基于紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的35 kV穿墻套管發(fā)熱故障分析與處理

陳 月，孫 進(jìn)，徐友剛，張佳棟，王梓萌，陳胤之

(1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700；2. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司宜春市袁州區(qū)供電分公司，江西 宜春 336000)

電力設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)因接觸不良、絕緣老化等原因產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，若不及時(shí)處理，會(huì)造成電力設(shè)備發(fā)熱異常甚至發(fā)熱故障，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。因此，需要根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采取有效的技術(shù)手段對(duì)電力設(shè)備定期進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理各類發(fā)熱現(xiàn)象，確保電力設(shè)備健康穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來，紅外檢測(cè)與診斷技術(shù)發(fā)展迅速且日趨成熟，其中紅外熱像檢測(cè)技術(shù)作為一種遠(yuǎn)距離、非接觸、精準(zhǔn)、安全、易操作且實(shí)時(shí)高效的技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備狀態(tài)檢修和帶電檢測(cè)中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷電力設(shè)備的發(fā)熱缺陷[1]。紅外熱像檢測(cè)技術(shù)可為運(yùn)維人員及時(shí)停電和制定消缺方案提供可靠依據(jù)，從而保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 紅外熱像檢測(cè)原理

1.1 紅外輻射基本原理

根據(jù)光學(xué)基本知識(shí)，把波長(zhǎng)介于0.75～1 000 μm的電磁波稱為紅外線。根據(jù)熱力學(xué)理論，自然界一切溫度高于絕緣零度的物體，都不停地向各個(gè)方向輻射肉眼不可見且?guī)в形矬w溫度特征信息的紅外線，同時(shí)發(fā)射能量，這種現(xiàn)象被稱為紅外輻射。輻射是物體自身的分子和原子無間斷、無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而向外發(fā)射出的能量。其輻射量與物體的表面輻射率和溫度密切相關(guān)。物體表面輻射率越大，紅外輻射也越大；反之，表面輻射率越小，紅外輻射也越小。溫度也一樣，同一物體溫度高時(shí)的輻射比溫度低時(shí)的輻射要大。

根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，物體的紅外輻射量與物體表面輻射率和表面積成正比，與表面絕對(duì)溫度四次方成正比，對(duì)應(yīng)公式如下：

W=εδAT4

(1)

式中W——物體熱輻射總功率，W；ε——物體發(fā)射系數(shù)(輻射率)；δ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；A——物體表面積，cm2；T——物體的絕對(duì)溫度，K。

由式1可知，只要能夠檢測(cè)出物體的紅外輻射能量和表面積，再確認(rèn)物體的表面輻射率，就可以推算出物體表面的發(fā)射溫度，這也是紅外檢測(cè)技術(shù)的基本原理[2]。

1.2 紅外熱像儀工作原理

現(xiàn)階段，紅外熱像儀是紅外檢測(cè)和紅外診斷技術(shù)所應(yīng)用的最先進(jìn)儀器，可將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像，所使用的波段一般為：長(zhǎng)波8～14 μm；短波3～5 μm。

紅外熱像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)(紅外探測(cè)器)、信號(hào)處理單元、圖像處理系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)和顯示器等組成。光學(xué)系統(tǒng)吸收物體輻射的紅外線能量，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理器、圖像處理系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成能在顯示器看到的物體紅外圖像。紅外熱像儀的工作原理如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀工作原理

1.3 紅外熱像儀使用方法

在使用紅外熱像儀之前，首先要對(duì)其有初步的認(rèn)識(shí)，要熟悉和了解其主要參數(shù)。主要包含：溫度分辨率、空間分辨率、像素(像元數(shù))、溫度測(cè)量范圍、熱靈敏度、采用幀速率和工作波段等。其中，溫度分辨率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，其參數(shù)大小決定了紅外成像設(shè)備在其測(cè)量范圍內(nèi)熱成像靈敏度的高低，也就是紅外熱像儀判別物體溫度的能力。其次，需要查看紅外熱像儀管理資料的完整性，包含出廠合格證、操作說明書及是否在校驗(yàn)周期內(nèi)，確保其處于完好保存狀態(tài)。

紅外熱像儀開機(jī)后，需完成自身和溫度的自檢，當(dāng)熱圖像穩(wěn)定且數(shù)據(jù)顯示正常后可以開始檢測(cè)。檢測(cè)類型一般有兩種，分為定量檢測(cè)和定性檢測(cè)：定量檢測(cè)是在拍攝的熱圖像上加上溫度的測(cè)量；定性檢測(cè)是拍攝優(yōu)質(zhì)的熱圖像進(jìn)行分析。

為保證紅外熱像儀操作正確、成像質(zhì)量高及診斷精準(zhǔn)，在使用時(shí)需采取下列措施：手動(dòng)或自動(dòng)選擇測(cè)溫量程；記錄影響精確測(cè)溫的目標(biāo)和環(huán)境溫度等因素；合理調(diào)整與被測(cè)物體的距離；適當(dāng)調(diào)整測(cè)量方位和改變焦距；保證儀器拍攝平穩(wěn)以及降低檢測(cè)環(huán)境影響等。對(duì)于初學(xué)者，需通過基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作、分析診斷培訓(xùn)等，充分掌握紅外熱像儀的使用方法和基本技巧。

2 電力設(shè)備紅外熱像檢測(cè)技術(shù)

2.1 電力設(shè)備發(fā)熱機(jī)理

通常情況下，電網(wǎng)中電力設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)在電流電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，主要有電阻損耗、介質(zhì)損耗和鐵損等發(fā)熱形式。在一定的、允許的溫度范圍內(nèi)，發(fā)熱既不會(huì)對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生危害，也不會(huì)影響其運(yùn)行壽命。

若發(fā)熱加劇，達(dá)到一定溫度值或超過設(shè)備允許運(yùn)行溫度值，則會(huì)威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，成為熱故障。

電力設(shè)備因結(jié)構(gòu)性能不同、用途不同、運(yùn)行環(huán)境不同等而使得熱故障種類繁多，一般可分為電流型熱故障(接觸型)、電壓型熱故障、綜合型熱故障、機(jī)械磨損型熱故障和電力設(shè)備部件老化熱故障等，有時(shí)也分為可在電力設(shè)備外部直接觀測(cè)到的外部故障和封閉在設(shè)備殼體內(nèi)部無法直接觀測(cè)到的內(nèi)部故障。

根據(jù)熱力學(xué)理論，設(shè)備熱故障發(fā)熱部位的熱分布圖像應(yīng)與正常運(yùn)行部位不同，因此可通過紅外檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行熱故障識(shí)別和診斷。

2.2 紅外熱像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)階段，紅外熱像儀主要有便攜式成像儀、手持式成像儀、線路適用型成像儀及在線型熱成像儀等，根據(jù)檢測(cè)精度、成像要求和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等不同需求而用于不同類型電力設(shè)備的溫度測(cè)量。正常情況下，紅外熱像儀的測(cè)溫范圍為-20～500 ℃，電力設(shè)備用紅外熱像儀測(cè)量的溫度范圍是-20～300 ℃，滿足電網(wǎng)中各類型電力設(shè)備的測(cè)量需求。

目前，各電力公司將紅外熱像儀測(cè)溫技術(shù)廣泛應(yīng)用于一次設(shè)備如變壓器、電流互感器、電壓互感器、斷路器、電容器、GIS組合電器設(shè)備、隔離開關(guān)、避雷器、絕緣子、電力電纜、電抗器、高壓套管、輸電線路、防雷接地裝置等，同時(shí)也應(yīng)用于二次設(shè)備如繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置、控制器、測(cè)量?jī)x表、通信系統(tǒng)及各類屏柜等[3-4]。

當(dāng)電力設(shè)備有了熱故障，溫度最高的熱故障區(qū)域會(huì)向外輻射能量。此時(shí)使用紅外熱像儀對(duì)該設(shè)備進(jìn)行掃描，就可以直觀地找出最高溫度區(qū)域，也就是熱故障區(qū)域，并能在現(xiàn)場(chǎng)直接、準(zhǔn)確地測(cè)量出熱故障區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度[5]。

運(yùn)維人員根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行熱故障診斷，及時(shí)制定停電消缺方案，確保電力設(shè)備健康穩(wěn)定運(yùn)行。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 故障概況

2021年7月6日，國(guó)網(wǎng)上海青浦供電公司運(yùn)維人員利用紅外熱像儀對(duì)某35 kV變電站進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)主變35 kV側(cè)A相穿墻套管樁頭與母排連接處溫度為97.8 ℃，B相相同部位溫度為53.3 ℃，C相相同部位溫度為55.4 ℃，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度31 ℃，濕度80%。

紅外熱像圖中紅色方框內(nèi)為最高溫度發(fā)熱點(diǎn)位置，如圖2所示。

圖2 2號(hào)主變35 kV穿墻套管紅外熱像圖

該35 kV穿墻套管外絕緣為瓷質(zhì)，額定電流400 A，爬電比距25 mm·kV-1，投運(yùn)于1994年，歷年大修和試驗(yàn)結(jié)果均合格，實(shí)景如圖3所示。

圖3 2號(hào)主變35 kV穿墻套管實(shí)景圖

為排除操作不當(dāng)和環(huán)境影響，檢測(cè)人員進(jìn)行多次檢測(cè)，結(jié)果均一樣。于是將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)公司運(yùn)檢部并根據(jù)DL/T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷 應(yīng)用規(guī)范》附錄H中電流致熱型設(shè)備缺陷診斷判據(jù)表進(jìn)行缺陷判別[6]。

該發(fā)熱部位屬于金屬部件與金屬部件的連接，熱像特征為以線夾和接頭為中心的熱像，熱點(diǎn)明顯。由紅外熱像儀可推算出：A相套管樁頭與母排連接處的熱點(diǎn)溫度滿足90 ℃≤熱點(diǎn)溫度≤130 ℃；相對(duì)溫差為(97.8-53.3)/(97.8-31.0)×100%=66.62%；診斷為嚴(yán)重缺陷。

3.2 故障處理

2021年7月16日，公司運(yùn)檢部對(duì)2號(hào)主變35 kV穿墻套管進(jìn)行停電消缺。

檢修人員將該35 kV側(cè)A相穿墻套管拆除后解體發(fā)現(xiàn)：穿墻套管下側(cè)的墊片斷裂，套管內(nèi)部管壁受潮嚴(yán)重，母排已經(jīng)整體受潮氧化呈銅綠色，如圖4所示。

圖4 A相穿墻套管母排受潮氧化嚴(yán)重

隨后檢修人員對(duì)2號(hào)主變35 kV側(cè)A相穿墻套管進(jìn)行更換、母排進(jìn)行除銹等處理，試驗(yàn)合格后投入運(yùn)行。次日對(duì)2號(hào)主變35 kV穿墻套管再次進(jìn)行紅外熱像儀復(fù)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。圖5顯示，結(jié)果正常，A相穿墻套管缺陷消除。

圖5 2號(hào)主變35 kV穿墻套管復(fù)測(cè)紅外熱像圖

3.3 故障分析

檢測(cè)人員分析發(fā)現(xiàn)近期連續(xù)降雨加上氣溫偏高，空氣總體濕度大。由于A相穿墻套管下側(cè)的墊片斷裂導(dǎo)致濕氣進(jìn)入套管內(nèi)部，長(zhǎng)期運(yùn)行使得母排氧化、接觸不良，導(dǎo)致電阻的增加，從而引起發(fā)熱，溫度升高又會(huì)進(jìn)一步加劇母排的氧化，導(dǎo)致電阻進(jìn)一步增大，如此形成惡性循環(huán)，最終形成熱故障缺陷。通過紅外熱像儀能夠準(zhǔn)確、直觀地發(fā)現(xiàn)該熱故障，再根據(jù)DL/T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》進(jìn)行診斷并判別缺陷類型，避免停電事故的發(fā)生。

因此，在對(duì)電力設(shè)備日常巡視和狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，可利用紅外熱像儀對(duì)變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、套管及母排連接處等易發(fā)熱部位加強(qiáng)檢測(cè)，提高電力設(shè)備熱故障檢出率，提升電網(wǎng)狀態(tài)檢修效率。

4 結(jié)語

近年來，紅外熱像技術(shù)作為一種高效便捷的帶電檢測(cè)技術(shù)廣泛用于電力設(shè)備狀態(tài)檢修和故障診斷。本文介紹了紅外熱像技術(shù)的基本原理、使用方法和電力設(shè)備熱故障的理論知識(shí)，通過紅外熱像儀發(fā)現(xiàn)一起電力設(shè)備發(fā)熱故障并進(jìn)行分析與處理，表明紅外熱像技術(shù)能夠助力運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備發(fā)熱缺陷，有效降低了電力設(shè)備故障發(fā)生率，提升了電網(wǎng)狀態(tài)檢修效率，進(jìn)一步保證了電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。