紅外熱像技術(shù)在電力設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用

賈達(dá)菲，楊冬冬，高 宏

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

紅外熱像技術(shù)是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測工件表面由于缺陷或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的熱量向深層傳遞的差別而導(dǎo)致表面溫度場發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)檢測工件表面及內(nèi)部缺陷或分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測方法[1-2]。

紅外熱像技術(shù)之所以成為目前設(shè)備溫度檢測中使用頻率較高技術(shù)之一，主要是因?yàn)閇1]：第一，響應(yīng)速度快，與傳統(tǒng)的熱電偶（響應(yīng)時(shí)間為1 s）相比，熱像儀的響應(yīng)時(shí)間為ms或μs，單位時(shí)間內(nèi)更能夠清晰反應(yīng)設(shè)備的溫度變化情況；第二，測溫范圍寬，與玻璃溫度計(jì)測溫范圍－200～600℃，熱電偶測溫范圍為－273～2750℃相比，紅外能夠測量溫度范圍為－273～6000℃；第三，非接觸測量，紅外熱像技術(shù)主要是提取設(shè)備表面的輻射能，不直接接觸被測物體，最大限度地保證了測試者的安全；第四，測量結(jié)果直觀，紅外熱像技術(shù)展示給檢測者的是非常直觀的雙色圖，能夠清晰地觀察被測點(diǎn)與其附近溫度的差異；第五，無損檢測，紅外熱像檢測過程中不接觸被測設(shè)備，且紅外線不會(huì)對被檢測設(shè)備造成損傷。因此，紅外熱像技術(shù)不僅在軍事上得到了廣泛地應(yīng)用，而且在材料缺陷檢測、建筑、過程監(jiān)控、自動(dòng)測試等方向也得到了廣泛地應(yīng)用[3-4]，并且充分展示出了其優(yōu)越性。

1 紅外熱像技術(shù)測試原理

1.1 熱輻射原理

利用紅外熱像儀進(jìn)行物體溫度測量時(shí)并非直接接觸物體，而是通過紅外探測器接收來自被檢測物體表面、周圍散發(fā)出的輻射[5-6]，熱輻射原理如圖1所示。

圖1 熱輻射原理圖

圖1中Wt為被檢測物體自身輻射量，Wr為周圍環(huán)境輻射量，Ws為大氣輻射量，k為物體發(fā)射率，ε為大氣透射率，T為熱力學(xué)溫度。熱像儀能夠接收到的總的輻射量為

1.2 紅外熱像儀工作原理

紅外熱像儀主要由具備可變光學(xué)系統(tǒng)的照相機(jī)和微型計(jì)算機(jī)組成。其中，紅外探測器是照相機(jī)的核心部件，用來接收物體輻射出的紅外線能量，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流信號，進(jìn)而得到被檢測物體的熱量分布，經(jīng)過微型計(jì)算機(jī)處理，在顯示器上呈現(xiàn)物體的熱像圖。其工作原理如圖2所示。

圖2 紅外熱像儀工作原理圖

2 紅外熱像診斷現(xiàn)場實(shí)測

為深入分析紅外熱像診斷技術(shù)在電力設(shè)備故障檢測中的應(yīng)用效果，本文分別在現(xiàn)場選取開關(guān)柜、電纜終端和支柱絕緣子進(jìn)行測試。

2.1 開關(guān)柜測試案例

變電檢修人員在對某220 kV變電站進(jìn)行紅外熱像測溫過程中，發(fā)現(xiàn)某高壓開關(guān)柜中部較鄰柜高15℃，紅外圖譜及可見光圖像如圖3所示。

該柜為XGN2型封閉柜，結(jié)構(gòu)太緊湊，按照五防設(shè)計(jì)，不停電無法開柜門。因?yàn)楣耋w小，出于安全考慮，不能改造加裝測溫孔。發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜整體發(fā)熱后，在專人監(jiān)護(hù)下，用工具打開柜前門、板。從2號變壓器低壓母線側(cè)刀閘絕緣拉桿小孔處進(jìn)行檢測，紅外測溫圖像及可見光圖像如圖4所示。

圖3 開關(guān)柜發(fā)熱圖譜及可見光圖像

圖4 小孔處測溫紅外圖譜及可見光圖像

刀閘絕緣拉桿處發(fā)熱U相101℃，V相141℃，W相69℃，刀口部位實(shí)際溫度更高。相對溫差64%，雖然不高，但刀口溫度超過130℃，依據(jù)DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》附錄A規(guī)定，判為危急缺陷。次日調(diào)整運(yùn)行方式，進(jìn)行停電檢查發(fā)現(xiàn)重大隱患，V相發(fā)熱刀閘合閘后滑塊不能到位，刀閘只有接觸，沒有鎖緊動(dòng)作；同時(shí)測量其回路電阻V相超過標(biāo)準(zhǔn)值，重新調(diào)整該刀閘操作桿長度后，刀閘合閘到位、鎖緊，回路電阻測試合格，送電后紅外診斷無異常。交接及停電處理前、后回路電阻測試值如表1所示。

表1 發(fā)熱開關(guān)柜刀閘交接、停電回路電阻測試μΩ

2.2 35 kV側(cè)電纜終端測試案例

變電檢修人員在對某110 kV變電站進(jìn)行紅外熱像測溫過程中，發(fā)現(xiàn)35 kV I回441出線電纜V、W相分別有1個(gè)發(fā)熱點(diǎn)。V相電纜終端第4個(gè)傘裙處最高溫度為28.0℃，W相電纜終端第3個(gè)傘裙處最高溫度達(dá)35.7℃，而正常只有24.0℃，溫差為 4℃和 11.7℃，超過 DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中關(guān)于電纜終端嚴(yán)重缺陷的規(guī)定。紅外圖譜如圖5、圖6所示。

圖5 電纜終端V相紅外圖譜

圖6 電纜終端W相紅外圖譜

停電后，檢修人員對V、W相電纜頭進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)電纜終端根部防水膠帶密封不嚴(yán)，濕氣進(jìn)入電纜后造成銅屏蔽受潮變色，主絕緣表面存在污漬痕跡，上述現(xiàn)象表明原電纜終端制作工藝存在缺陷，在電場作用下，熱縮管內(nèi)界面絕緣強(qiáng)度降低，形成局部放電。重新制作電纜頭后，對該設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻和交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。重新投運(yùn)后，紅外成像檢測正常。

PDCA循環(huán)也叫戴明循環(huán)，是一種廣泛應(yīng)用于質(zhì)量管理的工具，它包括P（Plan，計(jì)劃）、D（Do，執(zhí)行）、C（Check，檢查）、A（Action，行動(dòng)或處置）共4個(gè)階段，是一個(gè)循環(huán)的、持續(xù)向上的、永不停止的過程[1-2]。已有較多研究證實(shí)，該方法也適用于醫(yī)療行業(yè)，可用于提高臨床用藥質(zhì)量、減少醫(yī)療差錯(cuò)[3-5]。

2.3 10 kV隔離開關(guān)支柱絕緣子案例

變電運(yùn)維人員在巡視過程中通過紅外檢測發(fā)現(xiàn)10 kV某號桿東側(cè)電纜隔離開關(guān)W相支柱絕緣子中部存在發(fā)熱異常缺陷。紅外圖譜如圖7所示。通過軟件分析，支柱絕緣子熱點(diǎn)溫度為28.6℃，正常相部位溫度為25.4℃，溫差為3.2℃，檢測環(huán)境溫度18℃，按照DL 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》的電壓致熱型缺陷判斷依據(jù)，定性為嚴(yán)重缺陷。

圖7 支柱絕緣子紅外圖

首先，對隔離開關(guān)瓷柱進(jìn)行常規(guī)檢查，發(fā)現(xiàn)瓷柱表面稍有臟污但未見裂紋或其他異常情況。然后，對該發(fā)熱支柱絕緣子進(jìn)行絕緣檢測。采用數(shù)字兆歐表對其進(jìn)行絕緣電阻測試，結(jié)果絕緣電阻無窮大，測試結(jié)果合格。將發(fā)熱絕緣子和正常絕緣子拆下來，拿回試驗(yàn)室進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)熱支柱絕緣子在電壓升至24 kV時(shí)，紅外檢測發(fā)現(xiàn)有明顯熱點(diǎn)，升至42 kV時(shí)，熱點(diǎn)溫度升高，支柱絕緣子中間瓷裙處橫向斷裂，如圖8所示，而正常支柱絕緣子在42 kV電壓下，紅外檢測通體均勻發(fā)熱，沒有明顯熱點(diǎn)。

圖8 耐壓試驗(yàn)中斷裂支柱絕緣子

分析認(rèn)為該發(fā)熱支柱絕緣子存在制造缺陷，絕緣子內(nèi)部有裂紋引起局部放電發(fā)熱，在加試驗(yàn)電壓后，局部發(fā)熱進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致支柱絕緣子徹底斷裂。更換柱上隔離開關(guān)后，對開關(guān)本體及瓷柱多次進(jìn)行紅外檢測，均未發(fā)現(xiàn)發(fā)熱異常。

3 結(jié)束語

a）紅外熱像技術(shù)與其他帶電檢測技術(shù)、電氣試驗(yàn)、絕緣油色譜分析有機(jī)結(jié)合，能夠準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀況及確定缺陷原因，有助于提高變電設(shè)備的檢修質(zhì)量和效率。

b） 變電站支柱絕緣起著支撐電氣設(shè)備的作用，支柱絕緣子內(nèi)部缺陷或者有裂紋都會(huì)因?yàn)榫植侩妷悍植疾痪鶆蛟斐删植堪l(fā)熱缺陷產(chǎn)生，運(yùn)行時(shí)間長可能會(huì)導(dǎo)致支柱絕緣子斷裂，危及變電站安全運(yùn)行。因此，一旦紅外熱像檢測發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子有發(fā)熱缺陷，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行診斷分析，采取紫外線成像、絕緣子超聲探傷等手段進(jìn)行檢測判斷，必要時(shí)停電進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，全面判斷其性能。

c）對于開關(guān)柜、地理信息系統(tǒng)、互感器油箱等通過空氣、六氟化硫氣體、絕緣油等介質(zhì)進(jìn)行絕緣的設(shè)備，一旦紅外熱像檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)部發(fā)熱缺陷，運(yùn)維人員要高度重視，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)熱原因分析，如果相比正常位置溫升較大，則應(yīng)立即上報(bào)進(jìn)行停電檢查，避免因處置不及時(shí)缺陷發(fā)展為設(shè)備內(nèi)部放電，造成設(shè)備損壞，電網(wǎng)故停電事故發(fā)生。

d）通過大量的實(shí)踐應(yīng)用，紅外熱像技術(shù)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)由于連接不良、介損增大、外絕緣污穢、電磁致熱、充油設(shè)備缺油、電壓分布不均勻等原因?qū)е碌碾姎庠O(shè)備發(fā)熱缺陷，其在電力領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為了運(yùn)維檢修人員發(fā)現(xiàn)輸電、變電、配電設(shè)備缺陷的重要手段，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。