紅外測溫技術在城網配電系統中的應用

張鐘秀,張煒帆

(山西省電力公司原平供電支公司,山西原平 034100)

1 紅外測溫技術概述

任何物體由于其自身分子的運動,都在持續不斷地向外輻射紅外熱能,從而在物體表面形成一定的溫度場,俗稱 “熱像”。電力系統的各類電力設備和線路在正常運行時同樣會產生一定的熱量。隨著設備運行時間的增加,負載的不平衡,某些接點的生銹腐蝕、接觸不良造成的接觸電阻增加,電流增大等現象的發生,都會直接導致設備、線路出現熱態異常和過熱故障。這些異常部位和故障點都會輻射出比正常狀態更多更強的紅外能。通過對物體自身輻射的紅外能量的測量,準確地測定它的表面溫度,這就是紅外測溫所依據的客觀基礎。

按照安裝的測溫頭,將紅外測溫分為點掃描測溫、線掃描測溫、面掃描測溫三大類。在日常應用中,紅外點掃描測溫主要用于單個工件的溫度測溫,成本相對較低但掃描精度不高。若想較為全面地了解設備的溫度分布情況,就必須選擇線掃描測溫或者面掃描測溫系統。對要求較為嚴格的城網配電工作,面掃描測溫是最為合適的選擇。

在面掃描測溫設備中,最常使用到的設備是紅外熱像儀,它可以直觀地生成熱圖像和溫度值,進而對被檢測設備進行分析計算。技術人員應用紅外測溫技術,對電氣設備目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫,檢測出被測物細微的熱狀態變化,準確掌握被測物內外部的發熱情況,實現對設備和線路的故障診斷。紅外熱像儀能夠將探測到的熱量精確量化,能夠對發熱的故障區域進行準確識別和嚴格分析,其直觀的測試效果,高靈敏度、高可靠性的檢測結果,對發現設備隱患非常有效。

2 紅外測溫技術的特性

a)便捷性。紅外測溫技術可在一定距離內實時、定量、在線檢測發熱點的溫度,通過掃描,還可以繪出設備在運行中的溫度梯度熱像圖,而且靈敏度高,不受電磁場干擾,便于現場使用。紅外熱像儀堅實、輕巧、易攜帶,便于進行日常巡檢工作。

b)精確性。紅外熱像儀可以將探測到的數據精確量化,且精度通常都在±2℃以內。它可以在-20～2 000℃的寬量程內以0.05℃的高分辨率檢測電氣設備的熱致故障,揭示出如導線接頭或線夾發熱,以及電氣設備中的局部過熱點等等。紅外測溫技術除了拍攝紅外圖像外,還同時捕獲一幅數字照片,兩者的融合有助于識別和定位故障,從而能夠為第一時間準確修復故障提供可靠的數據資料和依據。

c)安全性。紅外測溫技術具有遠距離、不停電、不接觸、不解體等特點,給電力系統線路狀態在線監測提供了一種有效手段。它能夠在任何儀器允許的范圍內安全地讀取難以接近的或不可到達的目標溫度,還可在測溫較為困難的區域進行精確測量。

d)經濟性。紅外測溫技術在設備在線故障診斷和節約能源等方面發揮著重要的作用。通過紅外測溫技術可連續診斷電路連接問題和通過查找連接處的熱點,以檢測電氣設備的功能狀態;可檢驗電氣組件,開關齒輪或保險絲連接,防止能源消耗;有助于識別回路中電氣的絕緣故障;日常掃描變壓器的熱點可探測開裂的繞組和接線端子;可快速探測操作溫度的微小變化,減少因設備故障造成的開支和維修的范圍。

e)更為強大的功能性。紅外測溫設備配備了功能強大的軟件,用于存儲和分析熱圖像并生成專業報告。通過相關軟件,可以對熱圖像中的發射率、反射溫度補償以及調色板等關鍵參數進行調節,從而進一步提高檢測的準確性。

3 紅外測溫技術在電力系統故障診斷中的應用

電力系統是一個復雜的大系統,組成元件多,分布地域廣,系統特性復雜。從個別元件發生的簡單故障,到可能造成大面積停電后果的嚴重故障,其故障發生情況的差異性很大。紅外熱像儀能夠正確引導預防性維護人員對設備的運行情況進行準確判斷。當設備通過電流或施加電壓時,只要其表面出現溫差,就可用紅外熱像儀把它檢測出來。工作人員可以將測量溫度值與歷史溫度或相同時間同類設備的溫度讀數進行比較,從而判斷是否發生了顯著的溫升、是否會導致部件失效帶來生產隱患。

紅外熱像儀通過紅外圖像有效反映輸電線路的溫度,是少數幾種可以將熱信息瞬間可視化,并加以驗證的診斷技術之一。在專業的紅外分析軟件的幫助下,數秒內便可自動完成分析報告。

從大量的紅外測溫結果來看,線路中電力金具的熱缺陷較多,主要集中在耐張線夾、跳線線夾、接續管、高壓電纜頭等連接部分。導致這些部位發熱的主要原因有三大類:一是氧化腐蝕。大部分導體接頭都在室外壞境中運行,長年受到風、雪、雨、日曬、冰凍等自然侵蝕。這些因素均會加速金具表面的氧化、腐蝕和損傷,氧化層的形成會使金屬接觸面的電阻率增加幾十倍甚至上百倍,接觸電阻增大的部位就會發生異常發熱現象。隨著氧化腐蝕的不斷加劇,可使局部溫度急劇上升,從而導致燒斷接頭造成事故。二是導線接頭松動。由于長期受到機械震動、風力擺動、熱脹冷縮等原因的影響而造成的分接開關的引線頭和接線螺絲松動,會使導線的接觸面積減少。當通過較大電流時,就會引發電流熱效應,電阻越大,產生的熱量也就越大,從而導致接頭部位異常發熱。三是由安裝質量引起的部件發熱。在日常工作中,有時會出現如接頭緊固件未緊到位、安裝時未放緊固螺絲上下的平墊圈或彈簧墊圈、線夾與導線接續前未清刷或未涂電力復合脂、銅鋁過渡接頭安裝不當、線夾結構不好、線夾大小與導線不配套等問題,這些原因都會造成熱缺陷的產生。

在電力設備方面,非接觸紅外測溫儀可以在安全的距離測量一個物體的表面溫度,使其成為電力設備巡檢中不可缺少的工具。利用紅外熱像儀可及時發現在電氣裝置、變壓器、連接器等設備中接頭松動、接觸不良、不平衡負荷、過載、過熱等隱患,迅速確定有嚴重問題的溫升部位,避免產生電弧、短路、燒毀等現象。

如在對原平市消防隊臺區低壓配電箱測溫時發現,總開關A相溫度達到164.83℃(見圖1)。

圖1 未處理的消防隊臺區低壓配電箱紅外熱像圖

由于冬季變壓器負荷增加20 kVA,低壓A相電流145 A,B相電流89 A,C相電流95 A,經分析判定,發熱主要是因三相負荷不平衡造成的。電力負荷的變化會影響設備的溫度,正常的負荷變化引起的溫度升高不會超過規定的75℃。如果負荷增加得較多時,電流加大,設備的薄弱環節就會發熱,發熱連接點的材料會產生變形、氧化等物理或化學變化,如不及時處理,經過多次反復的惡性循環,接頭的連接狀況會越來越差,最后造成接頭熔斷事故。后經調整負荷,更換空氣開關,A相溫度下降到正常范圍內 (見圖2)。

圖2 經處理的消防隊臺區低壓配電箱紅外熱像圖

又如2010年1月,工作人員在對35 kV東社變電站周期性巡視測溫中,監測到10 kV 526東社線C相穿墻套管有異常熱點 (見圖3)。

圖3 未處理的東社35 kV變電站10 kV東社線(526)

由于東社線 (526)高壓穿墻套管與設備線卡為銅鋁直接接觸,且接觸面較小,接觸電阻大,10 kV負荷電流從18 A增加到42 A,最終造成溫度升高。當銅鋁直接接觸,空氣中的水和一氧化碳及其他有害雜質會在接頭接觸表面形成電解液。由于兩極直接接觸,便會有微弱的電流流動,在電解液的作用下,使接觸表面逐漸腐蝕,在金屬表面形成一層氧化膜,從而引起接觸表面電阻增大而發熱。1月22日,對高壓穿墻套管和設備線卡進行更換,并重新測試,發熱現象消除,三相溫度恢復正常 (見圖4)。

圖4 經處理的東社35 kV變電站10 kV東社線(526)

在電網運行中,往往因工況變化、設備老化等原因,導致設備發熱而得不到及時處理釀成故障。紅外測溫技術的推廣應用,為及時處理設備發熱缺陷提供了依據。

4 紅外測溫的影響因素及解決措施

設備故障紅外診斷最核心的問題是要準確地獲得被測設備的溫度分布和故障相關部位的溫度值。這個信息是判斷故障屬性、位置、嚴重程度的客觀依據。因此,對被測設備故障相關部位溫度的計算與合理修正,將是提高檢測設備表面溫度準確性的關鍵環節。然而在現場進行紅外測溫時,由于檢測條件和環境的影響,可能導致結果存在一定的誤差。因此,為了提高紅外測溫的準確度,必須采取相應的對策與措施,改善測溫條件或對測溫結果進行合理修正。

從運行狀態的影響方面看,電氣設備故障一般表現為電流效應引起的發熱故障和電壓效應引起的發熱故障。因此,設備的工作電壓和負荷電流的大小,都將直接影響到紅外測溫與故障診斷的結果。泄漏電流的增大,會造成部分電壓不均勻;而未加載運行或者負荷很低,又會使設備故障發熱不明顯,即使存在較嚴重的故障,也不能以特征性熱異常的形式暴露出來。只有當設備在額定電壓下運行,負荷越大,設備溫升越嚴重,故障點的特征性熱異常才會暴露得越明顯。因此在進行紅外測溫時,為了能夠取得可靠的測量效果,要盡量保證設備在額定電壓和滿負荷下運行,即使不能做到連續滿負荷運行,也應編制一個運行方案,讓設備滿負荷運行一段時間,使設備故障部位達到穩定溫度。

從設備表面發射率方面分析,紅外測溫儀是通過測量設備表面紅外輻射功率來獲得設備溫度信息的。在目標紅外輻射功率相同的情況下,目標的表面發射率不同,也將會得到不同的檢測結果。也就是說,相同輻射功率,發射率越低,就會顯示越高的溫度。而物體表面的發射率主要決定于材料性質和表面狀態,如表面氧化情況,涂層材料,粗糙程度及污穢狀態等。因此為了準確地測量設備溫度,就必須要知道受檢目標的發射率值,并將該值作為計算溫度的重要參數,以便對所測量的溫度輸出值進行發射率修正。消除發射率對測溫結果影響的兩種措施是:一是使用紅外熱像儀進行測量時,查出被測設備部件表面的發射率值進行發射率修正,從而獲得可靠的測溫結果,提高檢測的可靠性;二是對故障頻發的設備部件,運用敷涂適當漆料的方法來增大和穩定其發射率值,使測溫結果具有良好的可比性,以便獲得被測設備表面的真實溫度。

針對氣象和環境條件的影響,要盡量避免不良的氣象環境,如雨、雪、霧及大風等氣候對設備測溫帶來不利的影響。同時,要盡量減少受檢設備以外的其他設備以及太陽輻射對測溫結果造成干擾。因此,應盡量在環境大氣比較干燥、潔凈的時節,選擇在無雨、無霧、無風和環境溫度較穩定的陰天、傍晚以及夜間進行測溫工作。要盡量避開其他輻射,并在不影響安全的條件下,盡可能縮短測溫距離,還要對溫度測量結果進行合理的距離修正,以便得到較為準確的測溫結果。

根據季節性特點的變化,夏冬兩季城鄉用電負荷明顯加大,應針對用電負荷這一周期性的變化起伏,制定一套較為科學的測量方案,在季節性用電高峰期到來之前,選擇滿負荷條件下,對系統進行全面測試,及時發現設備隱患,超前做出整改措施,同時加強在高峰時節的監控工作,對相同時間段的測溫結果做出縱向比較,有針對性地發現設備問題,進一步提高供電可靠性。

在人為誤差方面,要對紅外測溫技術的應用不斷進行規范完善,并注重工作人員的技術培訓工作。在對行架結構比較復雜的線路進行測溫時,要充分應用技術分析,選擇適當的測溫角度和測溫點,以減小測量誤差。同時要加強操作人員對設備的熟悉掌握程度,使工作人員能夠準確讀取紅外測溫儀上的讀數,確保測溫結果的正確性。

5 結束語

利用紅外測溫分析方法,進一步提高電網運行的安全性和可靠性、改進完善其維護體制、逐步實現以工作狀態為依據的實時檢修,可使電網的安全性和經濟性得到長足的提高。運行人員在日常的巡視過程中,使用紅外測溫儀對設備進行檢測,較大幅度地提高了設備的狀態檢測水平,并通過對檢測的結果綜合分析,提高了診斷設備缺陷的技術水平,使設備檢修從傳統的事后維修轉向狀態維修,有效地防止了設備隱患、故障的擴大,減少設備停運損失,從而提高了設備的可靠性和運行的有效度。

[1] 劉劍平,張矛森.紅外測溫診斷技術在電力設備狀態檢測中的應用探索 [C].二OO六年全國發電企業設備優化檢修技術交流研討會論文集,2006年全國發電企業設備優化檢修技術交流研討會,海口,2006,北京:中國電力企業聯合會,2006:564-566.

[2] 羅軍川.電氣設備紅外診斷技術及在四川電網的應用研究[D].重慶大學,2003.

[3] 陳衡.我國紅外診斷技術的現狀與展望 [J].激光與紅外,1998(5):21-24.

[4] 劉曉玲,黃艷洋.紅外熱成像技術在電力設備故障診斷中的應用 [J].儀器儀表用戶,2001(5):14-16.

[5] 黃勇.電力變壓器故障的紅外診斷技術應用研究 [D].重慶大學,2001.

[6] 接曉霞.基于紅外熱像技術的電接觸故障診斷[D].大連理工大學,2007.

[7] 趙振兵,高強,李然,等.紅外測溫在變電站遠程圖像監控系統中的實現 [J].電力系統通信,2005(4):32-34.

[8] 張健,楊立,劉慧開.接觸器內部觸頭熱故障的紅外檢測技術研究 [J].電子器件,2006(3):29-31.