張萼輝 上海鐵路局科研所

牽引變電所設(shè)備熱缺陷溫度診斷判據(jù)研究

張萼輝 上海鐵路局科研所

制定可靠的溫度診斷判據(jù)是預(yù)警牽引變電所設(shè)備熱缺陷的先決條件。針對電流、電壓致熱型設(shè)備的缺陷溫升特征進行分析，從而提出表面溫度、相對溫度變化率、同相設(shè)備溫差以及同類設(shè)備溫度超限等判據(jù)，并對判據(jù)進行實例化驗證。

牽引變電所；熱缺陷；判據(jù)；診斷

1 引言

紅外熱成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)帶電設(shè)備的溫度信息采集工作。如何通過設(shè)備溫度信息準(zhǔn)確反映帶電設(shè)備缺陷，是實現(xiàn)牽引變電所帶電設(shè)備缺陷自動監(jiān)測的難點之一。目前電力企業(yè)遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)是DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用導(dǎo)則》，此規(guī)范針對電流、電壓致熱型設(shè)備分別給出了溫度、相對溫差及缺陷分類的診斷判據(jù)，較為適用于手持式等數(shù)據(jù)量較小的紅外熱像監(jiān)測，且每種缺陷均采用單一判據(jù)進行診斷，難以滿足在線式紅外熱成像自動監(jiān)測的需要。

此外，與電力系統(tǒng)不同的是，牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷有其自身特點。一方面由于牽引變二次側(cè)的單相輸出，一次側(cè)的三相電流不平衡成為常態(tài)；另一方面，牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷與車輛運行工況的變化密切相關(guān)，波動較大。直接套用電力標(biāo)準(zhǔn)難以保證設(shè)備缺陷診斷的精度。

我所開發(fā)的牽引變電所紅外熱成像智能溫度預(yù)警系統(tǒng)，可對牽引供電設(shè)備運行狀態(tài)的熱分布進行全天候、連續(xù)、實時紅外數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采集的大數(shù)據(jù)量為多種溫度診斷判據(jù)的綜合利用提供了有力支撐。因此，不僅有必要、而且有條件制定基于牽引變電所紅外熱成像智能溫度預(yù)警系統(tǒng)的缺陷診斷判據(jù)。

2 電流致熱型設(shè)備

電流致熱型設(shè)備包括進線端子、隔離開關(guān)、SF6斷路器、電流互感器等。其發(fā)熱主要是電阻損耗：

其發(fā)熱功率與電流的平方以及電阻成正比，供電臂上不發(fā)生短路的情況下電流一般不會突增。電流致熱型設(shè)備發(fā)生缺陷一般是由電阻增大引起，主要原因有：電氣接頭連接不良、觸頭接觸不良、斷股等。這些缺陷與設(shè)備設(shè)計、安裝不當(dāng)、運行維護不當(dāng)或設(shè)備老化有關(guān)。

2.1 電流熱缺陷溫升特征

電流致熱型設(shè)備的熱缺陷可以分為外部熱缺陷和內(nèi)部熱缺陷,其溫升特征有所不同。對于外部熱缺陷，其缺陷的致熱部位是裸露的，大部分是由于電氣接頭老化導(dǎo)致接觸電阻增大，缺陷表面溫度可直接測量。因老化是一個長期過程，接觸電阻逐漸增大，其溫升是一個單調(diào)的緩慢上升過程。

內(nèi)部熱缺陷由于其致熱部位被封閉,小部分熱量可能通過導(dǎo)體傳遞到外部，大部分需通過油、SF6或絕緣紙等介質(zhì)傳到其表面，所以其測量值比實際溫度值要小。對于可能發(fā)生內(nèi)部熱缺陷的設(shè)備，如斷路器、電流互感器等監(jiān)測節(jié)點，需利用多種判據(jù)進行綜合診斷。

2.2 外部熱缺陷診斷判據(jù)

對于外部熱缺陷，首先應(yīng)制定表面溫度超限判據(jù)，此判據(jù)可直接引用DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用導(dǎo)則》中相關(guān)條款（見表1）。

表1 電流致熱型設(shè)備外部熱缺陷診斷判據(jù)

對于相間溫差，必須注意到在設(shè)備完好的情況下，即使?fàn)恳円淮蝹?cè)發(fā)生三相不平衡，設(shè)備的溫度差異也較小。如若相間溫差不大，可忽略三相不平衡的影響；若實測相間溫差大于一般缺陷閾值，必須在相關(guān)供電臂上電流大于100A時重新測試一次，以確認(rèn)溫差是由于設(shè)備接觸電阻增大導(dǎo)致。

若設(shè)備開始發(fā)生老化，其阻值增大是一個長期緩慢過程，很長一段時間內(nèi)，其最大相間溫差都不會超過一般缺陷的閾值。但僅根據(jù)上述表面溫度超限判據(jù)，是無法在缺陷初始階段發(fā)現(xiàn)問題的。因此，必須同時使用相對溫度變化率超限判據(jù)以發(fā)現(xiàn)早期缺陷，公式如下：

式中：

△T為相對溫度變化率；

τ1為前一時刻相對溫差，τ2為后一時刻相對溫差，K；T1為前一時刻實測溫度，T10為前一時刻環(huán)境參照體溫度，℃；

T2為后一時刻實測溫度，T20為后一時刻環(huán)境參照體溫度，℃；

Time為時間跨度，s。

設(shè)置合理的相對溫度變化率閾值，若連續(xù)幾個周期△T都大于此值，即認(rèn)為設(shè)備發(fā)生了熱缺陷，即使最大相間溫差小于一般缺陷閾值，系統(tǒng)也會報警，可及早發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.3 內(nèi)部熱缺陷診斷判據(jù)

內(nèi)部熱缺陷主要發(fā)生在斷路器和電流互感器內(nèi)。同樣引用電力標(biāo)準(zhǔn)作為表面溫度超限判據(jù)作為參考（見表2）。

表2 電流致熱型設(shè)備內(nèi)部熱缺陷診斷判據(jù)

對比外部熱缺陷診斷判據(jù)，可看出內(nèi)部熱缺陷各級診斷判據(jù)的閾值都要低，這是由其溫升特征決定。內(nèi)部熱缺陷的熱量只有一部分能傳導(dǎo)至外部，其溫升不如外部熱缺陷靈敏，若受到外部風(fēng)力情況干擾，更是難以判斷。因此相對溫度變化率超限判據(jù)不適用于內(nèi)部熱缺陷的診斷。

同時，內(nèi)部熱缺陷的熱量需經(jīng)過介質(zhì)傳遞，作為與內(nèi)部電流大小正相關(guān)的外部溫度參數(shù)，介質(zhì)相當(dāng)于一個延遲和積分環(huán)節(jié)，因此三相電流不平衡不再是一個可忽略的因素。在牽引變一次側(cè)不同的相上，即使設(shè)備具有相同的內(nèi)部缺陷，如果電流大小及流經(jīng)時間不同，外部溫度也會有較大差異，因此如表2所示一般缺陷采用相間溫差是不合適的，必須選擇與監(jiān)測對象同相的設(shè)備溫度作為基準(zhǔn)值計算溫差。

圖1為牽引變電所紅外熱成像智能溫度預(yù)警系統(tǒng)中歷史溫度曲線顯示界面。曲線表示的是9天內(nèi)牽引變一次側(cè)A相上可能發(fā)生內(nèi)部熱缺陷的設(shè)備溫度值，可看出其隨環(huán)境溫度變化的一致性非常好，因此可將這些溫度的算術(shù)平均值作為同相設(shè)備溫度值使用。此即為同相設(shè)備溫差超限判據(jù)。

紅外熱像儀的特點是絕對溫度值測量精度偏低，但在合適的環(huán)境溫度下，其相對誤差小于0.05℃。因此，使用同相設(shè)備溫差超限判據(jù)判斷內(nèi)部熱缺陷，不僅充分利用了紅外熱像儀熱靈敏度高的優(yōu)勢，還可抑制風(fēng)速、外界溫度等干擾，提高診斷的準(zhǔn)確性。

圖1 多設(shè)備節(jié)點溫度-時間曲線

3 電壓致熱型設(shè)備

電壓致熱型設(shè)備通常指電壓互感器、避雷器、電容式套管等。電壓致熱缺陷主要是因受潮、老化等因素引起絕緣介質(zhì)不良所致，其在電場中產(chǎn)生極化損耗或電導(dǎo)損耗引起發(fā)熱，局部放電也會產(chǎn)生額外熱量。電壓致熱缺陷一般與運行電壓的平方成正比，與負(fù)荷電流大小無關(guān)。因此牽引變電所三相電流不平衡不會導(dǎo)致電壓致熱型設(shè)備的溫度差異。其發(fā)熱功率由式3決定：

式中：

U為運行電壓，V；XC為耦合容抗，Ω；

ω為系統(tǒng)角頻率，rad/s；

C為電容量，F(xiàn)；

tanθ為耦合電容介質(zhì)損耗的正切值。

3.1 電壓熱缺陷溫升特征

電壓致熱設(shè)備存在缺陷時，往往表現(xiàn)出局部或整體性的溫度異常。由于發(fā)熱部位大多處于內(nèi)部，且損耗不大（發(fā)熱功率從幾瓦到幾十瓦不等，個別可達幾百瓦），缺陷不易在外部以溫度明顯變化的形式表現(xiàn)。

這類設(shè)備的共同點是：一般發(fā)熱不大，溫升值比較穩(wěn)定，在無風(fēng)條件下溫升為：避雷器0.5～10K，耦合電容器1～5K，電磁型電壓互感器4K～6K。在有風(fēng)條件下，其正常溫升比上述數(shù)值要低得多。

3.2 電壓熱缺陷診斷判據(jù)

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用導(dǎo)則》中提出的溫升或溫差判據(jù)，是電壓致熱型設(shè)備的最大允許溫升及同類之間的允許溫差值，應(yīng)基于此導(dǎo)則細化溫度超限判據(jù)（見表3）。

表3 電壓致熱型設(shè)備熱缺陷診斷判據(jù)

電壓致熱型設(shè)備發(fā)熱量小，傳導(dǎo)到外部的熱量還要打折扣，因此測得的溫度值與致熱部位的實際溫度相差很大。若按表面溫度超限判據(jù)進行診斷，會出現(xiàn)嚴(yán)重誤差；同時，相對溫差超限判據(jù)也不適用于缺陷發(fā)熱部位溫升小于1K的電壓致熱型設(shè)備。

對于這類故障，宜采用同類設(shè)備溫差超限判據(jù)。利用被測對象的溫度值與其它兩相上相同設(shè)備的溫度值進行比較，判斷溫差是否超過閾值，從而診斷設(shè)備是否發(fā)生故障。由于紅外熱像儀的相對測溫精度達到0.05℃，因此對于1K的溫升，系統(tǒng)有足夠的分辨率可以區(qū)分。

4 結(jié)束語

牽引變電所室外帶電設(shè)備種類較多，缺陷和溫升特征也各有特點。針對這些特點，制定合理的溫度超限判據(jù)，是對設(shè)備缺陷進行可靠診斷的基礎(chǔ)。根據(jù)本文分析所制定的溫度超限判據(jù)，已在我所開發(fā)的“牽引變電所紅外熱成像智能溫度預(yù)警系統(tǒng)”中得到應(yīng)用，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，溫度超限診斷及預(yù)警功能運行穩(wěn)定可靠。目前在不斷積累數(shù)據(jù)，優(yōu)化判斷閾值，以期進一步提高診斷及預(yù)警的精度。

[1]DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用導(dǎo)則》.

[2]張曉霞.變電站電壓致熱型設(shè)備的紅外測溫診斷[J].電力與能源.2010 (25)∶757-758.

[3]賴岳雄,潘月多.對電流致熱型設(shè)備紅外診斷技術(shù)探討[J].廣東電力. 2004(4)∶49-52.

責(zé)任編輯：王華 張建強
來稿日期：2014-01-27