电力设备故障的红外热成像诊断

张 赢

（内蒙古东部电力有限公司,内蒙古 呼和浩特 010020）

红外热诊断技术是一种利用红外原理了解和掌握设备使用过程中的状态,早期发现故障及其原因,并预报故障发展趋势的技术。电力设备故障通常伴有发热现象,观察设备的温度,可早期发现这些故障,避免造成事故。最初电力系统广泛使用点式红外测温设备（红外测温枪）感知电力设备的温度,判断其工作是否正常,但使用过程发现点式测温设备只能单点测量,工作效率低、劳动强度大、人员易疲劳,易造成漏检,测量误差大,故障发现不及时。为更好满足及时发现、处理、预防事故的要求,目前电力系统开始推广使用红外热成像测温技术,红外热成像测温技术具有测温范围广、误差小、自动跟踪温度最高点、提供清晰红外图谱和进行智能分析等优点。红外成像设备利用SF6气体对特定波长红外线的强烈吸收作用,还被应用于电力系统中的SF6气体泄漏探测。

1 电力设备热故障的特征及分类

正常运行的电力设备,由于电流、电压的作用,将通过电阻、介质和铁磁损耗3种方式发热。若设备出现异常,其热分布图像与正常情况不同。通常根据异常发热分布位置分为内部故障和外部故障。

外部故障主要指外界可以直接观测到的故障。外部故障又可分为两类：一是长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障,如刀闸压接弹簧接触不良;二是由于表面污秽或机械力作用引起绝缘性能下降造成的过热故障,如绝缘子劣化或严重污秽引起泄漏电流增大的发热。这类故障以局部过热形态向周围辐射红外线,红外热像图显现出以故障点为中心的热场分布,检测和诊断比较容易。产生外部故障原因主要是设备设计不合理、安装工艺不符合要求、外力引起的连接松动、大气环境造成的表面氧化、长期运行零部件老化等。

内部故障主要是指封闭在固体绝缘、油绝缘及设备外壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障。根据产生故障机理可分为以下几类：内部电气连接不良或触头不良故障,如各种高压电气设备内部导电体连接不良、断路器内部触头不良等;介质损耗增大故障,以油作绝缘介质的高压电气设备,一旦出现绝缘介质劣化或进水受潮,都会因介质增加而发热;高压电气设备中的导电体绝缘材料因材质不佳或老化、劣化、进水受潮引起局部放电而发热,如电缆护套内局部放电等;绕组线圈或磁路组成的高压电气设备由于设计不合理、运行不佳和磁回路不正常引起的磁滞、磁饱和、漏磁、铁心片间绝缘破损引起的局部或箱体发热;缺油引起的表面温度分布异常;过负荷或电压变化过大、单相运行等引起设备局部过热。内部故障由于出现在电气设备的内部,无法像外部故障能从设备的外部直接检测出,只能根据各种电气设备的内部结构和运行状态,从电气设备外部显现的温度分布热像图分析判断内部故障。

2 红外热成像诊断方法

a.温度判断法。依据现有标准,对显示温度过热部位根据有关规定进行诊断,该方法虽可以判定部分设备的故障情况,但易受外界条件影响,难以准确判断故障。

b.相对温差法。状况相同或基本相同设备的2个对应测点间温差与其中较热测点温升的比值,其数学表达式为δt=（τ1-τ2）/τ1×100%,当δt＞35%时,可诊断该设备存在缺陷,应予以跟踪监测,必要时安排检修。

c.同类比较法。在同类设备之间进行比较,对同类设备对应部位温度值进行比较,可较容易地判断出设备是否正常,该方法应用范围较广。

d.档案分析法。将测量结果与设备的红外技术档案项比较进行分析,有利于对重要的、结构复杂的设备进行正确判断,同时应参考其他检测结果,如色谱及介质损耗等的变化情况进行综合诊断。

变压器内部结构十分复杂,传热途径多样,故障诊断有一定困难,可从变压器上部开始依次往下进行诊断,即从套管及其引出线接头到升高座、三相分接开关、箱体各个部位及散热器进行检查,采用相间比较法和档案分析法进行初步诊断。初步诊断后,根据具体情况进行处理,采用特殊运行方式,在动态过程中进行某些故障的诊断。如增减负荷诊断、停掉冷却器后诊断、在停电降温过程中诊断,也可在空载、短路试验中用热成像检测诊断。

断路器故障主要是由于内部载流回路接触不良造成过热故障,只要通过温度判断法和相对温差法一般都可以很方便地诊断出故障。

互感器内部故障主要是连接接触不良和绝缘介质缺陷两类故障,正常运行时热像特征是三相温升温差均很小,故在诊断互感器内部故障时采用相间比较法,同时还应与其他检测手段配合诊断,绝缘油不足的缺油现象,热像可清晰显示。

避雷器尽管电压等级、串联元件数目不同,但热像特征有共同之处。正常运行时,发热量都不大,特别是在户外自然冷却条件下,避雷器本体温升很小,比周围环境温度略高,其热场分布均匀,同一相设备的温度相当均匀或呈现上下两端温度稍低,而中部稍高的现象,但总的温差仅在1℃范围内,相间温差也很小。当避雷器内部存在缺陷时,如元件老化、受潮或并联电阻断裂,避雷器整体热像将出现异变,其热场温度出现不均匀,温差增大,温升也显著增高,故障相的最低温度比正常相的最高温度还高,有局部过热或局部温度过低的反常现象。

电力电容器一类是铁壳封装的扁方体,热特征是最高温度分布在大侧面的2/3高度处;另一类为瓷套封装的圆柱形体,介质损耗因数小,温升不高,其热特征是最高温度分布在顶部,当串接后,温度分布是上节低,下节高。两类电力电容器判别缺陷的方法一般是采用相间比较法,其对应部位温差应低于1.5℃,当瓷套封装的圆柱形电容器上、中部出现明显温度梯度时,可能是内部缺油。

电缆内部故障热特征是缺陷部位相应外表面、整体或局部过热,应采用相间比较法确定缺陷部位。

悬式瓷绝缘子串发热量小,热分布呈不对称的马鞍形,即中间温度低,两边高,相邻绝缘子间温差极小,不超过1℃。低值绝缘子热像特征是钢帽温度最高,相邻片间温差超过1℃;零值绝缘子热特征是钢帽温度偏低;污秽绝缘子热像特征是瓷盘表面温度偏高。正常的支柱瓷绝缘子热特征是上部温度较高,下部温度较低,热场分布均匀;当支柱绝缘劣化时,其热场分布将发生改变,可能出现上低下高的温度分布。

导通电流元件设备很多,如各种导线、母线、隔离开关、熔断器、穿墙套管、阻波器等,其结构都很简单,发热机理主要是由于导体连接部位接触不良,绝大部分属外部故障,判断故障方法有温度判断法和相对温差判断法。

3 影响红外热成像诊断的因素

红外热像可将物体表面不为人眼所见的红外辐射转化为可见的红外图像,因此,一般情况下,对设备有无热故障均可作出定性判断。由于红外诊断是一种被动的、非接触式的检测手段,在检测过程中,会受到环境、物体材料、检测方法等多种因素的影响,不能得到精确的测量值,对故障设备不能进行准确诊断。

a.大气吸收的影响。物体的红外辐射在传输过程中,由于大气的吸收使能量衰减。主要是由于大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧等气体分子对一定波长的红外辐射有选择的吸收。因此,在雷、雨、雾、雪和空气湿度高于85%的环境下不能进行红外检测。

b.大气尘埃及悬浮粒子的影响。大气中的尘埃及悬浮粒子的存在使红外辐射在传输过程中能量衰减。由于某些大气尘埃及悬浮粒子的大小与红外辐射的波长相近,对红外辐射产生散射,使红外线辐射偏离了原来的传播方向。因此,应选择在无尘或空气清新的环境下进行红外检测。

c.检测距离的影响。检测距离对红外诊断的影响是多方面的,检测距离越远,大气对红外辐射衰减的影响越大,发热物体在红外成像中的成像面积就越小,特别是对表面温度不均匀的物体,红外热成像的测量值会更低;红外热成像空间分辨率不能满足物体大小和检测距离的要求,测温值将受到物体背景的影响。因此,在满足现场安全距离的情况下,测试人员应尽量靠近被检测设备。

d.风力的影响。当被测设备处于室外露天运行时,在风力较大的环境下,由于受到风速的影响,存在发热缺陷设备的热量会被风力加速散发,使裸露导体及接触件的散热条件得到改善,散热系数增大,使热缺陷设备的温度下降。

因此,对故障后温升较高的设备,如由于电流致热引起发热的设备,一般应在风速≤5m/s的环境下进行测量。对故障后温升不明显的设备,如由于电压致热引起内部缺陷的设备,一般应在风速≤0.5m/s的环境下进行测量。

e.环境温度的影响。当被测设备所处环境温度较低时,存在发热缺陷的设备散热条件好,使热缺陷设备温度较低,可能造成缺陷漏判。因此,一般应在环境温度≥5℃的环境条件下进行红外检测。如果环境温度变化较大,要注意红外热像仪设置调整环境温度,选择合适的环境温度参照物,一般可选择为运行的电气设备的绝缘瓷柱。

f.发射率的影响。物体发射率为0～1,其值与物体的材料、温度和表面状况有关,发射率对测温有很大影响。对带电设备进行一般外部故障巡检时,可选择发射率为0.9。对带电设备进行精确诊断时,可参考下列数值选取：瓷套类发射率选0.92,带漆部位金属类发射率选0.94,金属导线和金属连接件的发射率选0.9。

g.检测角度的影响。根据红外辐射空间分布规律,正对故障设备位置检测时,红外热像仪接收到的红外辐射强度最大。因此,应从多角度进行检测,选择最佳的检测角度。在需要进行复测的情况下,应记录检测位置,以便下次在同一位置检测进行比较。尽量使检测角度不大于30°。

h.太阳光辐射的影响。当被测电气设备处于太阳光辐射时,由于太阳光的反射和漫反射的波长与红外热成像波长相同,影响红外热像仪图像质量和测温精度。同时,由于太阳光照射造成被测物体温度升高,将叠加在被测设备的稳定温升上。因此,应在阴天、多云的环境下进行红外检测,在晴天要避开阳光直接照射或反射入镜,最好选择夜晚（日落后2 h）进行检测,效果较好。

i.被检测设备的影响。故障设备的发热情况与设备的实际负荷有较大关系。因此,检测电流致热的设备,最好在负荷高峰状态下进行,一般不低于额定负荷的30%。同时,设备运行时间应≥6 h,最好在24 h以上。

4 应用情况

赤峰供电公司自2006年末开始在变电所逐渐开展红外成像技术进行故障检测,并发现了一些开关类设备缺陷。2007年2月15日,测量发现赤峰一次变2号变压器二次侧乙刀闸A相刀闸口温度为81.3℃,而其他两相仅为20.7℃。根据《带电设备红外诊断技术应用导则》中相对温差的计算公式计算后,其相对温差为74.5%。《导则》要求相对温差不大于80%为一般缺陷,可以继续运行,但在随后的跟踪监测中发现该相温度逐渐上升。经停电检查发现,其转动球头内弹簧（8个）只有2个完好,其余全部烧坏,更换处理后测温正常。应用红外成像技术还曾发现10 kV隔离开关刀口及接头发热等重大缺陷。

5 结束语

通过红外成像测温能对电气设备进行实时带电检测,发现常规试验手段不能发现的设备故障。但从目前检测结果看,还不能对所有设备的内部故障作出准确判断。因此,对内部故障的检测应将常规试验手段和红外成像检测手段相结合。由于电力设备的多样性和外界环境的复杂性,在红外成像测温时应从一些不太明显的表面现象进行分析,积累一些典型的温度数据和热图谱,在发现异常时进行比较,发现问题时不仅要按照《导则》要求进行定性,而且还要通过其他的检测手段和方法找出发热的成因,具体问题具体分析。