红外诊断在电力设备状态检修中的应用

陈昱同，何 杰，闫 杰

（1.长治供电分公司，山西 长治 046011；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

红外诊断在电力设备状态检修中的应用

陈昱同1，何 杰1，闫 杰2

（1.长治供电分公司，山西 长治 046011；2.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

指出电气设备状态检修在国家电网得到广泛开展，阐述了红外诊断技术因其不接触、不停运、不取样等优点，能及时发现运行中电气设备的热缺陷，为电气设备的状态评估和检修计划的制定提供依据。介绍了红外诊断技术在电力系统的应用、红外诊断方法、影响因素及应用实例，并就其深入推广应用提出建设性建议。

红外诊断；状态检修；电气设备；热故障

0 引言

作为一门前沿学科，红外诊断技术于20世纪60年代在国外应用于电力设备的热缺陷检测，我国电力部门从20世纪80年代末开始引进红外热像仪，并相继开展了理论方面的探讨与研究[1]。近年来，红外诊断技术作为一种无损检测手段，在电力系统设备故障诊断方面得到了广泛应用[2，3]，为保障电气设备的稳定运行起到了重要作用。

状态检修是企业以安全、环境、效益等为基础，通过设备的状态评价、风险分析、检修决策等手段开展设备检修工作，达到设备运行安全可靠、检修成本合理的一种设备检修策略[4]。状态检修作为一种科学的检修模式，克服了定期计划检修的盲目性，具有很高的安全性和经济价值。

状态检修的核心是电气设备状态评估，通过设备状态评估对故障的部位、严重程度、发展趋势作出判断，从而制定合理的检修计划。在状态评估中，关键是通过运行、带电测试、在线监测等手段获取设备状态数据。在国家电网《输变电设备状态检修试验规程》中作为新增试验项目，红外诊断被列为所有设备的例行试验项目。本文介绍了红外诊断技术在电力系统中的应用，为电力系统中红外诊断技术的推广普及提供依据。

1 红外诊断原理及在电力系统中的应用

1.1 红外诊断原理概述

自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不断地、自发地辐射出红外线。红外辐射是一种波长在0.76～1 000μm之间的电磁波[5]。红外辐射基本规律[6]表明，物体红外辐射的本质是热辐射，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，热像仪在任意瞬时扫描接收到的红外辐射功率与被扫描表面温度的四次方成正比。因此，经红外探测器将该红外辐射信号功率转换成电信号，电信号的大小与接收到的辐射功率成正比，即电信号与物体表面温度的四次方成正比。因而，热像仪的输出信号可以完全对应地模拟扫描物体表面的空间分布，电信号随物体表面温度变化而变化，从而起到测量物体表面温度的作用。

1.2 红外诊断在电力系统的应用

在电力系统中，许多电气设备和热能动力设备故障都是以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来的，与其相应的红外辐射能量可由红外热像仪进行检测。电气设备热缺陷因发热机理不同可划分为电阻损耗发热、介质损耗发热和铁损发热。由发热部位不同可分为外部缺陷和内部缺陷。外部缺陷是指“凡致热效应部位裸露，能用红外检测直接检测出的缺陷”，内部缺陷是指“凡致热效应部位被封闭，不能用红外检测仪器直接检测，只能通过对设备表面的温度场进行比较、分析和计算才能确定的缺陷”[7]。

外部缺陷一般是以局部过热的形态向其周围辐射红外线，其红外热像为以热缺陷点为中心的热场分布，如刀闸、线夹等部位的发热。因此从设备的热图像中可直观地判断是否存在热缺陷，根据温度分布可准确地确定缺陷的部位。

内部缺陷由于其故障点密封在绝缘材料或金属外壳内，红外辐射基本上不能穿透绝缘材料和设备外壳，所以无法直接用红外热成像装置检测内部热缺陷，如套管缺油故障。故障点的热量可以通过热传导和对流转换，与故障点周围的导体或绝缘材料发生热量传递，引起这些部位的温度升高，特别是与之有电气连接的导体也是传热的良导体，会有显著的温升[8]。通过热图谱特征和电气设备结构特点可以分析内部缺陷原因。

2 红外诊断方法及影响因素

2.1 红外诊断方法

对电气设备进行红外诊断分两个基本步骤，第一步是采集设备表面温度数据即拍摄图谱，第二步是根据红外图谱对设备状态进行判断。这里重点讨论如何对红外图谱进行正确的分析判断。一个完整的判断依据,必须判明两个问题：判断设备是否正常，即判断设备是否有缺陷；判断设备缺陷的严重程度。

目前，红外诊断分析方法主要有表面温度判断法、相对温差判断法、同类比较法、热谱图分析法、档案分析法和实时分析判断法六种[9,10]。

表面温度判断法就是根据测得的设备表面温度值，对照有关规定，凡温度（或温升）超过标准者可根据设备温度超标的程度、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质。在实际应用中，生产人员往往根据设备是否发热及发热的绝对温度来主观臆断设备是否处于缺陷及缺陷程度，使得这种方法容易引起误判。

相对温差法，即根据相对温差判定的方法。相对温差指两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数[10]。其数学表达式为

式中：

τ1和T1——发热点的温升和温度；

τ2和T2——正常相对应点的温升和温度；

T0——环境参照体的温度。

用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体。它可能不具有当时的真实环境温度，但它具有与被测物相似的物理属性并与其处在相似的环境中。

文献[11]提出温差比诊断法，文献[12]提出了电气设备红外诊断的相对温差判别法及判断标准，并作为标准写入了DL/T664-1999《带电设备红外诊断技术应用导则》。相对温差法可排除负荷电流、风速、环境温度、测量距离、发射率选择等因素的影响，直接反应了致热参数的内在关系，使红外诊断工作变得简单易行，检测时只要求各项条件基本相同就可以了。

同类比较法即是在同型号、同厂家的设备之间比较。同类比较法可分为电流致热型设备比较及电压致热型设备比较。在同一电气回路中，当三相电流对称和三相（或两相）设备相同时，比较三相（或两相）电流致热型设备对应部位的温升值，可判断设备是否正常。

热谱图分析法指根据同类设备在正常状态和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常，主要适用于电压致热型设备。档案分析法则是分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热谱图），找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。实时分析判断法是在一段时间内使用红外热像仪连续检测某被测设备，观察设备温度随负载、时间等因素变化的方法。

由于热谱图分析法和档案分析法需要建立大量设备的历史图谱资料，对于红外诊断开展时间不长或者不完善的地区，很难做到。而且不同时期拍摄的红外图谱在负荷电流、环境条件和测量角度、距离等方面不尽相同，不适合进行完全对比，应该只作参考。本文认为同类比较法和相对温差法在几类判断方法中更加客观和准确，易于实现。

在电力设备红外诊断过程中，本文参考DL/T664-2008《带电设备红外诊断应用规范》（以下简称“《规范》”）。先用表面温度判断法根据设备的绝对温度初步判断设备有无异常发热，然后用同类比较法对被检测设备与其他两相或同类设备进行比较。对于电流致热型设备，当温差超过10K（或15K，详情见《规范》）时，结合相对温差法进行判断；对于电压致热型设备，用允许温差或温升进行判断，最终确定热缺陷的严重程度。有条件时可以结合其他几种方法进行综合判断。

2.2 红外诊断中的影响因素

在红外诊断过程中，有一系列主客观因素会对诊断结果产生影响，主要有以下五类[2,3,10]。

2.2.1 检测人员的专业素质

红外检测人员要求熟悉诊断技术及检测仪的基本原理和诊断程序，熟悉被检测设备的结构特点、工作原理及导致设备故障的基本因素，熟悉相关应用标准等。

2.2.2 红外诊断仪器

在进行红外检测之前，应先根据不同的检测对象和检测条件，选择不同类型的红外热像仪，并按规定对仪器进行定期校准。

2.2.3 被测设备

a）辐射率是测试仪器的一个关键参数，针对不同类型的被测设备，应该选择合理的辐射率。

b）电流致热型设备的运行电流和电压致热型设备的运行电压对故障设备的发热有很大的影响，检测时最好在高峰负荷和额定电压下进行，一般应在不低于30%的额定负荷下进行，且设备通电时间不小于6 h。对于小负荷设备的低温缺陷，应加强监视，使其在接近满负荷下运行，充分暴露其缺陷。

2.2.4 检测位置的选择

检测位置包括测试角度和距离。检测位置不仅关系到能否发现故障以及故障发热的测量准确程度，还关系到设备的温度管理。在检测过程中，选择角度应尽量使测试仪的轴线与被测设备的平面垂直，若有偏差，应使偏差不大于30°。检测的距离也是一个主要的影响因素，热像仪必须工作在一个合适的测量距离附近，检测距离过大或过小都会引起温度测量的误差。每次检测时的位置应尽量一致，这样才可对不同时期的检测结果进行比较，便于图谱库的管理。

2.2.5 检测环境

影响红外诊断的环境条件有太阳和背景辐射、环境温度、风速和不良气候条件（如雨、雾、风）等，测试时必须符合红外诊断应用规范的要求。

3 应用实例及建议

3.1 应用实例

为了及早发现设备缺陷、提高设备可靠性，国家电网公司颁布的《输变电设备状态检修试验规程》中，红外热像检测被列为所有设备的例行试验项目。长治供电分公司2009年开始热缺陷核查和精确测温。在2009—2010年测温过程中发现，有98%的缺陷发生于电流致热型设备，很少发现电压致热型设备和综合致热型设备缺陷。下面介绍两个测温实例。

图1 某220 kV三相刀闸

图1是一组220 kV刀闸红外图谱。在测温过程中发现C相刀闸转轴处发热，A、B、C三相刀闸转轴处温度分别为21.3℃、19.3℃和45.5℃，当时的空气温度为15℃。经计算，C相与B相的温差为26.2 K，相对温差为86%，C相缺陷性质为严重缺陷。

该缺陷为电流致热型设备缺陷。这类缺陷多是因为接触电阻过大导致的连接处发热。主要原因是施工过程中螺丝拧紧程度不够，导体接触面不平整、表面粗糙、施工中没有严格按照工艺要求处理、焊接质量差等。发热后又加速了金属氧化，使电阻继续增大，进入恶性循环，导致发热点温度越来越高。

图2是某110 kV变压器磁屏蔽不良引起的外壳局部发热。发热区域温度最高为51.1℃，与周围区域的平均温度相差近10℃。在运行过程中应加强监测，若长期过热，可在大修时加强外壳的磁屏蔽。

图2 某110 kV变压器本体

3.2 对应用发展的建议

为了促进红外检测在运行单位的应用与发展，提出以下三点建议。

3.2.1 提高认识，加强培训

应该加强红外检测技术的培训，一方面提高各级人员的认识水平，另一方面对检测人员进行红外诊断技术专业方面的培训，学习贯彻DL/T664《带电设备红外诊断应用规范》。

3.2.2 提高红外检测仪的配置水平

由于红外测温仪价格较高，各地配置数目少，档次也参差不齐。应加大这方面的投入，对高、中、低档红外测温仪进行合理配置，既要经济又要满足需要。

3.2.3 开展红外普测，建立热图谱库

a）作为状态检修工作中的例行试验，应按规程要求对500 kV以上设备每月测温一次，220 kV设备三个月测温一次，110 kV设备每半年测温一次，同时还应对大负荷设备和老旧设备进行重点测温。

b）红外监测与预防性试验相结合，重点是加强小四器、变压器、断路器的内部热故障检测与判断,另外对线路绝缘子（含合成绝缘子）和高压开关柜、GIS组合电器等设备的红外监测需要积累经验，继续攻关[13]。

c）整理红外诊断过程中的大量测温数据，建立各地区所有一次设备的红外图谱库。

4 结束语

红外诊断技术因其不接触、不停电、应用方便、直观准确等优点被广泛应用于电力系统一次设备的热缺陷监测，是状态检修工作中一项重要的带电检测手段。本文推荐同类比较法和相对温差法。测试时，应选择合适的测温仪，设置好辐射率，并注意环境条件的影响。电气设备红外诊断是一项长期的系统工程，在各地区虽然取得了很大进展，但还应增加科技投入，加大培训力度、建立重要设备的热图谱库，为状态检修提供可靠的红外数据。

［1］ 陈衡.我国红外诊断技术的现状与展望［J］.光与红外，1998（5）：292-296.

［2］ 陈衡，侯善敬.电力设备故障红外诊断［M］.北京：中国电力出版社，1999，5-7.

［3］ 张树军，魏汝祥，范春利.电气设备红外故障诊断中的影响因素分析［J］.激光与红外，2007（2）：140-142.

［4］ Q/GDW168-2008.输变电设备状态检修试验规程［M］.北京：中国电力出版社，2008，2-5.

［5］ R.万兹蒂.红外技术的实际应用［M］.北京：科学出版社，1981，1-7.

［6］ 杨武，王小华，荣命哲，等.基于红外测温技术的高压电力设备温度在线监测传感器的研究［J］.中国电机工程学报，2002（9）：113-117.

［7］ 曹春梅，张晓宏.红外热诊断技术在电力系统中的应用［J］.激光与红外，2006，增刊：781-784．

［8］ 郑新才，李明，张静.红外检测技术在电力设备故障诊断中的应用［J］.电力电气专刊，2007（4）：8-10.

［9］ 程玉兰.红外诊断技术与应用［J］.设备管理与维修，2004（1）：48-50.

［10］ 全国高电压试验技术标准化分技术委员会.DL/T664-2008带电设备红外诊断应用规范［S］.北京：北京电力出版社，2008：1-7.

［11］ 赵墨林，张景生.温差比理论的确立及其在红外检测中的应用［J］.中国电力，1998（5）：47-51.

［12］ 胡世征.电气设备红外诊断的相对温差判断法及判断标准［J］. 电网技术，1998（10）：47-50.

［13］ 袁世禄.红外诊断技术在电气设备状态检修中的应用［J］.华北电力技术，2000（8），18-19．

App lication of Infrared Diagnosis to Condition-based Maintenance of Electrical Equipment

CHEN Yu-tong1， HE Jie1， YAN Jie2
（1.Changzhi Power Supply Com pany，Changzhi，Shanxi 046011，China;2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Condition-based maintenance of electrical equipment has a wide application in State Grid Corporation of China.Because of the advantages，such as non-contact，non-stop operation and no sampling，of infrared diagnosis technique，it could timely discover thermal defects of electrical equipment in operation，and provides basis for condition assessment and the formulation ofmaintenance plan.In this paper，it introduces the application of infrared diagnosis technique in power system,the methods of infrared diagnosis，the influencing factors and application examples.Constructive proposals have been put forward for extensive application of infrared diagnosis technique.

infrared diagnosis；condition-based maintenance；electrical equipment；thermal fault

TN219

B

1671-0320（2011）03-0016-04

2011-01-13，

2011-03-21

陈昱同（1983-），男，山西长治人，2008年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，助理工程师，从事高压试验工作；

何 杰（1983-），男，山西长治人，2009年毕业于天津理工大学电力系统及其自动化专业，助理工程师，从事高压试验工作；

闫 杰（1983-），男，山西太原人，2009年毕业于华北电力大学高电压与绝缘技术专业，助理工程师，从事高压试验工作。