電氣設備載流部件紅外診斷的相對溫差判斷法

申大勇

(錦州石化公司設備研究所,錦州 121001)

通過紅外診斷發現的電氣設備缺陷中,大量的為載流部件過熱缺陷。此類過熱缺陷由電流效應所致,引發的原因為：接觸電阻增大、導體材質不良或導體損傷,而前者是最主要的。雖然在電氣設備預防性試驗規程中,規定對開關類設備的主回路電阻、變壓器類設備的直流電阻等項目進行測試[1],但系統中仍然存在許多這類缺陷未被檢測。因此,在現階段的電氣設備紅外診斷工作中,診斷載流部件過熱缺陷仍是其中的主要內容之一。

由于紅外診斷技術在保證電力安全生產和提高供電可靠性方面取得了明顯的效果,同時,其經濟效益十分顯著,在工業發達的國家更是普遍推廣使用,應用范圍也從最初的電器設備和電力線路開始擴大到發電廠等相關領域。對電氣設備而言,通過熱分布場的變化而探測,分析判斷設備內部熱缺陷通過熱傳導而引起外部熱分布場的變化。合理運用并有效地掌握該方法將對此類缺陷檢出,對設備的安全經濟運行具有十分重要的意義。1999年,我國首次發布并實施電力行業標準DL/T 644—1999《帶電設備紅外診斷技術應用導則》(以下簡稱《導則》)。該《導則》中提出了相對溫差判斷法,并給出了明確的參數定義和判斷依據[2],為診斷電氣載流部件的過熱缺陷發揮重要的指導作用。

1 電氣設備紅外診斷方法

《導則》中共提出了五種電氣設備紅外診斷方法：表面溫度判斷法、相對溫差判斷法、同類比較法、熱譜圖分析法以及檔案分析法。

第一種方法直接利用紅外儀器的測量值,對照GB 763—1990《交流高壓電器在長期工作時的發熱》標準,根據設備最高允許溫度或溫升值的規定進行判斷。而其它四種方法實質上都是基于進行比較的策略。其中,相對溫差判斷提出了一個量化的新參量,即相對溫差。對于診斷載流部件過熱缺陷,后三種方法是用于確定存在異常的判據,而前兩種方法則是判斷缺陷性質及其嚴重程度的尺度。第一種方法存在較大的局限性。提出相對溫差判斷法在一定程度上解決了這個問題,可作為判斷載流部件過熱缺陷的基本方法。

下文將對相對溫差判斷法如何能解決表面溫度判斷法的局限性問題,其理論基礎、判據及標準展開分析。

1.1 相對溫差的定義

根據《導則》3.4條,相對溫差定義如下：兩個對應測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數。相對溫差δt可用下式求出：

式中 τ1,T1——發熱點的溫升和溫度;

τ2,T2——正常相對應點的溫升和溫度;

T0——環境參照體的溫度。

由于過熱點和正常點(常選擇同一設備其他相別的相同部位)的散熱條件是近似相同的,且流過設備的三相電流是基本對稱,因此有：

另外,可定義過熱點的電阻相對偏差δr為：

式(4)說明,過熱點的相對溫差δt近似等于它的電阻相對偏差δr。因此,可以根據設備允許的電阻偏差來導出設備允許相對溫差的大小[3]。如果算出了被研究部位的相對溫差值,也就能判斷設備是否存在缺陷,甚至可以確定缺陷的嚴重程度。

1.2 相對溫差判據

根據被測對象的相對溫差大小,可以判斷設備缺陷的嚴重程度。《導則》表1中給出了部分電流致熱型設備的相對溫差判據。

根據相對溫差大小與設備允許電阻偏差之間所存在的對應關系,可以發現《導則》表1中判斷電流致熱型設備缺陷的尺度,基本上是等同于DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》(以下簡稱《規程》)中所要求的。如《規程》對SF6斷路器導電回路電阻的規定。

敞開式斷路器的測量值不大于制造廠規定值的120%,即電阻相對偏差δr為：

在《導則》表1中則規定,對SF6斷路器,當相對溫差值＞20%時判斷為存在缺陷。可見,兩者是相當的。其它的對應內容如表2所示。

表1 部分電流致熱型設備的相對溫差判據

表2 《導則》與《規程》中相關內容的對比

除了表2中所述的內容之外,還應注意兩種設備。第一種是在《規程》中列出了回路電阻試驗項目,但結果要求為運行中自行規定的設備;第二種是在《規程》中沒有列出的,主要是導線、母線及各連接件。對此,可按《導則》提供的“其它導流設備”項進行判斷。其規定為當相對溫差＞35%時判斷設備存在缺陷。

1.3 相對溫差的特點

相對溫差δt的大小實際上反映了過熱點的電阻(接觸電阻或體電阻)相對于正常部位電阻的偏差情況這一本質特征,因此它與負荷大小、環境條件、輻射率等因素都沒有關系。而且,該值是歸一化的,值域為0%≤δt≤100%,能方便制定統一的判斷標準[4]。同時還注意到,在實際應用中,用于計算δt的溫度為熱像儀的測量值,由于輻射率設置偏差的影響,此值可能不是被測物體上的真實溫度。研究表明[4]：改變熱像儀的輻射率設置,測量得到了不同的溫度值,但相對溫差δt仍始終保持不變[5]。由于相對溫差具有以上的特性,因此相對溫差判斷法也就克服了表面溫度判斷法所存在的不足。

2 具體案例故障分析及診斷

筆者所在單位于 1998年引進日本NIKONS270A型紅外熱像儀。在這幾年的工作當中,應用熱像儀對單位內的兩座熱電廠和六座變電站的多臺主設備進行檢測,發現在線電氣設備內,外部熱故障達25處,其中外部嚴重熱故障6處,一般性熱故障10處,內部熱故障8處,故障點最高溫度達133℃。對于所有熱故障點,均及時通知了運行單位,其中嚴重故障點都及時采取了相應的處理措施,對保障電力設備安全運行起到了重要作用。下文將介紹檢測過程中兩個典型例子。

(1)熱電廠3號變電站1號進線紅外熱像圖如圖1所示,相關數據見表3。

圖1 典型的接頭發熱圖像

表1 B相接頭檢測溫度

由式(2)可得：

從表3數據可見,在相同負荷下,B相接頭溫度竟然達到A,C相接頭溫度的3倍,且B相接頭相對溫差也接近86.4%(屬于“重大缺陷”),可見B相接頭存在嚴重的接觸不良。后停電檢查,發現B相接頭處的聯結板表面有一小處凸起,導致兩塊板壓接不緊密,造成接頭接觸不良,引起過熱現象。

(2)焦化1號線B相瓷瓶下接線柱螺母紅外熱像圖如圖2所示,相關數據見表4。

圖2 典型的瓷瓶接頭發熱圖像

表1 B瓷瓶接頭檢測溫度

式由(2)：

B相瓷瓶接頭最高溫度為86℃,相對溫差達82.7%(屬于“重大缺陷”)。所在位置為瓷瓶下接線柱螺母,可能是因為螺母松動而引起的局部溫升,對該部位進行及時處理,該瓷瓶下接線柱螺母擰緊后一直安全運行。

3 結論

相對溫差的大小實際上反映了電阻相對偏差的大小,在一定范圍內,其相對溫差值不受載荷大小、大氣環境、材質輻射率設置等因素的影響。《導則》中確立的相對溫差判據基本上體現了常規電氣試驗標準的基本要求。相對溫差判斷法是用于診斷載流部件過熱缺陷的最主要方法而且是最有效的方法。在實際應用中須注意如下幾點：

(1)計算相對溫差值不但需要被測試部位的溫度,還需知道正常部位及環境參照體的溫度。一般可將三相間溫度最低者作為正常部位,但它必須與被研究部位具有相同的結構、表面特征、電流大小、環境條件以及測量距離。環境參照體的溫度由紅外儀器對處于停役中的設備測量所得,不能用其它方法測得的環境溫度代替。此外,這3個溫度值必須是使用同一臺儀器在同時或相繼測得的值。

(2)雖然相對溫差與環境條件、負荷大小等因素無關,但這結論成立是有范圍的。現場檢測仍應盡量在適宜紅外測試的條件下進行。當發熱點的溫度較小時(＜10K[2]),電流、散熱條件的微小差別以及太陽輻射的作用等因素造成相對顯著的影響,這種情況下得到的相對溫差值可能不可靠。

(3)如果設備三相同時出現過高溫度,還應按表面溫度判斷進行分析。

(4)對于電壓致熱型設備缺陷,理論上可以證明,其相對溫差與介損之間也存在類似的關系。但相對溫差判斷法不適用于電壓致熱型設備缺陷的現場診斷。

[1]DL/T 596—1996 電力設備預防性試驗規程[S].

[2]DL/T 664—1999 帶電設備紅外診斷技術應用導則[S].

[3]陳衡,侯善敬.電力設備故障紅外診斷[M].北京：中國電力出版社,1999：218.

[4]胡世征.電氣設備紅外故障診斷的相對溫差判斷法及判斷標準[J].電網技術,1998(10)：47.

[5]姜建國.故障診斷學及其在電工中的應用[M].科學出版社,1995：107.