紅外檢測技術(shù)在輸變電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

張勇++王建民++閆麗婷

摘要：當(dāng)前，紅外檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并為設(shè)備故障的檢測和判斷提供了可靠的依據(jù)，通過預(yù)知檢修，減少了事故的發(fā)生，提升了設(shè)備的運(yùn)行水平。通過分析紅外檢測的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了紅外檢測技術(shù)在輸變電設(shè)備故障診斷中的一些具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：紅外檢測；輸變電設(shè)備；故障診斷；SF6氣體

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－6835（2014）08－0001－03

隨著電壓等級(jí)的不斷升高，電氣設(shè)備也在不斷地更新?lián)Q代，但由設(shè)備發(fā)熱、漏氣等問題引起的故障還是時(shí)有發(fā)生。紅外檢測技術(shù)在故障檢測中具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體等特征，又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)，它能夠有效地監(jiān)測和診斷電力設(shè)備中的發(fā)熱和漏氣問題，并對電氣設(shè)備的早期故障和絕緣性能作出準(zhǔn)確的預(yù)測，便于檢修人員及時(shí)采取合理、可靠的處理措施，減少設(shè)備因過熱或漏氣問題而造成停電事故，保證了輸變電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1紅外測溫儀在輸變電設(shè)備中的應(yīng)用

1.1電氣設(shè)備的主要發(fā)熱來源

電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于電流、電壓的作用，主要有以下4種發(fā)熱來源：①電阻損耗發(fā)熱。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)載流設(shè)備存在一定的電阻，當(dāng)電流通過載流設(shè)備（電阻）時(shí)將產(chǎn)生熱能。電阻損耗的發(fā)熱功率與負(fù)荷電流平方成正比，與系統(tǒng)運(yùn)行電壓無關(guān)，這種發(fā)熱為電流致熱。②介質(zhì)損耗發(fā)熱。電氣絕緣介質(zhì)由于交變電場的作用，使介質(zhì)的極化方向不斷改變而消耗電能，并引起發(fā)熱，這種發(fā)熱為電壓致熱。③鐵損致熱。當(dāng)在勵(lì)磁回路上施加工作電壓時(shí)，由于鐵心的磁滯、渦流而產(chǎn)生電能損耗并引起發(fā)熱。④電流分布異常和泄漏電流增大故障。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，避雷器和輸電線路絕緣子等高壓電氣設(shè)備會(huì)存在一定的電壓分布和泄漏電流，當(dāng)它們的主要設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，分布電壓和泄漏電流的大小會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致設(shè)備表面溫度場分布異常。

1.2紅外測溫儀的工作原理

輸變電設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，但是隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加和負(fù)載的不平衡，某些接點(diǎn)的生銹、腐蝕、接觸不良會(huì)造成接觸電阻增加、電流過大等問題，并導(dǎo)致系統(tǒng)、設(shè)備、線路的熱態(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。

紅外熱像儀的測溫原理是：紅外熱像儀的物鏡能夠接收電力設(shè)備表面所輻射的紅外線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚，把接收的紅外能落在系統(tǒng)的焦點(diǎn)上，即紅外探測器焦平面上，經(jīng)探測器的光電轉(zhuǎn)換，將電力設(shè)備的紅外能轉(zhuǎn)變成電能，再經(jīng)一系列的電信號(hào)處理，在熱像儀的取景器上得到一幅所測電力設(shè)備的熱圖像。通過直觀的熱圖像找出圖像中溫度異常點(diǎn)，測出其溫度值。紅外熱像儀就是利用電力系統(tǒng)的這一特性，測定電力設(shè)備表面的溫度分布場及其變化情況，實(shí)現(xiàn)無接觸測溫。通過成像檢測能夠找出電力設(shè)備中可能存在的熱狀態(tài)異常和潛在的故障點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和線路的故障診斷。

1.3發(fā)熱故障類型及應(yīng)用案例

電氣設(shè)備的故障按紅外診斷可分為外部故障和內(nèi)部故障。

1.3.1電氣設(shè)備的外部故障

電氣設(shè)備的外部接頭故障主要有：①因設(shè)計(jì)不合理、材質(zhì)加工和安裝工藝不良、機(jī)械振動(dòng)造成的連接松弛；②由污染、腐蝕、老化等原因引起的電氣引流裸露和接頭接觸不良等問題，造成了高壓設(shè)備線路中隔離開關(guān)觸頭、線夾、鋁排壓接處等發(fā)生過熱故障。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例：①2010-02-26，500 kV某變電站在夜間測溫巡視中發(fā)現(xiàn)35 kV21號(hào)電抗器3024-3隔離開關(guān)C相刀閘發(fā)熱，溫度為128 ℃，如圖1所示。隨后檢修人員對隔離開關(guān)進(jìn)行接觸電阻測量，發(fā)現(xiàn)C相接觸電阻為249.0 μΩ，超出了運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的范圍（運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)：≤120 μΩ），然后對刀閘觸頭、觸指進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)觸頭、觸指均有不同程度的灼傷，如圖2所示。經(jīng)過現(xiàn)場解體處理更換觸指和清理觸頭表面的氧化物和污穢物后，對其重新進(jìn)行調(diào)整檢查。經(jīng)測試，隔離開關(guān)接觸電阻為79.2 μΩ，符合運(yùn)行要求，且運(yùn)行跟蹤測溫?cái)?shù)據(jù)正常。②2011-04-13晚，某站對站內(nèi)35 kV設(shè)備進(jìn)行紅外測溫時(shí)發(fā)現(xiàn)，12號(hào)電容器B相頂部的中性線中段鋁排壓接處（絕緣包封）發(fā)熱，溫度最高達(dá)90.4 ℃，其余A相和C相的溫度分別為43 ℃、46 ℃。測溫時(shí)的環(huán)境溫度為23 ℃，經(jīng)停電檢查，發(fā)現(xiàn)是由壓接處連接螺栓松動(dòng)所造成的。紅外成像和發(fā)熱點(diǎn)如圖3和圖4所示。

圖1隔離開關(guān)觸頭紅外測溫成像圖 圖2隔離開關(guān)觸頭灼傷

圖3鋁排壓接處紅外測溫成像圖 圖4鋁排壓接處

以天眼4D陀螺穩(wěn)定光電檢測系統(tǒng)為例，我公司在直升機(jī)巡線工作中，利用直升機(jī)平臺(tái)搭載天眼4D陀螺穩(wěn)定光電檢測系統(tǒng)的紅外成像功能對超高壓線路上的導(dǎo)線接續(xù)管、耐張管、跳線線夾、導(dǎo)地線線夾、金具、絕緣子等進(jìn)行拍攝、測溫，并分析所得數(shù)據(jù)，判斷其是否正常，如圖5所示。2011-06-19，直升機(jī)在巡線工作中發(fā)現(xiàn)500 kV某線路16號(hào)中相小號(hào)側(cè)第4子導(dǎo)線引流線線夾發(fā)熱，4子導(dǎo)線線夾溫度達(dá)59.3 ℃，導(dǎo)線溫度為30.1 ℃，相對導(dǎo)線升溫29.2 ℃。此外，還發(fā)現(xiàn)耐張塔引流線夾螺栓松動(dòng)，通過帶電作業(yè)對螺栓緊固后恢復(fù)正常。紅外成像及發(fā)熱點(diǎn)如圖6和圖7所示。

圖5直升機(jī)平臺(tái)搭載天眼4D陀螺穩(wěn)定光電檢測系統(tǒng)

圖6線夾發(fā)熱紅外測溫成像圖圖7線夾發(fā)熱點(diǎn)

1.3.2絕緣強(qiáng)度降低

由于表面污穢或機(jī)械力作用造成的絕緣性能降低也會(huì)引起過熱故障，例如絕緣子裂紋、劣化或嚴(yán)重污穢，會(huì)引起泄漏電流增大而造成發(fā)熱故障。這類缺陷如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，有可能會(huì)造成斷線和局部燒毀，甚至?xí)斐蓯盒栽O(shè)備事故。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例，使用同類比較法對設(shè)備進(jìn)行檢查，具體步驟為：①將測溫儀調(diào)整至合適的發(fā)射率，測得設(shè)備的溫度T；②以此溫度為基準(zhǔn)，尋找同類設(shè)備，可以選擇同組三相設(shè)備，也可以選擇同相設(shè)備；③對比同類設(shè)備后，得到溫差ΔT；④記錄測溫參數(shù)，進(jìn)行分析。在巡視檢查中發(fā)現(xiàn)一只避雷器與其他避雷器的測溫圖譜有明顯差異，其上節(jié)瓷瓶頂端T1＝16.3 ℃，下節(jié)瓷瓶頂端T2＝13.3 ℃，ΔT＝3 ℃，如圖8所示，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡觀察發(fā)現(xiàn)，此差異是由該處的細(xì)小裂紋所引起的。

圖8頂端絕緣瓷瓶發(fā)熱

1.3.3電氣設(shè)備的內(nèi)部故障

電氣設(shè)備的內(nèi)部故障是指封閉在固體絕緣、油絕緣和設(shè)備殼體內(nèi)部的電氣回路故障和由絕緣介質(zhì)劣化引起的故障。由于內(nèi)部故障的故障點(diǎn)密封在絕緣材料或金屬外殼內(nèi)，而紅外線的穿透能力又比較弱，不能穿透絕緣材料和設(shè)備外殼，所以無法直接用紅外熱成像裝置檢測內(nèi)部熱缺陷。內(nèi)部熱的發(fā)熱時(shí)間一般都比較長，故障點(diǎn)的熱量可以通過熱傳導(dǎo)和對流轉(zhuǎn)換與故障點(diǎn)周圍的導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，從而引起這些部位的溫度升高，特別是與電氣連接的導(dǎo)體也會(huì)有顯著的溫升。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例，利用等溫線比較法對設(shè)備溫度進(jìn)行檢測。將測溫儀調(diào)整至合適的發(fā)射率，測得設(shè)備的溫度T，以此溫度為基準(zhǔn)，調(diào)整范圍選項(xiàng)，上限為T＋5K，下限為T－5K.也可根據(jù)不同設(shè)備溫升的不同，減小上下限的溫度值，得到設(shè)備等溫線，以初步判斷發(fā)熱性質(zhì)。500 kV主變底部漏磁等溫線圖如圖9所示。從圖9中可以清楚看到，在主變底部，由周圍輻射熱源形成的橘黃、淡紫、紫色的等溫線，這可能是由于變壓器內(nèi)部輕微漏磁而引起設(shè)備發(fā)熱所形成的。

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內(nèi)的油位高低，也可用紅外熱像儀進(jìn)行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時(shí)也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設(shè)備中的應(yīng)用

2.1SF6充氣設(shè)備泄露處理現(xiàn)狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于各類高壓電氣設(shè)備中充當(dāng)絕緣介質(zhì)。SF6氣體無色無味，發(fā)生泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，目前對SF6充氣設(shè)備內(nèi)壓力變化的監(jiān)視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報(bào)警，說明設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點(diǎn)并進(jìn)行補(bǔ)氣，否則將嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。如果僅采用“漏-補(bǔ)”的方式，將會(huì)導(dǎo)致缺陷難以根除，給電網(wǎng)的運(yùn)行留下極大的安全隱患。使用常規(guī)的檢漏儀器，例如定點(diǎn)檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點(diǎn)，如果設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，有些部位是無法進(jìn)行檢測的，一般都需要停電再進(jìn)行全面檢查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優(yōu)勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應(yīng)頻率的紅外光能量的性質(zhì)，氣體吸收紅外光最強(qiáng)的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個(gè)以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進(jìn)的高靈敏度量子阱探測器，配合先進(jìn)的電子及圖像處理技術(shù)，被動(dòng)感應(yīng)10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強(qiáng)的特點(diǎn)成像，不需要任何特定的背景，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測SF6氣體泄漏點(diǎn)，并即時(shí)形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優(yōu)勢有：①遠(yuǎn)距離進(jìn)行紅外檢漏，避免人與設(shè)備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設(shè)備整體掃描、一次性成像的特點(diǎn)對多漏電點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.001 mL/s，即當(dāng)漏點(diǎn)的泄漏率達(dá)到0.001 mL/s時(shí)就可以檢出漏點(diǎn)；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，大大減少了檢測人員的工作強(qiáng)度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應(yīng)用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動(dòng)的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設(shè)備刀閘與開關(guān)死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點(diǎn)附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動(dòng)現(xiàn)象明顯。

圖11刀閘與開關(guān)死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內(nèi)的油位高低，也可用紅外熱像儀進(jìn)行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時(shí)也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設(shè)備中的應(yīng)用

2.1SF6充氣設(shè)備泄露處理現(xiàn)狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于各類高壓電氣設(shè)備中充當(dāng)絕緣介質(zhì)。SF6氣體無色無味，發(fā)生泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，目前對SF6充氣設(shè)備內(nèi)壓力變化的監(jiān)視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報(bào)警，說明設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點(diǎn)并進(jìn)行補(bǔ)氣，否則將嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。如果僅采用“漏-補(bǔ)”的方式，將會(huì)導(dǎo)致缺陷難以根除，給電網(wǎng)的運(yùn)行留下極大的安全隱患。使用常規(guī)的檢漏儀器，例如定點(diǎn)檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點(diǎn)，如果設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，有些部位是無法進(jìn)行檢測的，一般都需要停電再進(jìn)行全面檢查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優(yōu)勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應(yīng)頻率的紅外光能量的性質(zhì)，氣體吸收紅外光最強(qiáng)的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個(gè)以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進(jìn)的高靈敏度量子阱探測器，配合先進(jìn)的電子及圖像處理技術(shù)，被動(dòng)感應(yīng)10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強(qiáng)的特點(diǎn)成像，不需要任何特定的背景，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測SF6氣體泄漏點(diǎn)，并即時(shí)形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優(yōu)勢有：①遠(yuǎn)距離進(jìn)行紅外檢漏，避免人與設(shè)備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設(shè)備整體掃描、一次性成像的特點(diǎn)對多漏電點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.001 mL/s，即當(dāng)漏點(diǎn)的泄漏率達(dá)到0.001 mL/s時(shí)就可以檢出漏點(diǎn)；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，大大減少了檢測人員的工作強(qiáng)度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應(yīng)用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動(dòng)的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設(shè)備刀閘與開關(guān)死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點(diǎn)附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動(dòng)現(xiàn)象明顯。

圖11刀閘與開關(guān)死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內(nèi)的油位高低，也可用紅外熱像儀進(jìn)行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時(shí)也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設(shè)備中的應(yīng)用

2.1SF6充氣設(shè)備泄露處理現(xiàn)狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于各類高壓電氣設(shè)備中充當(dāng)絕緣介質(zhì)。SF6氣體無色無味，發(fā)生泄漏不易被發(fā)現(xiàn)，目前對SF6充氣設(shè)備內(nèi)壓力變化的監(jiān)視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報(bào)警，說明設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點(diǎn)并進(jìn)行補(bǔ)氣，否則將嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。如果僅采用“漏-補(bǔ)”的方式，將會(huì)導(dǎo)致缺陷難以根除，給電網(wǎng)的運(yùn)行留下極大的安全隱患。使用常規(guī)的檢漏儀器，例如定點(diǎn)檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點(diǎn)，如果設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，有些部位是無法進(jìn)行檢測的，一般都需要停電再進(jìn)行全面檢查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優(yōu)勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應(yīng)頻率的紅外光能量的性質(zhì)，氣體吸收紅外光最強(qiáng)的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個(gè)以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進(jìn)的高靈敏度量子阱探測器，配合先進(jìn)的電子及圖像處理技術(shù)，被動(dòng)感應(yīng)10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強(qiáng)的特點(diǎn)成像，不需要任何特定的背景，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測SF6氣體泄漏點(diǎn)，并即時(shí)形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優(yōu)勢有：①遠(yuǎn)距離進(jìn)行紅外檢漏，避免人與設(shè)備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設(shè)備整體掃描、一次性成像的特點(diǎn)對多漏電點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.001 mL/s，即當(dāng)漏點(diǎn)的泄漏率達(dá)到0.001 mL/s時(shí)就可以檢出漏點(diǎn)；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點(diǎn)，大大減少了檢測人員的工作強(qiáng)度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應(yīng)用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動(dòng)的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設(shè)備刀閘與開關(guān)死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點(diǎn)附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動(dòng)現(xiàn)象明顯。

圖11刀閘與開關(guān)死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅