王 晨，施景壘，陶加貴，肖 雷，陳平春，盧 洋

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

紅外測(cè)溫是一種通過(guò)紅外成像儀將運(yùn)行設(shè)備發(fā)出的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒嵯穹植紙D的技術(shù)。采用這種技術(shù)可以獲得設(shè)備的溫度及熱分布，即設(shè)備熱像圖。設(shè)備熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，可分析判斷設(shè)備可能存在的各種故障缺陷。

根據(jù)2013年江蘇省電力公司帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)紅外測(cè)溫儀發(fā)現(xiàn)的缺陷占缺陷總數(shù)的80 %以上。然而，在紅外測(cè)溫實(shí)施過(guò)程中，由于受環(huán)境參數(shù)、設(shè)備負(fù)荷、人員熟練程度與分析能力的影響，紅外測(cè)溫技術(shù)仍存在諸多不足。本文對(duì)測(cè)試角度、輻射率、風(fēng)速、高倍鏡頭、環(huán)境參數(shù)、負(fù)荷等因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，探討其對(duì)紅外測(cè)溫技術(shù)的影響。

圖1為某35 kV套管接頭發(fā)熱的紅外圖像。從設(shè)備前側(cè)測(cè)試，最高溫度為115.1 ℃，按絕對(duì)溫度判斷，設(shè)備缺陷為嚴(yán)重缺陷；從設(shè)備側(cè)后測(cè)試的最高溫度為135.4 ℃，設(shè)備缺陷變?yōu)槲＜比毕?。因此，不同的測(cè)試角度，會(huì)直接影響缺陷等級(jí)的判斷。

1 電流致熱型缺陷主要影響因素

1.1 測(cè)試角度

朗伯余弦定律指出，物體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比，即黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，在進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)，應(yīng)盡可能選擇從電氣設(shè)備正面拍攝。

對(duì)電流致熱型缺陷，若測(cè)試角度選擇不當(dāng)，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。電流致熱型缺陷大多是由一次設(shè)備連接部位接觸電阻增大引起的，主要存在于接頭、線夾、金屬導(dǎo)線、隔離開關(guān)轉(zhuǎn)頭與刀口、斷路器動(dòng)靜觸頭和中間觸頭、電流互感器內(nèi)連接、套管柱頭、電容器熔絲和熔絲座等部位。對(duì)電流致熱型缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)人員常處于設(shè)備下方，測(cè)試角度易受遮擋，多數(shù)情況下難以捕捉最高溫度，而只能通過(guò)熱傳導(dǎo)間接測(cè)量溫度。因此，測(cè)試人員必須熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)，盡可能找到最佳測(cè)試點(diǎn)(一般情況下，設(shè)備正下方是理想的測(cè)試點(diǎn))，并在無(wú)法測(cè)到最高溫度且可能影響判斷缺陷等級(jí)時(shí),應(yīng)結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)、測(cè)試方位，做出適當(dāng)?shù)男拚?/p>

圖1 某500 kV主變35 kV側(cè)紅外圖像

圖2為某35 kV隔離開關(guān)尾吊異常發(fā)熱的紅外圖像。從正下方檢測(cè)最高溫度為102.7 ℃，而從側(cè)下方檢測(cè)最高溫度僅為96.5 ℃。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是發(fā)熱點(diǎn)在尾吊內(nèi)部，當(dāng)從側(cè)下方檢測(cè)時(shí)，視線受到隔刀蓋板阻擋，無(wú)法測(cè)到最高溫度點(diǎn)。

圖1和圖2存在的共同點(diǎn)是：被測(cè)設(shè)備的最高溫度點(diǎn)因受阻礙而難以捕捉。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)境，盡可能找到最佳測(cè)試點(diǎn)。一般情況下，這種阻礙并不影響電流致熱型缺陷的發(fā)現(xiàn)。

圖2 某500 kV變電站35 kV隔離開關(guān)紅外圖像

1.2 調(diào)焦

聚焦不良會(huì)導(dǎo)致圖像模糊不清，同時(shí)影響紅外測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在測(cè)溫過(guò)程中，若測(cè)試距離發(fā)生微小變化，必須重新聚焦。在其他條件不變的情況下，距離越遠(yuǎn)，探測(cè)到的溫度越低，且會(huì)受到傳播介質(zhì)的吸收和散射能力影響。

圖3是不同探測(cè)距離對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的對(duì)比圖(焦距已調(diào)至最佳)。從圖3中可明顯看出：在正確調(diào)焦下，增大檢測(cè)距離會(huì)造成溫度衰減，但不影響發(fā)現(xiàn)距離較遠(yuǎn)的電流致熱型缺陷。因此，在日常紅外巡視時(shí)，正確聚焦有利于電流致熱型缺陷的探測(cè)。

圖3 某500 kV主變35 kV側(cè)不同探測(cè)距離的紅外圖像

目前絕大部分紅外測(cè)溫設(shè)備都可自動(dòng)調(diào)焦，但實(shí)際測(cè)試時(shí)并不能完全依賴這種模式。由于自動(dòng)調(diào)焦是以畫面中某一特定目標(biāo)作為定焦對(duì)象，而實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法保證缺陷設(shè)備即為定焦對(duì)象，因此仍需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，否則會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。

2 電壓致熱型缺陷的主要影響因素

2.1 高倍鏡頭

高倍鏡頭主要針對(duì)距離較遠(yuǎn)的被測(cè)對(duì)象，其中應(yīng)用較多的是對(duì)絕緣子串的精確測(cè)溫。圖4為某500 kV懸式絕緣子，其第3片有發(fā)熱跡象。由于紅外測(cè)溫儀未加裝高倍鏡頭，畫面模糊不清，無(wú)法判斷發(fā)熱是由瓷片表面污穢還是由鐵帽引起的。加裝高倍鏡頭后，紅外圖像清晰；但由于鏡頭角度減小，可視范圍也大大縮小。此時(shí)若要拍攝設(shè)備整體圖像，需增加檢測(cè)距離，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致溫度整體衰減，但仍可通過(guò)溫升來(lái)判別設(shè)備缺陷。

圖4 變電站懸式絕緣子紅外圖像

2.2 風(fēng)速

《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》要求：“一般測(cè)試時(shí)，風(fēng)速應(yīng)不大于5 m/s；精確測(cè)溫時(shí)，風(fēng)速應(yīng)不大于0.5 m/s”。風(fēng)速較高，會(huì)加速對(duì)流冷卻，造成缺陷設(shè)備熱點(diǎn)溫度下降，導(dǎo)致測(cè)得的溫度比常規(guī)情況要低。因此，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，難以發(fā)現(xiàn)溫差低于1 K的電壓致熱型缺陷。

為確定風(fēng)速對(duì)表面溫度的影響，利用升流器給負(fù)載設(shè)備施加電流。通過(guò)調(diào)整調(diào)壓器輸出電壓以獲得試驗(yàn)所需的大電流，來(lái)模擬運(yùn)行中的負(fù)荷；通過(guò)熱電偶傳感器置于待測(cè)設(shè)備表面，測(cè)量設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度；通過(guò)改變風(fēng)速，獲取對(duì)缺陷發(fā)熱溫度的影響。

本次試驗(yàn)對(duì)象是型號(hào)為JKLGYJ-120的導(dǎo)線，額定電流為240 A。在導(dǎo)線上的不同部位布置熱電偶傳感器，1號(hào)熱電偶位于導(dǎo)線端頭處，2號(hào)熱電偶位于導(dǎo)線線鼻子處，3號(hào)熱電偶位于導(dǎo)線左側(cè)，4號(hào)熱電偶位于導(dǎo)線右側(cè)。

給負(fù)載設(shè)備施加90 %負(fù)荷電流(216 A)，用風(fēng)扇模擬自然風(fēng)，通過(guò)風(fēng)扇檔位來(lái)控制風(fēng)速大小。風(fēng)扇距導(dǎo)線距離約1 m，在4個(gè)熱電偶中間位置測(cè)試記錄風(fēng)速大小(誤差為0.1 m/s)。待熱電偶數(shù)值穩(wěn)定后，記錄對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 溫度隨風(fēng)速的變化情況

由此可知：設(shè)備表面溫度隨風(fēng)速的變化較明顯；風(fēng)速越高，設(shè)備表面降溫越快，穩(wěn)定后的溫度越低。

2.3 熱輻射

通常情況下，太陽(yáng)輻射會(huì)影響設(shè)備表面溫度或在設(shè)備表面形成反射，從而干擾正常檢測(cè)。同時(shí)，主變、低抗、高抗等溫度較高的設(shè)備也容易對(duì)周邊設(shè)備產(chǎn)生熱輻射。尤其是主變套管、主變避雷器等設(shè)備，由于與主變的距離較近，易受到熱輻射的影響，從而誤判為電壓致熱型缺陷。若要排除此種干擾，需通過(guò)多角度拍攝，觀察是否為環(huán)狀發(fā)熱；若不是，則多為熱輻射干擾影響。

圖5是某110 kV主變高壓側(cè)A，B相套管紅外圖像，其下部有近3 K的溫升，但并非呈環(huán)狀發(fā)熱，因此判定為熱輻射影響。在停電試驗(yàn)中，通過(guò)絕緣電阻、介損等測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該套管正常。

圖5 某110 kV主變高壓側(cè)套管紅外圖像

2.4 濕度

《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》要求“紅外測(cè)溫時(shí)濕度不大于85 %”。濕度較高時(shí)，積污較嚴(yán)重的瓷瓶表面泄漏電流也隨之增加，從而導(dǎo)致表面發(fā)熱。如果設(shè)備介損偏大，內(nèi)部受潮發(fā)熱形成電壓型缺陷，則濕度較大時(shí)紅外測(cè)溫就難以發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

2.5 溫寬

圖6是某35 kV SF6斷路器紅外圖像。從圖6中可以看出：左圖溫寬較大，不易察覺設(shè)備發(fā)熱缺陷；右圖溫寬較小，該斷路器B相上半部發(fā)熱，頂帽溫度高于下法蘭溫度，初步判斷為斷路器靜觸頭發(fā)熱。因此，應(yīng)對(duì)低溫差缺陷宜采用溫寬范圍較小的模式巡視測(cè)溫。

圖6 35 kV SF6斷路器紅外圖像

紅外檢測(cè)人員往往有一種誤解，認(rèn)為設(shè)備過(guò)熱點(diǎn)在圖像上調(diào)整得更亮?xí)鹪O(shè)備維護(hù)、檢修人員的注意和重視，從而及早安排處理。但這種調(diào)整是以層次分明、不影響設(shè)備最熱點(diǎn)的判定為前提的；且溫寬范圍的調(diào)節(jié)并不是一成不變的，切不可調(diào)節(jié)過(guò)度。一般巡視測(cè)溫時(shí)，建議溫寬上限調(diào)整為：環(huán)境溫度10～20 K的溫升范圍；溫寬下限調(diào)整為：低于環(huán)境溫度10 K。此時(shí)既不易漏掉電壓致熱型缺陷，也不會(huì)影響發(fā)現(xiàn)電流致熱型缺陷。

巡視測(cè)溫時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似缺陷后，應(yīng)選取合適的角度、距離、溫寬范圍做精確測(cè)溫。一般精確測(cè)溫時(shí)，溫寬上限應(yīng)略高于熱點(diǎn)最高溫度，溫寬下限以圖譜層次分明為宜。

3 對(duì)缺陷計(jì)算判斷影響較大的因素

3.1 環(huán)境溫度

利用環(huán)境溫度參照體采集環(huán)境溫度的物體，不一定具有真實(shí)的環(huán)境溫度，但具有與被檢測(cè)設(shè)備相似的物理屬性，并與被檢測(cè)設(shè)備處于相似的環(huán)境之中的物體，最好是站內(nèi)不帶電的同類設(shè)備。然而在實(shí)際測(cè)試時(shí)，在變電站內(nèi)難以找到符合條件的設(shè)備，所以目前多將現(xiàn)場(chǎng)空氣溫度作為環(huán)境溫度。

目前，帶電檢測(cè)紅外測(cè)溫針對(duì)電流致熱型缺陷的缺陷等級(jí)判斷，有表面溫度判斷法(即絕對(duì)溫度判斷法)和相對(duì)溫差判斷法2種。

(1)表面溫度判斷法主要適用于電流致熱型和電磁效應(yīng)引起發(fā)熱的設(shè)備。根據(jù)測(cè)得的設(shè)備表面溫度值，對(duì)照GB/T11022《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》中對(duì)各種部件、材料及絕緣介質(zhì)的溫度和溫升極限的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析、判斷。

(2)相對(duì)溫差判斷法主要適用于電流致熱型設(shè)備。特別是對(duì)小負(fù)荷電流致熱型設(shè)備，采用相對(duì)溫差判斷法可降低小負(fù)荷缺陷的漏判率。尤其是在迎峰度夏和迎峰度冬前的帶電檢測(cè)，用電負(fù)荷多未達(dá)到最大負(fù)荷，故此時(shí)缺陷判斷多應(yīng)采用相對(duì)溫差法。

相對(duì)溫差(δt)即2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。電器設(shè)備與金屬部件的連接處以及金屬部件與金屬部件的連接處發(fā)熱缺陷判斷依據(jù)為：δt大于80 %為嚴(yán)重缺陷，δt大于95 %為危急缺陷。

表2是根據(jù)上述計(jì)算方法在改變環(huán)境溫度后的缺陷等級(jí)判斷示例。

表2 不同環(huán)境溫度下缺陷等級(jí)的判斷

從表2可知,在使用相對(duì)溫差法作判據(jù)時(shí)，即使發(fā)熱點(diǎn)和正常相溫度測(cè)試準(zhǔn)確，只要環(huán)境溫度測(cè)試有偏差，也會(huì)影響缺陷的計(jì)算判斷。

在實(shí)際測(cè)試中，很多測(cè)試人員并未攜帶溫濕度計(jì)進(jìn)入變電站，而是在事后估算或者查看天氣預(yù)報(bào)，這與實(shí)際溫濕度可能會(huì)有較大差距。

3.2 負(fù)荷

負(fù)荷變化對(duì)設(shè)備溫度也會(huì)造成影響。負(fù)荷的變化對(duì)熱點(diǎn)溫度變化的影響較大，即使測(cè)量前后相差2 h，所測(cè)溫差也有可能相差30 ℃，因此，測(cè)試人員應(yīng)盡可能選擇當(dāng)天負(fù)荷較大時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。尤其是迎峰度夏前的帶電檢測(cè)，因此時(shí)負(fù)荷還未上升到最大值，為了保證缺陷判斷有一定裕度，除了選擇在測(cè)試當(dāng)日高負(fù)荷時(shí)檢測(cè)，還需使用相對(duì)溫差法對(duì)缺陷進(jìn)行計(jì)算判斷。

3.3 圖片一致性

圖片一致性包括：保證三相圖片在拍攝距離、拍攝方向上的一致，保證與歷史測(cè)溫記錄在拍攝距離、拍攝方向上的一致。距離和角度的不同，會(huì)對(duì)紅外輻射量有一定的影響，尤其是對(duì)電壓致熱型缺陷，即使是溫度較小的變化對(duì)測(cè)溫結(jié)果也會(huì)造成很大影響。某220 kV電纜終端發(fā)熱紅外圖像從不同角度拍攝，最高溫度有近0.9 K的差別，而此類電壓致熱型缺陷即使0.5～1.0 K的溫差也可判定為嚴(yán)重缺陷。因此，在對(duì)這類缺陷紅外測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡可能保證拍攝角度一致，否則測(cè)溫結(jié)果不具可比性。

4 結(jié)論

對(duì)設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫診斷與探究，需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，并在實(shí)踐中對(duì)測(cè)溫方法進(jìn)行細(xì)化和改進(jìn)，以提高紅外測(cè)溫的工作效率和準(zhǔn)確性。本文通過(guò)理論分析，并結(jié)合帶電檢測(cè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了電力設(shè)備紅外測(cè)溫及缺陷判斷的技巧。同時(shí)，還建議紅外檢測(cè)分析人員熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和故障致熱特征，正確理解技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，逐步提升現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和診斷分析水平。

1 羅軍川．電氣設(shè)備紅外診斷實(shí)用教程[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2012.

2 李明霞，錢二剛．紅外測(cè)溫技術(shù)在硬質(zhì)安全工器具試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．電力安全技術(shù)，2012(11)．