基于紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷方法研究

周 健，吳 琳，柳江濤，胡 南，呂 旋

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司 龍泉市供電公司，浙江 龍泉 323700）

0 引 言

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展，它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。尤其是在電氣設(shè)備故障檢測中，利用紅外熱像技術(shù)判斷故障點做到預(yù)知檢修，已成為當(dāng)前電氣設(shè)備保修的重要手段之一，能更好地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷難度較大，因此現(xiàn)場檢修需要綜合判定。同時，要求檢修人員能夠掌握紅外熱像技術(shù)的原理，熟知內(nèi)部故障與紅外熱圖特征之間的關(guān)系。

1 紅外熱像技術(shù)

1.1 紅外熱成像儀

紅外熱成像儀就是借助紅外熱像技術(shù)，將被測目標的溫度分布通過熱圖的形式展現(xiàn)出來的裝置。任何物體只要有溫度就會發(fā)出紅外線，紅外熱成像儀通過接收物體發(fā)出的紅外線將其轉(zhuǎn)化為熱圖形式，以此表示被測物體溫度的分布情況。根據(jù)溫度分布情況的細小差異，判斷發(fā)生溫度差異的點，從而迅速鎖定故障位置，而后測量相關(guān)位置的溫度來判斷故障位置，實現(xiàn)預(yù)檢維修的目的[1]。

1.2 紅外熱像技術(shù)診斷的特點

1.2.1 操作便捷

檢測時，只要是進入紅外熱像儀檢測范圍的物體都會在顯示屏中成像。如果檢測現(xiàn)場存在溫度異常情況，可以直觀看到異常點和量，同時可以測量異常點的溫度。

1.2.2 操作安全

紅外熱成像是一種無損檢測技術(shù)，主要通過監(jiān)測設(shè)備故障引發(fā)的異常紅外輻射和溫度實現(xiàn)，不會改變設(shè)備系統(tǒng)的運行狀態(tài)。此外，操作過程中不接觸且不停電，也無需采樣和解體，因此具有較高的安全性，不會影響其他設(shè)備的運行。

1.2.3 操作效率高

紅外熱像技術(shù)適用于各種電氣設(shè)備的故障診斷，能夠快速對大面積物體進行掃描成像，操作快捷且直觀，檢測效率高。不僅能快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點，而且能精準判定故障位置和故障程度。

1.2.4 操作智能化

紅外成像儀能自動收集相關(guān)數(shù)據(jù)并科學(xué)分析監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，從而給出可能存在的故障點及程度。同時，儀器可以儲存設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)資料，連接計算機建立數(shù)據(jù)庫，為故障趨勢分析搭建平臺，有助于促進故障診斷智能化。

2 基于紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷

2.1 變壓器故障的紅外診斷

2.1.1 高壓套管的故障診斷

由于高壓套管的內(nèi)外結(jié)構(gòu)不同，因此通過紅外熱像技術(shù)掃描形成的熱圖特征也存在差異。

（1）高壓套管外部接頭故障。以高雪套管為例，當(dāng)其外部接頭出現(xiàn)故障時，通過熱像圖可以觀察到接頭中心發(fā)熱情況明顯，如圖1所示。參照GB763-90相關(guān)規(guī)定，若溫差＞20 ℃，則需要進行故障排查，同時加強防控；若溫差＞40 ℃，則表明外部接頭發(fā)生嚴重故障，必須立即進行停工檢修。

圖1 高壓套管外部接頭故障熱像對比圖

從圖1可以看出，“1”所在位置的溫度最高。但時，從“1”和“2”之間的溫差數(shù)值來看為一般性故障，程度不嚴重，需要密切監(jiān)視以防止出現(xiàn)更嚴重的故障。

（2）高壓套管內(nèi)部接頭故障。對于35 kV以下的變壓器而言，套管內(nèi)部接頭多數(shù)位于箱體油中，當(dāng)其中一至兩相發(fā)生故障時，熱像圖與正常套管存在明顯差異[2]。110 kV變壓器套管的引線將起接頭和將軍帽連接，當(dāng)接頭發(fā)生故障時，產(chǎn)生的異常溫度將會傳遞給將軍帽。因此，發(fā)生故障時，將軍帽將表現(xiàn)出明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。

2.1.2 變壓器內(nèi)部的紅外故障診斷

若僅僅是箱體出現(xiàn)發(fā)熱，鐘罩螺栓并未出現(xiàn)明顯發(fā)熱時，需要判定是否是變壓器內(nèi)部發(fā)生故障。主要診斷依據(jù)是內(nèi)部故障會引發(fā)發(fā)熱反應(yīng)，且變壓器運行負荷越大，箱體溫度越高[3]。因此，通過調(diào)節(jié)變壓器負荷，觀察熱圖顯示的發(fā)熱情況是否出現(xiàn)變化，可判定是否存在內(nèi)部故障。

2.2 高壓斷路器故障

2.2.1 少油斷路器內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良

上動、靜觸頭以及中間觸頭接觸不良等，是少油斷路器內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良最常見的幾種表現(xiàn)。當(dāng)上動和靜觸頭發(fā)生接觸不良時，它的熱像圖以引線根部為中心，斷路器上部出現(xiàn)整體發(fā)熱，且溫度分布從高到低依次是頂部、基座法蘭和瓷套。當(dāng)中間觸頭發(fā)生接觸不良時，熱像圖以基座法蘭為發(fā)熱中心，溫度分布從高到低依次是基座法蘭、頂帽和瓷套。當(dāng)靜觸頭發(fā)生接觸不良時，它的熱像圖以頂帽中部為發(fā)熱中心，且瓷套表面溫度低于基座法蘭的溫度。

2.2.2 高壓套管內(nèi)部導(dǎo)電桿連接不良

內(nèi)部導(dǎo)電桿發(fā)生接觸不良時，將會使得套管發(fā)熱。它的熱像圖表現(xiàn)為以套管頂帽為發(fā)熱中心，且套管頭局部出現(xiàn)明顯發(fā)熱。

2.2.3 斷路器缺油故障

斷路器缺油故障的熱像圖與變壓器缺油故障的熱像圖差異很小，區(qū)別在于斷路器發(fā)生故障后油位面較正常情況更低。一旦發(fā)現(xiàn)這種情況，要立即檢修斷路器，查看是否出現(xiàn)缺油。

2.2.4 斷路器內(nèi)部受潮故障

當(dāng)斷路器內(nèi)部受潮后，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為斷路器整體發(fā)熱。當(dāng)發(fā)生故障的斷路器停止運行后，它的溫度與正常斷路器之間的溫度差不會發(fā)生變化。在故障診斷過程中，如果發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部受潮且溫差＞3 ℃時，必須要盡快處理[4]。因受潮導(dǎo)致斷路器故障的熱像圖，如圖2所示。其中，斷路器頂部溫度基本正常，但法蘭處附近溫度異常。經(jīng)過檢修發(fā)現(xiàn)，斷路器內(nèi)部積水非常嚴重，在運行過程中積水沿瓷套向下滲透，從而在斷路器內(nèi)部形成一條電阻為0 Ω的絕緣放電通道。

2.3 電力電容器紅外故障診斷

2.3.1 耦合電容器紅外故障診斷

圖2 斷路器內(nèi)部受潮熱像圖

對于電氣設(shè)備而言，耦合電容器因其自身的散熱性極佳且對介質(zhì)的消耗情況非常少，因此正常情況下其表面溫度幾乎不會發(fā)生波動。當(dāng)耦合電容器發(fā)生故障時，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為電容器整體發(fā)熱，且以中軸為對稱線，熱輻射量從上至下呈遞減趨勢。耦合電容器內(nèi)部故障的主要表現(xiàn)形式包括介質(zhì)受損、受潮、支架放電以及缺油漏油等。它的紅外熱像圖特征基本與正常情況一致，但設(shè)備整體熱量略高。所以，當(dāng)通過紅外熱像儀檢測到耦合電容器溫度超過最大允許溫度或是與正常設(shè)備溫差超過正常值范圍，則表示可能存在故障隱患，應(yīng)及時進行檢修。

2.3.2 并聯(lián)電容器紅外故障診斷

并聯(lián)電容器發(fā)生故障的情況有受潮、漏油、短路以及局部放電等。并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)具有較大的相似性，通常采用扁形鐵殼箱。由于電容器的介質(zhì)損耗大，因此即便是處于正常狀態(tài)的并聯(lián)電容器，表面溫度也會略有上升。正常情況下，并聯(lián)和串聯(lián)電容器紅外熱像圖表現(xiàn)一致，其溫度分布以在寬側(cè)面垂直平分線的2/3高度處為最高溫度點，其余部位溫度有所降低[5]。但是，熱傳遞介質(zhì)存在差異，會導(dǎo)致局部溫度出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。對于出現(xiàn)故障的并聯(lián)電容器來講，當(dāng)發(fā)生受潮或老化故障時，熱像圖表現(xiàn)為電容器整體溫度升高，且箱體表面出現(xiàn)較為明顯的隆起現(xiàn)象，被稱為“鼓肚子”，在“肚子”周圍會產(chǎn)生大量熱量。當(dāng)電容器出現(xiàn)“鼓肚子”現(xiàn)象時，其運行溫度極高，極易導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生爆炸。并聯(lián)電容器若發(fā)生漏油故障，其油位面與正常電容器相比明顯更低。一旦出現(xiàn)這種情況，要及時進行檢修。

2.4 互感器故障的紅外診斷

2.4.1 電壓互感器的紅外診斷

電壓互感器發(fā)生故障的常見情況有鐵芯故障、受潮、放電、缺油以及諧振過電壓等。當(dāng)互感器出現(xiàn)受潮、老化以及局部放電等絕緣故障時，以中小型變電站為例，它的電壓互感器的紅外熱像圖表現(xiàn)為電壓器整體溫度升高，具有較為明顯的熱輻射。此外，鐵芯片局部短路和繞組匝間短路故障的紅外熱像圖表現(xiàn)特征也是如此，且溫度升高程度要明顯高于絕緣故障，需要檢修人員根據(jù)設(shè)備運行實際情況進行逐一排查，或是結(jié)合其他故障現(xiàn)象找出故障原因。大型變電站的電壓互感器幾乎都為油浸絕緣。發(fā)生故障時，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為頂部油柜溫度最高，且溫度分布從上至下依次降低。

2.4.2 電流互感器的紅外診斷

電流互感器發(fā)生漏油故障時，它的紅外特征與電壓互感器漏油時幾乎一致，主要表現(xiàn)為油位面低于正常運行的電流互感器。當(dāng)油位面低于警戒線時則為不合格，存在故障隱患；當(dāng)漏油情況極為嚴重，導(dǎo)致儲油柜無油的情況時，互感器溫度將驟然上升。

3 結(jié) 論

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展，利用該項技術(shù)可以快速、安全且高效地檢出電氣設(shè)備內(nèi)部的故障情況。紅外熱像儀輔助成熟的計算機圖像處理系統(tǒng)，能計算、處理和分析設(shè)備運行狀態(tài)下的熱輻射情況，一定程度上提高了診斷的可靠性和精確性，值得進一步探索和推廣。