油浸式電流互感器紅外熱像檢測(cè)受材質(zhì)輻射率影響的判斷方法及案例分析

高 微 ，劉曉康 ，閆佳文 ，劉 哲 ，劉連升

（1.國網(wǎng)衡水供電公司，河北 衡水 053000；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司培訓(xùn)中心，河北 石家莊 050000）

0 引言

紅外測(cè)溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備帶電檢測(cè)，也是油浸式電流互感器帶電檢測(cè)項(xiàng)目之一，紅外測(cè)溫可成功檢測(cè)出油浸式電流互感器多種發(fā)熱缺陷，包括缺油引起的溫度異常、外部接頭接觸不良引起的發(fā)熱、內(nèi)部介質(zhì)損耗引起的瓷套整體溫度偏大、末屏接地不良引起的末屏溫度過高等［1］。

紅外檢測(cè)過程中，除電流致熱型缺陷容易判斷外，其他類型的溫度異常判斷容易受設(shè)備本身及環(huán)境干擾，特別是受設(shè)備外殼輻射率、環(huán)境反射等因素影響，檢測(cè)人員很容易誤判為設(shè)備缺油或漏油，設(shè)備缺油引起的溫度異常往往為危急缺陷，容易誤導(dǎo)檢修人員做出錯(cuò)誤的處理措施。

1 紅外熱像檢測(cè)原理

電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的紅外檢測(cè)，實(shí)質(zhì)就是對(duì)設(shè)備（目標(biāo)）發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行探測(cè)及顯示處理的過程。設(shè)備發(fā)射的紅外輻射功率經(jīng)過大氣傳輸和衰減后，由檢測(cè)儀器光學(xué)系統(tǒng)接收并聚焦在紅外探測(cè)器上，并把目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成便于直接處理的電信號(hào)，經(jīng)過放大處理，以數(shù)字或二維熱圖象的形式顯示目標(biāo)設(shè)備表面的溫度值或溫度場(chǎng)分布［2］，如圖1所示。

圖1 紅外熱像檢測(cè)原理

實(shí)際的物體并不是黑體，它具有吸收、輻射、反射、穿透紅外輻射的能力。吸收為物體獲得并保存來自外界的輻射；輻射為物體自身發(fā)出的輻射；反射為物體彈回來自外界的輻射；透射為來自外界的輻射經(jīng)過物體穿透出去。

但對(duì)大多數(shù)物體來說，對(duì)紅外輻射不透明，即透射率τ=0。所以對(duì)于實(shí)際測(cè)量來說，輻射率ε和反射率ρ滿足：ε+ρ=1。實(shí)際物體的輻射由兩部分組成：自身輻射和反射環(huán)境輻射。光滑表面的反射率較高，容易受環(huán)境影響（反光）。粗躁表面的輻射率較高。

物體表面不同的材料、溫度、表面光滑度、顏色等，其表面輻射率均不同。在實(shí)際檢測(cè)中，由于輻射率對(duì)測(cè)溫影響很大，因此必須選擇正確的輻射系數(shù)。尤其需要精確測(cè)量目標(biāo)物體的真實(shí)溫度時(shí)，必須了解物體的紅外發(fā)射率（或稱輻射率）ε的范圍。否則，測(cè)出的溫度與物體的實(shí)際溫度將有較大的誤差［3］。

一般來說，物體接收外界輻射的能力與物體輻射自身能量的能力相等。一個(gè)物體吸收輻射的能力強(qiáng)，那么它輻射自身能量的能力就強(qiáng)，反之亦然。

對(duì)于高壓電氣設(shè)備的發(fā)熱故障，從紅外檢測(cè)與診斷的角度大體可分為兩類，即外部故障和內(nèi)部故障［4］。

外部故障是指裸露在設(shè)備外部各部位發(fā)生的故障（如長期暴露在大氣環(huán)境中工作的裸露電氣接頭故障、設(shè)備表面污穢以及金屬封裝的設(shè)備箱體渦流過熱等）。從設(shè)備的熱圖像中可直觀地判斷是否存在熱故障，根據(jù)溫度分布可準(zhǔn)確地確定故障的部位及故障嚴(yán)重程度。

內(nèi)部故障則是指封閉在固體絕緣、油絕緣及設(shè)備殼體內(nèi)部的各種故障。由于這類故障部位受到絕緣介質(zhì)或設(shè)備殼體的阻擋，所以通常難以像外部故障那樣從設(shè)備外部直接獲得直觀的有關(guān)故障信 息［5］。

2 油浸式電流互感器紅外測(cè)溫缺陷案例

2018年6月7日晚，帶電檢測(cè)人員在某220 kV變電站進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)110 kV 163電流互感器頂部膨脹器外殼溫度偏低，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境為陰天檢測(cè)，溫度 28℃，濕度 55%，風(fēng)速 0.3 m／s，163電流互感器U、V、W三相（由左至右）紅外圖譜如圖2所示。

圖2 163電流互感器紅外圖譜

根據(jù)紅外圖譜特征，U相膨脹器外殼為19℃，V、W相及環(huán)境溫度均為28℃，U相較 V、W相低9℃左右。初步分析，U相膨脹器外殼溫度異常偏低，原因疑似為內(nèi)部絕緣油滲漏，也可能為出廠時(shí)就未注滿油，導(dǎo)致頂部的殘留氣體形成空氣夾層，內(nèi)部散熱不良，最終導(dǎo)致外殼溫度偏低。根據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》DL／T 664-2016中關(guān)于缺陷定性方法，套管類設(shè)備缺油應(yīng)屬于電壓致熱類型缺陷，此類故障應(yīng)定為嚴(yán)重缺陷。

經(jīng)查證，近期油色譜帶電數(shù)據(jù)并無異常，且與上次數(shù)據(jù)相比，無明顯變化。檢測(cè)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合環(huán)境因素進(jìn)行多角度分析，推斷該發(fā)熱設(shè)備不存在缺陷，而是因?yàn)樵O(shè)備外殼材質(zhì)輻射率不同導(dǎo)致，油色譜帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 163電流互感器油色譜帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)（單位：μL／L）

3 材質(zhì)輻射率對(duì)紅外測(cè)溫結(jié)果的影響分析

在設(shè)備負(fù)荷、環(huán)境溫度、風(fēng)速、距離等參數(shù)確定的情況下，影響紅外測(cè)溫的內(nèi)部因素主要是輻射率，輻射率作為紅外熱像儀的重要參數(shù)，應(yīng)在檢測(cè)前進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。

輻射率的大小與設(shè)備的材質(zhì)、表面光潔度、氧化程度、顏色、厚度等有關(guān)，但均介于0～1之間。根據(jù)紅外熱像儀的檢測(cè)原理，紅外熱像儀測(cè)試時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確設(shè)置輻射率參數(shù)。

輻射率的含義為設(shè)備本身能力輻射的百分比。當(dāng)儀器內(nèi)輻射率設(shè)置偏高，而實(shí)際設(shè)備輻射除本身能力低于輻射率百分比時(shí)，儀器內(nèi)部自動(dòng)補(bǔ)償，誤認(rèn)為設(shè)備輻射的能量接近輻射率偏高時(shí)的值，實(shí)際上，儀器接受到的能量占比偏低，即實(shí)際設(shè)備輻射能量比儀器補(bǔ)償后計(jì)算值要高。

根據(jù)上述分析，隨著設(shè)備材質(zhì)輻射率的改變，測(cè)量結(jié)果也將會(huì)隨著改變。當(dāng)紅外熱像儀中的輻射率參數(shù)設(shè)置值比實(shí)際輻射率低時(shí)，檢測(cè)結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值高，即實(shí)際測(cè)試結(jié)果與儀器內(nèi)部的輻射率設(shè)置值呈反比。

其他因素對(duì)紅外測(cè)溫結(jié)果的影響情況類似，即紅外熱像儀內(nèi)的輻射率、環(huán)境溫度、距離與紅外測(cè)溫實(shí)際結(jié)果均成反比。

4 金屬膨脹器紅外異常案例分析

由于設(shè)備處于熱備用狀態(tài)，僅線路側(cè)帶電，具備停電檢查條件，6月8日，檢修人員對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行解體檢查，設(shè)備內(nèi)部無異常。但對(duì)膨脹器外殼進(jìn)行金屬檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)U相外殼與V、W相存在明顯差異，雖然三相外殼主要成分均為鋁元素，但U相外殼的鉻元素與鐵元素含量均為V、W相的一半，即U相外殼材質(zhì)與V、W相存在明顯差異，因此材質(zhì)表面的輻射率也不同。

檢查完畢后，在停電狀態(tài)，帶電檢測(cè)人員對(duì)外殼進(jìn)行紅外測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)U相外殼溫度仍偏低，說明此次紅外測(cè)溫異常是由于材質(zhì)輻射率不同引起的。

綜合上述分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，帶電檢測(cè)人員采用多種拍攝模式拍攝，發(fā)現(xiàn)紅外熱像檢測(cè)中的彩虹模式更易分析此類異常。見圖3所示。

圖3 163電流互感器紅外圖譜（彩虹模式）

結(jié)合紅外熱像儀工作原理，溫度也是影響材料輻射率的因素之一。一般規(guī)律是，非金屬材料隨著溫度升高發(fā)射率降低，金屬材料隨著溫度升高，發(fā)射率升高。該案例中，由于外殼是金屬材料，V、W相表面溫度較U相高10℃左右，同時(shí)，較高的溫差導(dǎo)致V、W相表面材料發(fā)射率也比U相高，因此，測(cè)得結(jié)果是V、W相膨脹器外殼與U相溫差進(jìn)一步拉大。

5 結(jié)束語

電流互感器缺油導(dǎo)致的表面溫差一般較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，一般只有幾攝氏度，如果紅外熱像儀的溫度范圍采用自動(dòng)模式，很難發(fā)現(xiàn)此類異常。一旦發(fā)現(xiàn)此類異?，F(xiàn)象，首先應(yīng)排除干擾，明確測(cè)試結(jié)果未受環(huán)境或其他因素干擾。

此外，如果紅外熱像儀的圖像顯示有彩虹模式，此類異?？蛇x用彩虹模式，溫差顯示界面比鐵紅模式更容易分析判斷。