張 贏(yíng)

（內(nèi)蒙古東部電力有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

紅外熱診斷技術(shù)是一種利用紅外原理了解和掌握設(shè)備使用過(guò)程中的狀態(tài),早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因,并預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。電力設(shè)備故障通常伴有發(fā)熱現(xiàn)象,觀(guān)察設(shè)備的溫度,可早期發(fā)現(xiàn)這些故障,避免造成事故。最初電力系統(tǒng)廣泛使用點(diǎn)式紅外測(cè)溫設(shè)備（紅外測(cè)溫槍?zhuān)└兄娏υO(shè)備的溫度,判斷其工作是否正常,但使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)點(diǎn)式測(cè)溫設(shè)備只能單點(diǎn)測(cè)量,工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員易疲勞,易造成漏檢,測(cè)量誤差大,故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)。為更好滿(mǎn)足及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防事故的要求,目前電力系統(tǒng)開(kāi)始推廣使用紅外熱成像測(cè)溫技術(shù),紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)溫范圍廣、誤差小、自動(dòng)跟蹤溫度最高點(diǎn)、提供清晰紅外圖譜和進(jìn)行智能分析等優(yōu)點(diǎn)。紅外成像設(shè)備利用SF6氣體對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)的強(qiáng)烈吸收作用,還被應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的SF6氣體泄漏探測(cè)。

1 電力設(shè)備熱故障的特征及分類(lèi)

正常運(yùn)行的電力設(shè)備,由于電流、電壓的作用,將通過(guò)電阻、介質(zhì)和鐵磁損耗3種方式發(fā)熱。若設(shè)備出現(xiàn)異常,其熱分布圖像與正常情況不同。通常根據(jù)異常發(fā)熱分布位置分為內(nèi)部故障和外部故障。

外部故障主要指外界可以直接觀(guān)測(cè)到的故障。外部故障又可分為兩類(lèi)：一是長(zhǎng)期暴露在大氣中的各種裸露電氣接頭因接觸不良等原因引起的過(guò)熱故障,如刀閘壓接彈簧接觸不良;二是由于表面污穢或機(jī)械力作用引起絕緣性能下降造成的過(guò)熱故障,如絕緣子劣化或嚴(yán)重污穢引起泄漏電流增大的發(fā)熱。這類(lèi)故障以局部過(guò)熱形態(tài)向周?chē)椛浼t外線(xiàn),紅外熱像圖顯現(xiàn)出以故障點(diǎn)為中心的熱場(chǎng)分布,檢測(cè)和診斷比較容易。產(chǎn)生外部故障原因主要是設(shè)備設(shè)計(jì)不合理、安裝工藝不符合要求、外力引起的連接松動(dòng)、大氣環(huán)境造成的表面氧化、長(zhǎng)期運(yùn)行零部件老化等。

內(nèi)部故障主要是指封閉在固體絕緣、油絕緣及設(shè)備外殼體內(nèi)部的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的各種故障。根據(jù)產(chǎn)生故障機(jī)理可分為以下幾類(lèi)：內(nèi)部電氣連接不良或觸頭不良故障,如各種高壓電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良、斷路器內(nèi)部觸頭不良等;介質(zhì)損耗增大故障,以油作絕緣介質(zhì)的高壓電氣設(shè)備,一旦出現(xiàn)絕緣介質(zhì)劣化或進(jìn)水受潮,都會(huì)因介質(zhì)增加而發(fā)熱;高壓電氣設(shè)備中的導(dǎo)電體絕緣材料因材質(zhì)不佳或老化、劣化、進(jìn)水受潮引起局部放電而發(fā)熱,如電纜護(hù)套內(nèi)局部放電等;繞組線(xiàn)圈或磁路組成的高壓電氣設(shè)備由于設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行不佳和磁回路不正常引起的磁滯、磁飽和、漏磁、鐵心片間絕緣破損引起的局部或箱體發(fā)熱;缺油引起的表面溫度分布異常;過(guò)負(fù)荷或電壓變化過(guò)大、單相運(yùn)行等引起設(shè)備局部過(guò)熱。內(nèi)部故障由于出現(xiàn)在電氣設(shè)備的內(nèi)部,無(wú)法像外部故障能從設(shè)備的外部直接檢測(cè)出,只能根據(jù)各種電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),從電氣設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖分析判斷內(nèi)部故障。

2 紅外熱成像診斷方法

a.溫度判斷法。依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),對(duì)顯示溫度過(guò)熱部位根據(jù)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行診斷,該方法雖可以判定部分設(shè)備的故障情況,但易受外界條件影響,難以準(zhǔn)確判斷故障。

b.相對(duì)溫差法。狀況相同或基本相同設(shè)備的2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)間溫差與其中較熱測(cè)點(diǎn)溫升的比值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為δt=（τ1-τ2）/τ1×100%,當(dāng)δt＞35%時(shí),可診斷該設(shè)備存在缺陷,應(yīng)予以跟蹤監(jiān)測(cè),必要時(shí)安排檢修。

c.同類(lèi)比較法。在同類(lèi)設(shè)備之間進(jìn)行比較,對(duì)同類(lèi)設(shè)備對(duì)應(yīng)部位溫度值進(jìn)行比較,可較容易地判斷出設(shè)備是否正常,該方法應(yīng)用范圍較廣。

d.檔案分析法。將測(cè)量結(jié)果與設(shè)備的紅外技術(shù)檔案項(xiàng)比較進(jìn)行分析,有利于對(duì)重要的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行正確判斷,同時(shí)應(yīng)參考其他檢測(cè)結(jié)果,如色譜及介質(zhì)損耗等的變化情況進(jìn)行綜合診斷。

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,傳熱途徑多樣,故障診斷有一定困難,可從變壓器上部開(kāi)始依次往下進(jìn)行診斷,即從套管及其引出線(xiàn)接頭到升高座、三相分接開(kāi)關(guān)、箱體各個(gè)部位及散熱器進(jìn)行檢查,采用相間比較法和檔案分析法進(jìn)行初步診斷。初步診斷后,根據(jù)具體情況進(jìn)行處理,采用特殊運(yùn)行方式,在動(dòng)態(tài)過(guò)程中進(jìn)行某些故障的診斷。如增減負(fù)荷診斷、停掉冷卻器后診斷、在停電降溫過(guò)程中診斷,也可在空載、短路試驗(yàn)中用熱成像檢測(cè)診斷。

斷路器故障主要是由于內(nèi)部載流回路接觸不良造成過(guò)熱故障,只要通過(guò)溫度判斷法和相對(duì)溫差法一般都可以很方便地診斷出故障。

互感器內(nèi)部故障主要是連接接觸不良和絕緣介質(zhì)缺陷兩類(lèi)故障,正常運(yùn)行時(shí)熱像特征是三相溫升溫差均很小,故在診斷互感器內(nèi)部故障時(shí)采用相間比較法,同時(shí)還應(yīng)與其他檢測(cè)手段配合診斷,絕緣油不足的缺油現(xiàn)象,熱像可清晰顯示。

避雷器盡管電壓等級(jí)、串聯(lián)元件數(shù)目不同,但熱像特征有共同之處。正常運(yùn)行時(shí),發(fā)熱量都不大,特別是在戶(hù)外自然冷卻條件下,避雷器本體溫升很小,比周?chē)h(huán)境溫度略高,其熱場(chǎng)分布均勻,同一相設(shè)備的溫度相當(dāng)均勻或呈現(xiàn)上下兩端溫度稍低,而中部稍高的現(xiàn)象,但總的溫差僅在1℃范圍內(nèi),相間溫差也很小。當(dāng)避雷器內(nèi)部存在缺陷時(shí),如元件老化、受潮或并聯(lián)電阻斷裂,避雷器整體熱像將出現(xiàn)異變,其熱場(chǎng)溫度出現(xiàn)不均勻,溫差增大,溫升也顯著增高,故障相的最低溫度比正常相的最高溫度還高,有局部過(guò)熱或局部溫度過(guò)低的反?，F(xiàn)象。

電力電容器一類(lèi)是鐵殼封裝的扁方體,熱特征是最高溫度分布在大側(cè)面的2/3高度處;另一類(lèi)為瓷套封裝的圓柱形體,介質(zhì)損耗因數(shù)小,溫升不高,其熱特征是最高溫度分布在頂部,當(dāng)串接后,溫度分布是上節(jié)低,下節(jié)高。兩類(lèi)電力電容器判別缺陷的方法一般是采用相間比較法,其對(duì)應(yīng)部位溫差應(yīng)低于1.5℃,當(dāng)瓷套封裝的圓柱形電容器上、中部出現(xiàn)明顯溫度梯度時(shí),可能是內(nèi)部缺油。

電纜內(nèi)部故障熱特征是缺陷部位相應(yīng)外表面、整體或局部過(guò)熱,應(yīng)采用相間比較法確定缺陷部位。

懸式瓷絕緣子串發(fā)熱量小,熱分布呈不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形,即中間溫度低,兩邊高,相鄰絕緣子間溫差極小,不超過(guò)1℃。低值絕緣子熱像特征是鋼帽溫度最高,相鄰片間溫差超過(guò)1℃;零值絕緣子熱特征是鋼帽溫度偏低;污穢絕緣子熱像特征是瓷盤(pán)表面溫度偏高。正常的支柱瓷絕緣子熱特征是上部溫度較高,下部溫度較低,熱場(chǎng)分布均勻;當(dāng)支柱絕緣劣化時(shí),其熱場(chǎng)分布將發(fā)生改變,可能出現(xiàn)上低下高的溫度分布。

導(dǎo)通電流元件設(shè)備很多,如各種導(dǎo)線(xiàn)、母線(xiàn)、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器、穿墻套管、阻波器等,其結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單,發(fā)熱機(jī)理主要是由于導(dǎo)體連接部位接觸不良,絕大部分屬外部故障,判斷故障方法有溫度判斷法和相對(duì)溫差判斷法。

3 影響紅外熱成像診斷的因素

紅外熱像可將物體表面不為人眼所見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的紅外圖像,因此,一般情況下,對(duì)設(shè)備有無(wú)熱故障均可作出定性判斷。由于紅外診斷是一種被動(dòng)的、非接觸式的檢測(cè)手段,在檢測(cè)過(guò)程中,會(huì)受到環(huán)境、物體材料、檢測(cè)方法等多種因素的影響,不能得到精確的測(cè)量值,對(duì)故障設(shè)備不能進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。

a.大氣吸收的影響。物體的紅外輻射在傳輸過(guò)程中,由于大氣的吸收使能量衰減。主要是由于大氣中的水蒸氣、二氧化碳、臭氧等氣體分子對(duì)一定波長(zhǎng)的紅外輻射有選擇的吸收。因此,在雷、雨、霧、雪和空氣濕度高于85%的環(huán)境下不能進(jìn)行紅外檢測(cè)。

b.大氣塵埃及懸浮粒子的影響。大氣中的塵埃及懸浮粒子的存在使紅外輻射在傳輸過(guò)程中能量衰減。由于某些大氣塵埃及懸浮粒子的大小與紅外輻射的波長(zhǎng)相近,對(duì)紅外輻射產(chǎn)生散射,使紅外線(xiàn)輻射偏離了原來(lái)的傳播方向。因此,應(yīng)選擇在無(wú)塵或空氣清新的環(huán)境下進(jìn)行紅外檢測(cè)。

c.檢測(cè)距離的影響。檢測(cè)距離對(duì)紅外診斷的影響是多方面的,檢測(cè)距離越遠(yuǎn),大氣對(duì)紅外輻射衰減的影響越大,發(fā)熱物體在紅外成像中的成像面積就越小,特別是對(duì)表面溫度不均勻的物體,紅外熱成像的測(cè)量值會(huì)更低;紅外熱成像空間分辨率不能滿(mǎn)足物體大小和檢測(cè)距離的要求,測(cè)溫值將受到物體背景的影響。因此,在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)安全距離的情況下,測(cè)試人員應(yīng)盡量靠近被檢測(cè)設(shè)備。

d.風(fēng)力的影響。當(dāng)被測(cè)設(shè)備處于室外露天運(yùn)行時(shí),在風(fēng)力較大的環(huán)境下,由于受到風(fēng)速的影響,存在發(fā)熱缺陷設(shè)備的熱量會(huì)被風(fēng)力加速散發(fā),使裸露導(dǎo)體及接觸件的散熱條件得到改善,散熱系數(shù)增大,使熱缺陷設(shè)備的溫度下降。

因此,對(duì)故障后溫升較高的設(shè)備,如由于電流致熱引起發(fā)熱的設(shè)備,一般應(yīng)在風(fēng)速≤5m/s的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。對(duì)故障后溫升不明顯的設(shè)備,如由于電壓致熱引起內(nèi)部缺陷的設(shè)備,一般應(yīng)在風(fēng)速≤0.5m/s的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

e.環(huán)境溫度的影響。當(dāng)被測(cè)設(shè)備所處環(huán)境溫度較低時(shí),存在發(fā)熱缺陷的設(shè)備散熱條件好,使熱缺陷設(shè)備溫度較低,可能造成缺陷漏判。因此,一般應(yīng)在環(huán)境溫度≥5℃的環(huán)境條件下進(jìn)行紅外檢測(cè)。如果環(huán)境溫度變化較大,要注意紅外熱像儀設(shè)置調(diào)整環(huán)境溫度,選擇合適的環(huán)境溫度參照物,一般可選擇為運(yùn)行的電氣設(shè)備的絕緣瓷柱。

f.發(fā)射率的影響。物體發(fā)射率為0～1,其值與物體的材料、溫度和表面狀況有關(guān),發(fā)射率對(duì)測(cè)溫有很大影響。對(duì)帶電設(shè)備進(jìn)行一般外部故障巡檢時(shí),可選擇發(fā)射率為0.9。對(duì)帶電設(shè)備進(jìn)行精確診斷時(shí),可參考下列數(shù)值選?。捍商最?lèi)發(fā)射率選0.92,帶漆部位金屬類(lèi)發(fā)射率選0.94,金屬導(dǎo)線(xiàn)和金屬連接件的發(fā)射率選0.9。

g.檢測(cè)角度的影響。根據(jù)紅外輻射空間分布規(guī)律,正對(duì)故障設(shè)備位置檢測(cè)時(shí),紅外熱像儀接收到的紅外輻射強(qiáng)度最大。因此,應(yīng)從多角度進(jìn)行檢測(cè),選擇最佳的檢測(cè)角度。在需要進(jìn)行復(fù)測(cè)的情況下,應(yīng)記錄檢測(cè)位置,以便下次在同一位置檢測(cè)進(jìn)行比較。盡量使檢測(cè)角度不大于30°。

h.太陽(yáng)光輻射的影響。當(dāng)被測(cè)電氣設(shè)備處于太陽(yáng)光輻射時(shí),由于太陽(yáng)光的反射和漫反射的波長(zhǎng)與紅外熱成像波長(zhǎng)相同,影響紅外熱像儀圖像質(zhì)量和測(cè)溫精度。同時(shí),由于太陽(yáng)光照射造成被測(cè)物體溫度升高,將疊加在被測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定溫升上。因此,應(yīng)在陰天、多云的環(huán)境下進(jìn)行紅外檢測(cè),在晴天要避開(kāi)陽(yáng)光直接照射或反射入鏡,最好選擇夜晚（日落后2 h）進(jìn)行檢測(cè),效果較好。

i.被檢測(cè)設(shè)備的影響。故障設(shè)備的發(fā)熱情況與設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷有較大關(guān)系。因此,檢測(cè)電流致熱的設(shè)備,最好在負(fù)荷高峰狀態(tài)下進(jìn)行,一般不低于額定負(fù)荷的30%。同時(shí),設(shè)備運(yùn)行時(shí)間應(yīng)≥6 h,最好在24 h以上。

4 應(yīng)用情況

赤峰供電公司自2006年末開(kāi)始在變電所逐漸開(kāi)展紅外成像技術(shù)進(jìn)行故障檢測(cè),并發(fā)現(xiàn)了一些開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備缺陷。2007年2月15日,測(cè)量發(fā)現(xiàn)赤峰一次變2號(hào)變壓器二次側(cè)乙刀閘A相刀閘口溫度為81.3℃,而其他兩相僅為20.7℃。根據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》中相對(duì)溫差的計(jì)算公式計(jì)算后,其相對(duì)溫差為74.5%。《導(dǎo)則》要求相對(duì)溫差不大于80%為一般缺陷,可以繼續(xù)運(yùn)行,但在隨后的跟蹤監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)該相溫度逐漸上升。經(jīng)停電檢查發(fā)現(xiàn),其轉(zhuǎn)動(dòng)球頭內(nèi)彈簧（8個(gè)）只有2個(gè)完好,其余全部燒壞,更換處理后測(cè)溫正常。應(yīng)用紅外成像技術(shù)還曾發(fā)現(xiàn)10 kV隔離開(kāi)關(guān)刀口及接頭發(fā)熱等重大缺陷。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)紅外成像測(cè)溫能對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)帶電檢測(cè),發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗(yàn)手段不能發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障。但從目前檢測(cè)結(jié)果看,還不能對(duì)所有設(shè)備的內(nèi)部故障作出準(zhǔn)確判斷。因此,對(duì)內(nèi)部故障的檢測(cè)應(yīng)將常規(guī)試驗(yàn)手段和紅外成像檢測(cè)手段相結(jié)合。由于電力設(shè)備的多樣性和外界環(huán)境的復(fù)雜性,在紅外成像測(cè)溫時(shí)應(yīng)從一些不太明顯的表面現(xiàn)象進(jìn)行分析,積累一些典型的溫度數(shù)據(jù)和熱圖譜,在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不僅要按照《導(dǎo)則》要求進(jìn)行定性,而且還要通過(guò)其他的檢測(cè)手段和方法找出發(fā)熱的成因,具體問(wèn)題具體分析。