張 江

（國能（連江）港電有限公司，福建 福州 350512）

設(shè)備檢修主要是指對正常運行中的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)條件、運行條件的綜合采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，進(jìn)而制定出與之相適應(yīng)的設(shè)備檢修方案和工作計劃[1]。通過該文方式得到的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)具有較強的直觀性與針對性，可以輔助電氣設(shè)備運行管理技術(shù)人員更好地掌握電網(wǎng)的運行情況，以便制定相應(yīng)的對策。狀態(tài)檢修是指電氣設(shè)備的常見故障出現(xiàn)時能及時采取有效措施對其進(jìn)行處理，以此提高檢修與故障處理方案的針對性與即時性，避免電氣設(shè)備在運行中出現(xiàn)受周期約束的情況，防止電氣設(shè)備的一般故障長時間得不到有效處理，從而惡化為嚴(yán)重故障的現(xiàn)象發(fā)生，全面提高電氣系統(tǒng)的性能。

為保證發(fā)電廠運行的可靠性，可在進(jìn)行相關(guān)工作的過程中引進(jìn)紅外成像技術(shù)。目前，該項技術(shù)在經(jīng)過大量實踐研究后已被證實可以起到診斷電氣設(shè)備故障的作用[2]。因此，紅外成像技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用越來越廣泛。通過采集、記錄、集中決策并分析紅外成像數(shù)據(jù)，可以迅速、精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備在運行中存在的安全隱患，并為電氣設(shè)備的狀態(tài)維護(hù)工作提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。為全面深化該項工作，該文將以紅外成像技術(shù)為支撐，對此進(jìn)行設(shè)計。

1 紅外輻射規(guī)律計算

設(shè)定黑體為k，則k的絕對溫度可以為T（k）。在黑體單位表面積確定的條件下，進(jìn)行光譜輻射度理論中溫度、波長等參數(shù)關(guān)系的分析，兩者關(guān)系如公式（1）所示。

式中：M（T（k），λ）代表光譜輻射度理論中溫度、波長等參數(shù)關(guān)系；h代表普朗克系數(shù)；c代表真空條件下的光速值，一般取值為3.0×108m/s；C1代表光譜輻射照度。

公式（1）也可被稱之為普朗克輻射定律。通過該定律，可以更直觀地掌握“黑體”的光譜分布特性，如“黑體”中T（k）呈現(xiàn)連續(xù)改變的狀態(tài)，可以得到“黑體”在多種溫度條件下的光譜分布曲線，如圖1 所示。

圖1 “黑體”在多種溫度條件下的光譜分布曲線

從圖1 可以看出，當(dāng)溫度條件不變時，“黑體”的波長、照度存在一定的關(guān)系曲線，曲線中有且只有一個極值點（最大值點）[4]。隨著溫度的升高，曲線的幅值也相應(yīng)增加，由此可以認(rèn)為溫度越高，“黑體”的光譜輻射度越大。

在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)明確“黑體”的輻射強度與觀測方向夾角存在一定規(guī)律，可以將該規(guī)律用朗伯余弦定律進(jìn)行描述，如圖2 所示。

圖2 “黑體”在空間中任意方向上的輻射強度與觀測方向夾角的規(guī)律

根據(jù)圖2 進(jìn)行朗伯余弦定律表達(dá)式的描述，如公式（2）所示。

式中：Iθ代表在有夾角θ條件下的輻射強度；I0代表在法線上的輻射強度；θ代表輻射方向與輻射表面間的夾角。

根據(jù)公式（2）可知，當(dāng)θ值為0 時，I0值達(dá)到最大，因此可以參照上述內(nèi)容，分析輻射空間輻射強度規(guī)律。

由表2得出當(dāng)車速在20 km/h時,駕駛室的平順性最好;當(dāng)車速在30 km/h時,其駕駛室的平順性最差.

2 電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的紅外檢測布置與儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)計

電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的紅外檢測布置如圖3 所示。為滿足電氣設(shè)備狀態(tài)檢修作業(yè)需求，設(shè)計方法前，根據(jù)圖3 進(jìn)行檢修工作中的紅外檢測布置設(shè)計。

圖3 電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的紅外檢測布置

目前，市場上針對電氣設(shè)備進(jìn)行紅外探測的各種儀表設(shè)備較多，此類設(shè)備的應(yīng)用范圍很廣。有些是從國外引進(jìn)的，有些是中國公司制造的，這些產(chǎn)品的性能完全可以滿足電氣設(shè)備運行中的日常檢修、維修管理和性能測試需求[5]。為滿足檢測需求，可在完成紅外成像設(shè)備的選型后，根據(jù)表1 進(jìn)行設(shè)備主要參數(shù)特性的分析。紅外成像儀使用環(huán)境要求見表1，紅外成像儀技術(shù)性能指標(biāo)見表2。

表1 紅外成像儀使用環(huán)境要求

表2 紅外成像儀技術(shù)性能指標(biāo)

3 紅外成像在電氣設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用

3.1 電氣設(shè)備發(fā)熱機(jī)理與類型

無論是在正常運行狀態(tài)，還是異常故障狀態(tài)，電氣設(shè)備均與溫度的升高有密切聯(lián)系。當(dāng)有負(fù)荷電流通過時，電氣設(shè)備中的導(dǎo)體連接處會由擰緊螺絲或生銹導(dǎo)致接觸電阻增加，從而引起連接處發(fā)熱[6]。在焊接過程中，由于局部過熱產(chǎn)生的熱量過高，因此會使焊接點的金屬熔化，從而導(dǎo)致焊點的電阻增加，并形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致焊接點失效。這部分熱能的表示如公式（3）所示。

式中：P代表電氣設(shè)備在運行過程中的發(fā)熱功率；Kf代表在交流電路中使電阻增大的系數(shù)，Kf的取值會隨導(dǎo)體直徑、導(dǎo)電率等變大而變大，同時鄰近效應(yīng)越明顯，Kf的取值越大；I代表電氣設(shè)備中流通的負(fù)荷電流；R代表載流導(dǎo)體的直流電阻。

高壓電氣設(shè)備由多種絕緣材料構(gòu)成。當(dāng)電壓作用于設(shè)備時，絕緣材料內(nèi)部的偶極子將發(fā)生劇烈碰撞，由此導(dǎo)致的能量損失將轉(zhuǎn)化為熱能并向裝備表面?zhèn)鬏擺7]。當(dāng)電氣設(shè)備的介質(zhì)出現(xiàn)性能退化或故障時，在正常的電壓下也會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在充油設(shè)備、電容器、互感器等電壓致熱型設(shè)備上。該故障規(guī)律如公式（4）所示。

式中：P0代表介質(zhì)有功損耗；U代表電壓；ω代表角頻率；C代表等值電容值；tgδ代表絕緣價值損耗因數(shù)。

根據(jù)公式（4），媒質(zhì)的有功損失不依賴導(dǎo)線中流過的電流，而是直接與施加電壓的平方成比例。因此，在正常工作過程中，內(nèi)在的介質(zhì)損失會使電壓型電力裝置持續(xù)產(chǎn)生熱量，而絕緣介質(zhì)的絕緣性能惡化將導(dǎo)致介質(zhì)的有功損失進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致裝置的工作溫度進(jìn)一步上升。

電氣設(shè)備故障大致可分為2 類，一類為外部故障，另一類為內(nèi)部故障。外部故障容易被發(fā)現(xiàn)且占比大、危害性小，從紅外成像圖譜上分析也更簡單，其故障特點表現(xiàn)為中心局部溫升[8]。內(nèi)部故障不易被發(fā)現(xiàn)且占比小、危害性大，對紅外成像檢測設(shè)備的要求高。

3.2 紅外成像檢測參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用紅外成像技術(shù)時，為確保最終檢測結(jié)果更接近實際，需要考慮各因素對紅外成像檢測性能的影響，并對檢測參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。分析設(shè)備發(fā)射率對紅外成像檢測的影響，并提出相應(yīng)的解決對策。對一個待檢測的電氣設(shè)備而言，如果給定一個入射輻射，則一定存在如公式（5）所示的關(guān)系。

式中：α代表輻射吸收率；υ代表輻射反射率；τ代表輻射投射率。

在熱平衡狀態(tài)下，被檢測電氣設(shè)備吸收的輻射能量與向外發(fā)射的輻射能量在某一溫度下存在α（T）=ε（T）的關(guān)系，其中ε代表輻射發(fā)射率。當(dāng)ε的取值為1 時，可將電氣設(shè)備看作理想黑體；當(dāng)ε的取值為0 時，可將電氣設(shè)備看作完全透明的物體。為了避免發(fā)射率因素對紅外成像檢測結(jié)果造成影響，該文提出如下對策：在利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行測溫前，明確電氣設(shè)備的材料構(gòu)成和表面形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和相關(guān)資料，查明設(shè)備表面的發(fā)射率，并在紅外檢測儀器上設(shè)定該被檢測電氣設(shè)備的發(fā)射率。

一般在高溫季節(jié)，即便是在沒有啟動或輕載的條件下，電氣設(shè)備表面溫度也很高，此時測溫結(jié)果經(jīng)常顯示出“熱故障”。而在冬季低溫時，由于其與外界溫度相差較大，散熱快，因此熱故障不易被檢測出來。此外，在一些特殊條件下，如環(huán)境溫度波動較大且長期不能與環(huán)境熱平衡，也會給儀器的紅外測溫帶來較大影響。該文針對該問題提出的對策如下：1）盡可能避免在高溫和低溫環(huán)境中檢測電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，同時應(yīng)當(dāng)采用縱橫向同類設(shè)備比較法，對得到的檢測結(jié)果可靠性進(jìn)行檢驗。2）在檢測過程中必須保證周圍環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定。

3.3 電氣設(shè)備并聯(lián)支路異常狀態(tài)分析與狀態(tài)檢修

在完成對紅外成像檢測設(shè)備和電氣設(shè)備的紅外成像后，對2 臺或多臺設(shè)備并聯(lián)可能存在的支路發(fā)熱情況進(jìn)行具體分析。在斷路器和隔離開關(guān)中，存在多個并聯(lián)的觸點或連接環(huán)。在2 個并聯(lián)支路中，用I表示總電流，用R1和R2表示2 個支路的接觸電阻。并聯(lián)支路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 并聯(lián)支路結(jié)構(gòu)示意圖

在該并聯(lián)支路上，端電壓相等，其接觸發(fā)熱損耗分別為P1和P2，發(fā)熱功率與電阻間的關(guān)系如公式（6）所示。

由此可以看出，發(fā)熱功率與電阻存在反比例關(guān)系。因此，支路接觸電阻越大時，其對應(yīng)的發(fā)熱損耗越小，溫度也越低。根據(jù)上述特點并結(jié)合紅外成像技術(shù)檢測到的溫度數(shù)據(jù)，可對電氣設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)是否異常、是否有故障進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。根據(jù)得到的檢測結(jié)果，對該設(shè)備進(jìn)行維修。例如變壓器10kV導(dǎo)線連接位置出現(xiàn)發(fā)熱的情況，維修時應(yīng)當(dāng)結(jié)合紅外成像圖譜對連接位置不發(fā)熱的部位進(jìn)行處理，將支路電阻降低，此時自然發(fā)熱部位的發(fā)熱現(xiàn)象就會逐漸消失。

4 結(jié)語

狀態(tài)檢修是在對設(shè)備運行情況進(jìn)行監(jiān)控的情況下進(jìn)行的一項檢修管理工作。該項工作具有明確的目標(biāo)和較強的針對性，因此狀態(tài)檢修的先決條件是要對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在電氣系統(tǒng)中，對電氣設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控具有2 個功能：一是對電氣系統(tǒng)在運行中的早期故障進(jìn)行檢測，以達(dá)到預(yù)防和控制連鎖故障的目的。二是為了便于電氣設(shè)備的操作和管理，為維修工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而節(jié)省檢修工作中的部分人力和物力。為實現(xiàn)此方面工作，該文進(jìn)行了此次研究，希望通過此次研究，在真正意義上為電氣設(shè)備的運行提供保障。