紅外測溫技術(shù)在耦合電容器故障判斷中的應(yīng)用

吳毅，劉涵，王沾

(1.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410004 2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

1 引言

在電力系統(tǒng)中許多重大事故都是由于電力設(shè)備的局部潛伏性缺陷逐步發(fā)展所致，電力設(shè)備的紅外測溫技術(shù)作為一項簡便、快捷的設(shè)備狀態(tài)在線檢測技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離、不接觸、準(zhǔn)確、實時和快速等特點，能在不停電、不取樣及不解體的情況下快速實時地在線監(jiān)測和診斷電力設(shè)備的大多數(shù)缺陷，及早地發(fā)現(xiàn)和排除事故隱患，在各種電力設(shè)備故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。自國網(wǎng)電力設(shè)備狀態(tài)檢修深化開展以來，湖南省電力公司超高壓管理局進一步加強對所維護變電設(shè)備的紅外檢測管理，進行大量的巡檢工作，發(fā)現(xiàn)并處理了眾多設(shè)備缺陷，對保障電力設(shè)備安全運行和推進檢修制度改革具有重要作用，并且已經(jīng)取得了重大的成果。

2 紅外測溫成像技術(shù)的應(yīng)用

紅外測溫成像技術(shù)是利用紅外探測技術(shù)獲取所要檢測設(shè)備紅外輻射狀態(tài)的熱信息，然后轉(zhuǎn)換成溫度進行顯示的技術(shù)，它能測量物體表面上某點周圍確定面積的平均溫度。物體的紅外輻射通過大氣傳輸?shù)郊t外測溫儀，測溫儀中的光學(xué)系統(tǒng)將設(shè)備輻射的能量匯聚到探測器上，探測器將人射的輻射轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過信號處理后顯示出來。

圖1 紅外測溫系統(tǒng)的組成

利用紅外熱成像技術(shù)通過對電力設(shè)備表面溫度及其分布的測試、分析和判斷，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運行中的異常和缺陷，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在故障，做到早期預(yù)防。應(yīng)用紅外測溫成像技術(shù)可在遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、不取樣、不解體的情況下檢測出設(shè)備故障引起的異常。

紅外測溫成像技術(shù)可以用于所有電力設(shè)備的局部過熱測試，對于有些設(shè)備，在其內(nèi)部沒有局部較熱的部分，如耦合電容器、電容式電壓互感器、避雷器等設(shè)備，整個產(chǎn)品內(nèi)部熱場均勻分布，如果局部發(fā)熱，很容易通過紅外測溫成像技術(shù)檢出。而耦合電容器，耦合電容部分以磁套為封裝容器，在正常狀態(tài)下，因介質(zhì)損耗發(fā)熱的表面熱像特征是一個具有軸對稱性的整體發(fā)熱熱像圖，溫度最高點接近頂部附近，往下遞減。

3 紅外測溫診斷實例

3.1 缺陷的發(fā)現(xiàn)

2011年7月14日湖南超高壓管理局技術(shù)監(jiān)督分局紅外小組在500kV民豐變電站的例檢工作中發(fā)現(xiàn)了220kV設(shè)備區(qū)626B相耦合電容器的紅外熱像異常，紅外圖像表現(xiàn)為:B相耦合電容器的上節(jié)整體溫度偏高，如圖2所示。該上節(jié)耦合電容器的型號為OWF110/√3－0.01H，西安電力電容器廠制造，1995年6月24日出廠，額定電容量為10127pF。

圖2 626耦合電容器的紅外成像圖(左一為B相)

如圖2所示，626B相耦合電容器的上節(jié)熱點溫度T1為35℃，正常相溫度T2為28.2℃，環(huán)境參照體溫度T0為27.0℃。按照《DL/T664－2008帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中規(guī)定，溫差△T=T1－T2=6.8K，相對溫差，該缺陷類型為電壓致熱型設(shè)備缺陷，缺陷性質(zhì)為嚴(yán)重缺陷，且為設(shè)備內(nèi)部缺陷。

3.2 缺陷的初步分析判斷

耦合電容器耦合電容部分以磁套為封裝容器，在正常狀態(tài)下，因介質(zhì)損耗發(fā)熱的表面熱像特征是一個具有軸對稱性的整體發(fā)熱熱像圖，溫度最高點接近頂部附近，往下遞減。根據(jù)現(xiàn)場運行和診斷實踐統(tǒng)計，耦合電容器的常見故障，除連接不良等外部故障以外，內(nèi)部故障缺陷主要包括受潮、絕緣老化、絕緣支架放電、缺油、內(nèi)部元件擊穿等幾種類型。

(1)受潮

受潮是耦合電容器發(fā)生率較高的基本故障，因制造質(zhì)量不良或安裝工藝不佳，引起起密封不嚴(yán)或密封件老化，造成內(nèi)部受潮，在吸收水分后鐵件生銹。絕緣材料介質(zhì)損耗增大，而且受潮發(fā)熱后，絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗還會進一步增大，介質(zhì)老化，耐壓強度大幅度下降，造成局部或整體放電擊穿等事故。受潮的熱像以整體發(fā)熱為主，且表面溫升高于正常運行時的溫升。

(2)絕緣老化

耦合電容器運行多年后，長期耐壓可導(dǎo)致絕緣介質(zhì)(如油、紙、膜等)性能劣化。絕緣介質(zhì)損耗及發(fā)熱量增加，通常絕緣油老化還會伴隨有氣體產(chǎn)生，引起內(nèi)部發(fā)生局部放電，還可以造成酸性增加，并與某些金屬形成鹽類，進一步導(dǎo)致值增大。絕緣老化的熱像與受潮時的熱像類似。

(3)絕緣支架放電

耦合電容器內(nèi)部一般使用絕緣支撐桿。由于與絕緣介質(zhì)之間的介電常數(shù)不一致，如果材質(zhì)不好，支架沿面就容易在場強集中處發(fā)生局部電腐蝕，繼而擴大缺陷，產(chǎn)生大面積炭化溝道。支架故障可能伴隨有局部發(fā)熱的熱像特征。

(4)缺油

當(dāng)電容型電壓互感器底部密封結(jié)構(gòu)不良時，會引起漏油。當(dāng)漏油較多，油位過低，產(chǎn)生電容芯子浸油不良時，則會因電容極板間或端面出現(xiàn)氣隙而發(fā)生放電，嚴(yán)重時可以造成局部元件擊穿或其它事故。缺油故障一般會呈現(xiàn)一個以油位面為分界線的冷熱分明的熱像圖。

(5)內(nèi)部元件擊穿

內(nèi)部由多個元件電容串聯(lián)的耦合電容器，如果發(fā)生元件擊穿，總電容量增大，從而引起總電容電流的增大，發(fā)熱量也隨之增加。此類故障的熱像一般特征是溫度最高點接近頂部附近，往下遞減。

根據(jù)以上的分析，結(jié)合626B相耦合電容器的實際紅外成像，我們初步判斷該設(shè)備的內(nèi)部缺陷故障為受潮或絕緣老化的可能性較大。

3.3 試驗數(shù)據(jù)的比較分析

626B相耦合電容器自1997年12月至2011年7月對該設(shè)備共進行了12次試驗檢測，距紅外測溫發(fā)現(xiàn)缺陷前1次試驗是2008年2月28日，最后一次是發(fā)現(xiàn)缺陷后進行的檢查性試驗數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)較多，對該設(shè)備的上節(jié)部分從中抽取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進行比較，具體數(shù)據(jù)見表1:

表1 626B相上節(jié)耦合電容器試驗數(shù)據(jù)

從表1中數(shù)據(jù)可知，該上節(jié)耦合電容器在發(fā)現(xiàn)缺陷前的歷次試驗中，絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ和電容量C的試驗結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)程要求(按《國家電網(wǎng)輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》和《湖南省電力公司輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對于電容量的初值差不超過±5%(警示值)，油浸紙類的介質(zhì)損耗因數(shù)不大于0.5%(注意值))，并且從歷次的試驗數(shù)據(jù)來看，各項數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定。在發(fā)現(xiàn)缺陷后進行的檢查性試驗中，絕緣明顯降低，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ明顯增大，且超出了相關(guān)規(guī)程規(guī)定。據(jù)國內(nèi)外研究表明，對于以介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ為控制標(biāo)準(zhǔn)的耦合電容器而言，可以通過模擬實驗方法標(biāo)定表面溫升與值之間的關(guān)系。模擬實驗結(jié)果表明，在5m標(biāo)準(zhǔn)距離上用紅外熱像儀測出的耦合電容器表面溫升近似滿足下列關(guān)系:

式中:Δθ—耦合電容器瓷套表面溫升(℃);

ρ—耦合電容器芯體發(fā)熱功率(W)。

對應(yīng)目前的紅外測溫數(shù)據(jù)，耦合電容器的內(nèi)部故障應(yīng)進行進一步的分析研究。

3.4 設(shè)備解剖分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，技術(shù)監(jiān)督分局組織人員于2011年7月26日在試驗大廳對該缺陷上節(jié)耦合電容器進行了解體檢查，解體過程中，發(fā)現(xiàn)并記錄了以下現(xiàn)象:

(1)開耦合電容器的上端法蘭后發(fā)現(xiàn)，法蘭中心處的密封塑料墊圈殘缺傾斜，且與密封面沒有很好的接觸，密封不嚴(yán)，如圖3所示。取出耦合電容器內(nèi)部的12個串接的膨脹器后，發(fā)現(xiàn)位于從上往下順數(shù)第三、四各膨脹器的邊緣有明顯的結(jié)塊鐵銹，如圖4所示，緊貼在最末膨脹器的絕緣紙片上出現(xiàn)明顯的銹跡，如圖5所示。初步判斷耦合電容器由上端法蘭中心處吸收水分而導(dǎo)致電容器內(nèi)部受潮。

圖3 密封塑料墊圈圖

圖4 邊緣銹化的膨脹器

(2)進一步打開耦合電容器進行檢查，電容分壓器部分共有92只電容元件串聯(lián)組成，且對經(jīng)過處理后的單個電容單元進行逐一試驗，試驗數(shù)據(jù)都在合格范圍內(nèi)。在耦合電容器的下端法蘭，即支架的底座處，沉淀著厚實明顯的銹垢，如圖6(圖7正常耦合電容器的支架底座)。而在倒出的絕緣油中，在油下層發(fā)現(xiàn)明顯的水層，如圖8所示。

圖5 銹跡的絕緣紙片

圖6 支架的底座的銹垢

圖7 正常的支架底座

圖8 油下層的水層

3.5 發(fā)熱原因分析

綜合上述分析，我們認(rèn)為造成此耦合電容器內(nèi)部整體發(fā)熱缺陷的原因是耦合電容器上端法蘭中心處的密封塑料墊圈松動，密封面殘缺，密封不嚴(yán)，從而在此吸收水分而導(dǎo)致內(nèi)部受潮，內(nèi)部容易吸潮的元件和絕緣介質(zhì)吸收水分后，鐵件生銹。絕緣材料介質(zhì)損耗增大，而且受潮發(fā)熱后，絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗還會進一步增大，或?qū)е码妷悍植甲兓橘|(zhì)老化，耐壓強度大幅度下降，造成整體發(fā)熱為主的紅外特征表象。

4 結(jié)語

紅外測溫檢測技術(shù)是一項十分有效、重要的帶電檢測試驗方法，具有非接觸、不停電、簡便、直觀、靈敏度高等優(yōu)點，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大面積的快速掃描和成像，提高了工作效率，使工作人員能及早發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備外部過熱故障和內(nèi)部絕緣故障，確保超高壓電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運行。因此，積極發(fā)展電網(wǎng)設(shè)備故障紅外測溫技術(shù)，對于實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢修有十分重要的意義。

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

［2］湯蘊哲.紅外測溫診斷技術(shù)的應(yīng)用［J］.上海電力，2008，21(1):96－98.

［3］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，1998.