5m/s；

2、設(shè)備通電時間不小于6h，最好在24h以上；

3、檢測期間天氣為陰天、夜間或晴天日落后2h后；

4、被檢測設(shè)備周圍應(yīng)具有均衡的背景輻射，應(yīng)盡量避開附近熱輻射源的干擾，某些設(shè)備被檢測時還應(yīng)避開人體熱源等的紅外輻射；

5、避開強電磁場，防止強電磁場影響紅外熱像儀的正常工作。

六、檢測儀器的要求

1、便攜式紅外熱像儀：能滿足精確檢測的要求，測量精度和測溫范圍滿足現(xiàn)場測試要求，性能指標較高，具有較高的溫度分辨率及空間分辨率，具有大氣條件的修正模型，操作簡便，圖像清晰、溫度，有目鏡取景器，分析軟件功能豐富。

2、手持（槍）式紅外熱像儀：能滿足一般檢測的要求，有最高點溫度自動跟蹤，采用LCD顯示屏，可無取景器，操作簡單，儀器輕便，圖像比較清晰、穩(wěn)定。

3、線路適用型紅外熱像儀：滿足紅外熱像儀的基本功能要求，配備有中、長焦距鏡頭，空間分辨率達到使用要求（當(dāng)采用飛機巡線檢測時，紅外熱像儀應(yīng)具備普通寬視野鏡頭和遠距離窄視野鏡頭，并且可由檢測人員根據(jù)要求方便切換）。

4、在線型熱像儀：將熱像探頭固定在被檢測設(shè)備附近，進行在線測試，并將信號反饋到主控系統(tǒng)。要求有外部供電接口，連續(xù)穩(wěn)定工作時間長，并能滿足全天候的環(huán)境使用條件，其信號和接口可根據(jù)系統(tǒng)要求定制。

七、現(xiàn)場操作方法

一般檢測

1、儀器在開機后需進行內(nèi)部溫度校準，待圖像溫度后即可開始開始工作。

2、一般先遠距離對所用被測設(shè)備進行全面掃描，發(fā)現(xiàn)有異常后，再有針對性地近距離對異常部位和重點被測設(shè)備進行準確檢測。

3、儀器的色標溫度量程設(shè)置在環(huán)境溫度加10K-20K左右的溫升范圍。

4、有偽彩色顯示功能的儀器，宜選擇彩色顯示方式，調(diào)節(jié)圖像使其具有清晰的溫度層次顯示，并結(jié)合數(shù)值手段，如熱點跟蹤、區(qū)域溫度跟蹤等手段進行檢查。

5、應(yīng)充分利用儀器的有關(guān)功能，如圖像平均、自動跟蹤等，以達到最佳檢測效果。

6、環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時，應(yīng)對儀器重新進行內(nèi)部溫度校準，校準方法按儀器的說明書進行。

7、作為一般檢測，被測設(shè)備的輻射率一般取0.9左右。

精確檢測

1、檢測溫升所用的環(huán)境溫度參照體應(yīng)盡可能選擇與被測設(shè)備類似的物體，且最好能在同一方向或同一視場中選擇。

2、在安全距離允許的條件下，紅外儀器宜盡量靠近被測設(shè)備，使被測設(shè)備（或目標）盡量充滿整個儀器的視場，以提高儀器對被測設(shè)備表面細節(jié)的分辨能力及測溫準確度，必要時，可使用中、長焦距鏡頭。線路檢測一般需使用中、長度焦距鏡頭。

3、為了準確測溫或方便跟蹤，應(yīng)事先設(shè)定幾個不同角度的方向和角度，確定最佳檢測位置，并可做上標記，以供今后的復(fù)測用，提高互比性和工作效率。

4、正確選擇被測設(shè)備的輻射率，特別要考慮金屬材料表面氧化對選取輻射率的影響。

5、將大氣溫度、相對濕度、測量距離等補償參數(shù)輸入，進行必要修正，并選擇適當(dāng)?shù)臏y溫范圍。

6、記錄被檢設(shè)備的實際負荷電流、額定電流、運行電壓，被檢物體溫度及環(huán)境參照體的溫度值。

八、紅外檢測周期

檢測周期應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備在電力系統(tǒng)中的作用及重要性，并參照設(shè)備的電壓等級、負荷電流、投運時間、設(shè)備狀況等決定。電氣設(shè)備紅外檢測管理及檢測原始記錄。

變（配）電設(shè)備的檢測：

戶外電壓致熱型設(shè)備：必須在晴朗的夜晚，風(fēng)力小于三級時進行紅外拍攝。

戶內(nèi)電壓致熱型設(shè)備：可全天候進行紅外拍攝。

1、正常運行變（配）電設(shè)備的檢測應(yīng)遵循檢測和預(yù)試前普測、高溫高負荷等情況下的特殊巡測相結(jié)合的原則。一般220kV及以上的交（直）流變電站每年不少于兩次，其中一次可在大負荷前，另一次可在停電檢修及預(yù)試前，以便使查出的缺陷在檢修中能夠得到及時處理，避免重復(fù)停電。

2、110kV及以下重要變（配）電站每年檢測一次。

3、對于運行環(huán)境差、陳舊或有缺陷的設(shè)備，大負荷運行期間、系統(tǒng)運行方式改變且設(shè)備負荷突然增加等情況下，需對電氣設(shè)備增加檢測次數(shù)。

4、新建、改擴建或大修后的電氣設(shè)備，應(yīng)在投運待負荷后不超過1個月內(nèi)（但至少在24h以后）進行一次檢測，并建議對變壓器、斷路器、套管、避雷器、電壓互感器、電流互感器、電纜終端等進行精確檢測，對原始數(shù)據(jù)及圖像進行存檔。

5、建議每年對330kV及以上變壓器、套管、避雷器、電容式電壓互感器、電流互感器、電纜頭等電壓致熱型設(shè)備進行一次精確檢測，做好記錄，必要時將測試數(shù)據(jù)及圖像存入紅外數(shù)據(jù)庫，進行動態(tài)管理。有條件的單位可開展220kV及以下設(shè)備的精確檢測并建立圖庫。

輸電線路的檢測：

在無風(fēng)或微風(fēng)的非雨天進行紅外拍攝。

1、輸電線路的檢測一般在大負荷前進行。對正常運行的500KV及以上架空線路和重要的220（330）KV架空線路接續(xù)金具，每年宜檢測一次；110KV線路和其他的220（330）KV線路，可每兩年進行一次。

2、新投產(chǎn)和做相關(guān)大修后的線路，應(yīng)在投運帶負荷后不超過1個月內(nèi)（但至少24h以后）進行一次檢測。

3、對于線路上的瓷絕緣子及合成絕緣子，有條件和經(jīng)驗的也可進行檢測。

4、對正常運行的電纜線路設(shè)備，主要是電纜終端，110KV及以上電纜每年不少于兩次；35KV及以下電纜每年至少一次。

5、對重負荷線路，運行環(huán)境差時應(yīng)設(shè)當(dāng)縮短檢測周期；重大事件、重大節(jié)日、重要負荷以及設(shè)備負荷突然增加特殊情況應(yīng)增加檢測次數(shù)。

九、判斷方法

1、表面溫度判斷法：主要適用于電流致熱型和電磁效應(yīng)引起發(fā)熱的設(shè)備。根據(jù)側(cè)得的設(shè)備表面溫度值，對照GB/T 11022中高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備各種部件、材料及絕緣介質(zhì)的溫度和溫升極限的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合環(huán)境氣候條件、負荷大小進行分析判斷。

2、同類比較判斷法：根據(jù)同組三相設(shè)備、同相設(shè)備之間及同類設(shè)備之間對應(yīng)部位的溫差進行比較分析。對于電壓致熱型設(shè)備，應(yīng)結(jié)合本標準的3條進行判斷；對于電流致熱型設(shè)備，應(yīng)結(jié)合本標準的4條進行判斷。

3、圖像特征判斷法：主要適用于電壓致熱型設(shè)備。根據(jù)同類設(shè)備的正常狀態(tài)和異常設(shè)備的熱像圖，判斷設(shè)備是否正常。注意應(yīng)盡量排除各種干擾因素對圖像的影響，必要時結(jié)合電氣試驗或化學(xué)分析的結(jié)果，進行綜合判斷。

4、相對溫差判斷法： 主要適用于電流致熱型設(shè)備。特別是對小負荷電流致熱型設(shè)備，采用相對溫差判斷法可降低負荷缺陷的漏判率。

5、檔案分析判斷法：分析同一設(shè)備不同時期的溫度場分布，找出設(shè)備致熱參數(shù)的變化，判斷設(shè)備是否正常。

6、實時分析判斷法 ：在一段時間內(nèi)使用紅外熱像儀連續(xù)檢測某被測設(shè)備，觀察設(shè)備溫度隨負載、時間等因素變化的方法。

十、缺陷類型的確定及處理方法

1、一般缺陷：指設(shè)備存在過熱，有一定溫差，溫度場有一定梯度，但還不會馬上引起事故，一般要求記錄在案，注意觀察其缺陷的發(fā)展，利用停電檢修機會，有計劃的安排試驗檢修消除缺陷（溫差不超過15K，未達到嚴重缺陷的要求）。

2、重要缺陷：指設(shè)備存在過熱，程度較重，溫度場分布梯度較大，溫差較大，應(yīng)盡快安排處理。電流致熱的設(shè)備應(yīng)視情況降低負荷電流，電壓致熱的設(shè)備應(yīng)安排其它測試手段，確認缺陷性質(zhì)后，立即消缺（熱點溫度>80℃或δ≥80%）。

3、緊急缺陷（危急）：指設(shè)備最高溫度超過GB/T11022規(guī)定的最高允許溫度，應(yīng)立即安排處理。電流致熱的設(shè)備應(yīng)立即緊急降低負荷電流或立即消缺，電壓致熱的設(shè)備應(yīng)立即安排其他試驗手段，確定缺陷性質(zhì)，立即消缺（熱點溫度>110℃或δ≥95%）。

在電力糸統(tǒng)中，普及使用紅外熱成像技術(shù)，能在早期發(fā)現(xiàn)電力運行設(shè)備隱患及缺陷，為電力部門提前采取相應(yīng)的解決措施提供依據(jù)，能有效的控制運行設(shè)備隱患及缺陷漫延發(fā)展，對提高電力運行設(shè)備的健康水平和供電可靠性有著非常重要的意義。