熱成像儀在配電設(shè)備缺陷診斷中的應(yīng)用

洪 政

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東 陽江 529500）

1 熱成像儀技術(shù)分析

1.1 熱成像儀檢測技術(shù)

紅外熱像儀利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)的掃描系統(tǒng)，將接收到的檢測目標(biāo)的紅外輻射以分布圖的形式反映到紅外探測器的光敏元件中。在紅外探測器和光學(xué)系統(tǒng)之間，利用光機(jī)掃描元件掃描被測量物體的紅外熱像，同時(shí)在分光探測單元上聚焦，由探測器將紅外輻射能以電信號的形式轉(zhuǎn)換和放大，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號后反映到電視屏幕，形成紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面熱分布相對應(yīng)。IRI-100D2型便攜式熱成像儀如圖1所示。

圖1 IRI-100D2型便攜式熱成像儀

1.2 配電設(shè)備發(fā)熱缺陷的特點(diǎn)

如果運(yùn)行中的帶電導(dǎo)體或連接部位有缺陷，在電流的作用下會發(fā)熱，各種致熱效應(yīng)將引起設(shè)備發(fā)熱，故障部位的溫度將高于非故障部位。正常情況下不一定影響設(shè)備的安全運(yùn)行，但當(dāng)環(huán)境發(fā)生某些變化時(shí)，致熱效應(yīng)異?？赡軙?dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)缺陷或故障[1]。

設(shè)備外部缺陷發(fā)熱的情況有多種：（1）刀閘或開關(guān)接線端與導(dǎo)線連接處長期裸露在空氣中，受到水分、腐蝕性氣體以及其他物資的侵蝕，連接處的接觸面形成氧化膜，導(dǎo)致接觸電阻變大，接觸不良發(fā)熱；（2）導(dǎo)線在外力的作用下擺動，因電流變化引起熱脹冷縮，造成連接螺絲松動，收縮電阻變大導(dǎo)致發(fā)熱；（3）銅鋁接頭未使用銅鋁過渡連接導(dǎo)致接觸面不平，或者檢修試驗(yàn)時(shí)造成接觸面污穢，導(dǎo)致接觸電阻過大；（4）刀閘未合到位導(dǎo)致觸頭間接觸電阻過大；（5）由于外力或機(jī)械應(yīng)力造成配網(wǎng)電力設(shè)備金屬器件斷裂而發(fā)熱；（6）運(yùn)行方式變化造成負(fù)荷電流短時(shí)間內(nèi)變大，接頭溫度急劇升高。

雖然設(shè)備的內(nèi)部缺陷難以被直接觀察，且出現(xiàn)概率較低，但是其導(dǎo)致的后果往往非常嚴(yán)重。設(shè)備內(nèi)部缺陷一般由于設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和設(shè)備老化等原因造成。設(shè)備動態(tài)變化緩慢，要準(zhǔn)確判斷設(shè)備內(nèi)部缺陷，必須深入了解各個(gè)設(shè)備的熱象特征。比如避雷器，其單節(jié)溫度偏高或偏低時(shí)都可能是發(fā)生了故障。對于多節(jié)組合的避雷器，溫度不是從上到下逐漸降低的一般為故障。比如電纜頭，內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱。設(shè)備內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的發(fā)熱過程一般比較穩(wěn)定且時(shí)間較長，只有綜合分析設(shè)備的熱場分布，才能準(zhǔn)確判斷其運(yùn)行狀態(tài)。

帶電設(shè)備熱成像儀檢測技術(shù)中，需要掌握配電線路相關(guān)設(shè)備在正常運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)熱規(guī)律，結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)和熱能傳導(dǎo)的途徑，根據(jù)設(shè)備在缺陷或故障狀態(tài)的溫升情況，基于紅外診斷技術(shù)判斷設(shè)備故障。

1.3 熱成像儀故障診斷方法和依據(jù)

應(yīng)用熱成像儀診斷配電設(shè)備的缺陷時(shí)，由于氣象條件、環(huán)境溫度和負(fù)荷電流等因素會對現(xiàn)場測溫造成影響，因此應(yīng)采取多種方法綜合判斷，提高設(shè)備缺陷診斷的準(zhǔn)確性。

第一，表面溫度判定。將所測設(shè)備的表面溫度與有關(guān)規(guī)定對照，但凡溫度或溫升比標(biāo)準(zhǔn)高，就可以依照設(shè)備的溫度、設(shè)備的重要程度、設(shè)備的負(fù)荷情況以及所能承受的機(jī)械應(yīng)力值確定設(shè)備的缺陷。對于小負(fù)荷之下的溫度抄表或者機(jī)械應(yīng)力比較大的設(shè)備，應(yīng)采用從嚴(yán)定性的原則。

第二，相對溫差的判定方法。對于有電流致熱的設(shè)備，若發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)流部分的熱態(tài)分布存在異常，則應(yīng)測定溫度，計(jì)算相對溫差，按照規(guī)定判定設(shè)備缺陷（如表1所示）。當(dāng)熱點(diǎn)溫度值＜10 K時(shí)，表1中的規(guī)定便不再適用于判定設(shè)備缺陷。對符合率小、溫度升高較小和溫差較大的設(shè)備而言，若符合率改變，則可以增大符合電流后再重復(fù)測試，以準(zhǔn)確判斷設(shè)備缺陷。如果不能復(fù)測，可以暫且將其定性為一般缺陷，并進(jìn)行密切監(jiān)視。

表1 部分電流致熱型設(shè)備的相對溫差判據(jù)

第三，同類對比法。同一電氣回路中，當(dāng)三相電流對稱和三相設(shè)備相同時(shí)，比較三相電流致熱型設(shè)備對應(yīng)部位的溫升值，判斷設(shè)備是否正常。若三相設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)異常，則與同回路的同類設(shè)備比較。對于型號及規(guī)格均相同的電壓致熱設(shè)備，可以根據(jù)其對應(yīng)溫升判斷設(shè)備狀態(tài)，電壓致熱設(shè)備缺陷也可以參照溫升或溫差進(jìn)行判斷。一般情況下，對于電壓致熱的設(shè)備，當(dāng)同類溫差超過允許溫升值的30%時(shí)，視為重大缺陷。

第四，熱譜圖分析。以同類設(shè)備正常和異常狀況下的圖譜差別，判斷設(shè)備是否處于正常狀態(tài)。

第五，檔案分析法。分析同一設(shè)備不同時(shí)期的相對溫度、溫升、溫差以及熱譜等數(shù)據(jù)，判定設(shè)備致熱參數(shù)的趨勢及變化，進(jìn)而判斷設(shè)備狀態(tài)。

2 熱成像儀查找故障應(yīng)用舉例

2.1 避雷器故障查找舉例

10kV朗仔線（架空線）遇到雨天就跳閘，雨后搖測線路絕緣值為0.5 MΩ，但巡視時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯故障（如圖2所示），這種情況一直困擾供電所。正常狀態(tài)下，避雷器的熱像特征為整體輕微發(fā)熱，靠近上部的溫度略高，多節(jié)組合從上到下各節(jié)溫度遞減，三相溫度差異基本一致[2]。

圖2 10kV朗仔線下蘇支線下蘇公變（臺架）避雷器隱患熱圖像

由圖2可知，蘇公變（臺架）避雷器整個(gè)瓷套出現(xiàn)不均勻的熱圖像。用同類比較法判別三相避雷器溫度，B相避雷器溫度明顯高于A相和C相，初步判定B相避雷器存在異常。B相避雷器缺陷部位的溫度比正常避雷器的溫度明顯偏高，呈現(xiàn)了故障狀態(tài)時(shí)的熱像特征。經(jīng)過檢修試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該避雷器內(nèi)部閥片受潮導(dǎo)致發(fā)熱故障。由于避雷器受潮后會增強(qiáng)電導(dǎo)性能，增大阻性電流，從而導(dǎo)致發(fā)熱。因?yàn)楣收媳芾灼鞯臏厣灰欢黠@，所以測溫時(shí)應(yīng)選擇鄰近支柱絕緣子的瓷質(zhì)部分作為參考物，便于觀察故障處的發(fā)熱情況[3]。

根據(jù)DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中無間隙金屬氧化物避雷器的紅外診斷溫升參考值（如表2所示），可以采用表面溫度判別法判斷B相避雷器是否出現(xiàn)異常[4]。

有間隙金屬氧化物避雷器正常時(shí)，整體溫度與環(huán)境溫度基本相同，凡出現(xiàn)整體或局部發(fā)熱均屬異常。允許溫升值大時(shí)，適用于室內(nèi)設(shè)備；允許溫升值小時(shí)，適用于無風(fēng)條件下的室外設(shè)備。

表2 金屬氧化物避雷器允許的相間溫差及最大工作溫升參考值

2.2 絕緣子故障查找舉例

配電線路中絕緣子缺陷最難查找。當(dāng)線路出現(xiàn)絕緣電阻較低，而絕緣子未被完全擊穿時(shí)（此時(shí)線路常在濕度較大時(shí)跳閘），往往需要進(jìn)行分段線路排查，甚至逐個(gè)登桿檢查。這種排查方法需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間。10kV聯(lián)民線在下雨季節(jié)經(jīng)常跳閘，經(jīng)巡視未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，但搖測線路絕緣值為0.5 MΩ左右。利用紅外成像儀檢測發(fā)現(xiàn)，10kV聯(lián)民線大同支線32號桿絕緣子存在異常，如圖3所示。

圖3 10kV聯(lián)民線大同支線32號桿絕緣子隱患熱圖像

由圖3可知，采用同類比較法判別，B相耐張絕緣子串溫度明顯高于A相和C相。B相耐張絕緣子串中，第一個(gè)絕緣子的溫度高于第二個(gè)絕緣子。利用搖表檢測B相絕緣子發(fā)現(xiàn)，絕緣值低于標(biāo)準(zhǔn)要求（出現(xiàn)裂紋或絕緣釉面損壞等）。當(dāng)雨天空氣濕度較大時(shí)，線路絕緣爬距不足導(dǎo)致線路跳閘，久而久之，絕緣子會被擊穿。

2.3 導(dǎo)線連接部位缺陷查找舉例

當(dāng)連接部位接觸電阻過大時(shí)，額定電流下也會出現(xiàn)局部過熱的情況，甚至超過設(shè)備所允許的最高溫度值。其中，刀閘接頭、開關(guān)接頭和導(dǎo)線接續(xù)（跳線）出現(xiàn)發(fā)熱故障的情況最為常見。若設(shè)備連接處溫度明顯偏高，會呈現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)的熱像特征。10kV圩鎮(zhèn)線F04線路紙廠側(cè)公變用戶反映電壓不穩(wěn)定，日光燈時(shí)亮?xí)r暗。利用熱成像儀檢測低壓線路接頭發(fā)現(xiàn)，變壓器低壓C相跳線處明顯高壓其他兩相，最高溫度為66℃[5]，如圖4所示。

圖4 10kV圩鎮(zhèn)線F04線路紙廠側(cè)公變低壓導(dǎo)線跳線隱患熱圖像

解開跳線處絕緣套發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線跳線線夾不匹配，導(dǎo)線連接不緊密。低壓導(dǎo)線接續(xù)（跳線）處多有絕緣套包裹，出現(xiàn)發(fā)熱情況難以發(fā)現(xiàn)。如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會造成斷線，危及過往車輛和行人的安全。若10kV高壓導(dǎo)線接續(xù)（跳線）出現(xiàn)類似問題，且距離較高，也難以發(fā)現(xiàn)[6]。

通過熱成像儀檢測設(shè)備的溫度，采用表面溫度判斷法、表面溫差判斷法等判斷設(shè)備異常，能快速判斷線路故障，縮短故障排除時(shí)間，提高工作效率，減少停電時(shí)間。日常巡視中應(yīng)用熱成像儀檢測設(shè)備，找出有隱患或缺陷的設(shè)備，確定其缺陷等級，為檢修等提供科學(xué)依據(jù)[7]。

3 結(jié) 論

實(shí)踐證明，判斷配電設(shè)備缺陷的過程中，要充分發(fā)揮熱成像儀的作用，重點(diǎn)檢測配電線路的絕緣子、避雷器、電纜中間接頭和導(dǎo)線接續(xù)等，提高巡視質(zhì)量，縮短設(shè)備缺陷排除時(shí)間。同時(shí)，建立紅外數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，彌補(bǔ)預(yù)防性試驗(yàn)的不足。

建議如下：（1）檢測正常運(yùn)行的設(shè)備時(shí)，應(yīng)結(jié)合檢測、預(yù)試前進(jìn)行普測，存在高溫和高負(fù)荷等特殊情況時(shí)特殊巡測的理念，準(zhǔn)確、及時(shí)檢查并處理配電設(shè)備中的故障，避免出現(xiàn)停電故障[8]；（2）對于重點(diǎn)配電設(shè)備，應(yīng)遵循每年檢測的原則；（3）對于運(yùn)行環(huán)境惡劣、陳舊的設(shè)備，若存在大負(fù)荷運(yùn)行和改變運(yùn)行方式時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加檢測次數(shù)；（4）對于新建或者擴(kuò)建的電氣設(shè)備，應(yīng)在投入使用的一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行第一次檢測，且第一次檢測應(yīng)在設(shè)備正常運(yùn)行一天后進(jìn)行。

綜上所述，熱成像儀能快速、準(zhǔn)確診斷配電設(shè)備缺陷，且分析判斷方法簡單易行。隨著熱成像儀測溫技術(shù)的日益成熟，檢測越來越精準(zhǔn)，儀器造價(jià)越來越低廉，為配電線路的安全、平穩(wěn)運(yùn)行提供了技術(shù)保障[9]。