紅外熱像技術在電氣設備故障診斷中的應用

陶霞，牟惠文，趙生虎

(陡河發電廠，河北 唐山 063028)

紅外熱像技術在電氣設備故障診斷中的應用

陶霞，牟惠文，趙生虎

(陡河發電廠，河北 唐山 063028)

介紹了紅外熱像技術的電氣設備故障診斷原理，并通過實際案例分析了電力設備故障紅外診斷的適用范圍及其對電力系統的安全穩定運行所起的重要作用，提出將紅外熱性技術與其他測溫技術相結合以克服紅外熱像技術的局限性，使之在電力系統中發揮更大的作用。

紅外熱像技術;電氣設備;故障診斷;應用

1 引言

隨著現代紅外技術不斷成熟和日臻完善，利用紅外熱像技術的遠距離、不接觸、準確、實時、快速等特點發展起來的電力設備狀態紅外熱像檢測技術，由于在不停電、不取樣、不解體的情況下快速實時地在線檢測和診斷電力設備的大多數故障，所以備受國內外電力行業的重視，并得到快速發展。

2 紅外熱像技術的電氣設備故障診斷原理

世間萬物都會發射人眼看不見的紅外輻射能量，而且，物體的溫度越高，發射的紅外輻射能量越強。既然電力設備故障絕大多數都以局部或整體過熱或者溫度分布異常為征兆，那么只要運用適當的紅外儀器檢測電力設備運行中發射的紅外輻射能量，并轉換成相應的電信號，在經過專門的電信號處理系統處理就可以獲得電力設備表面的溫度分布狀態及其包含的設備運行狀態信息。由于電力設備不用性質、不同的空間分布特征，所以，分析處理紅外檢測到的上述設備運行狀態信息，就能夠對設備中潛伏的故障或事故隱患屬性，具體位置和嚴重程度作出定量的判定。

3 電力設備故障紅外診斷的適用范圍和案例分析

除某些電氣設備的少數內部故障以外，凡是內部的故障發熱能夠在設備外部有溫度響應的故障，均可應用紅外方法做出診斷。所以，紅外方法原則上可以覆蓋所有電氣設備各種故障的診斷。下面將著重從故障的發熱機理，說明電力設備故障紅外診斷的適用范圍并以實例加以詮釋。

3.1 電流致熱型設備故障的診斷

許多高壓電氣設備的內部導流回路因連接不良，接觸電阻增大而出現過熱，這類內部導流回路故障的發熱功率P=I2R，并通過特定的傳熱路徑在設備表面相關部位形成局部特征性熱場分布或紅外熱像。當改變負荷電流時，其發熱功率和表面紅外熱像也隨之改變。所以，通過掃描紀錄設備表面的紅外熱像，不僅可以分辨設備內部導流回路有無連接不良故障，而且還可以判定內部連接故障的具體位置。并且，根據設備表面溫升值的大小，定量判定內部導流回路連接故障的嚴重程度，即對故障程度進行分等定級。這類故障是紅外熱像技術發現的最常見的高壓設備故障

3.1.1 電機故障

案例一:1995年陡河廠4號(G4)發電機(額定有功功率:250MW，75年日本國日立生產)大修時進行靜子線圈的直流電阻測量。發現直流電阻不平衡，互差2.12%，超標。懷疑線棒焊接點焊接不良。采用日本產的TVS-100半導體制冷的紅外熱像儀進行紅外測溫，靜子線圈通入1200A電流，5小時后從熱像儀中觀測到#55線棒延伸線部分溫度:34.5℃，其他部分32℃。由此確定故障點在該處。將包的絕緣層打開，發現絕緣材料云母有過熱跡象，同時發現一大塊焊錫餾子。經化驗證明為該處過熱將錫烤流造。紅外熱像如圖1所示。

圖1 定子線棒焊接不良的紅外熱像

故障處理:將線棒焊接點重新焊接之后，直阻合格，紅外測溫無異常，機組投入正常運行。

案例二:2002年9月15日對陡河廠3號(G3)發電機(額定有功功率:250MW，75年日本國日立生產)進行紅外測溫工作。9∶00發電機靜子線圈三相串接好，通入1400A電流進行了測溫。13∶10許，使用深圳颯特公司生產的SAT-慧眼6000紅外熱像儀觀察，發現發電機勵測6點位置線棒的漸開線部分(Y1的第三根線棒漸開線)溫度明顯升高。高出其他部位2℃。紅外圖像如圖2所示。

故障處理辦法:將缺陷處進行了重新焊接，處理后，紅外測溫未發現異常，機組投入后正常運行。

案例三:2000年11月16日陡河廠5號爐丙排粉機利用小修時對其靜子線圈端部進行敲擊。測量數據如表1所示。

圖2 定子線棒焊接不良的紅外熱像

表1 排粉機敲擊試驗數據

根據敲擊后的試驗數據可知，B相線圈有斷股的跡象，使用SAT-慧眼6000紅外熱像儀觀看電動機靜子的端部發現B相有一部位溫度比較高。剝開絕緣發現第二極向組第一線圈與第二線圈端部引線二股斷一股。重新焊接后，試驗數據合格，電機投入正常運行。

案例四:2003年3月陡河廠8#發電機大修中，對發電機定子鐵心試驗。使用SAT-慧眼6000紅外熱像儀測溫，圖形如圖3所示。

圖3 表面污穢物導致發熱的紅外熱像

試驗標準如表2所示。

表2 發電機鐵損試驗標準

試驗中發現有缺陷鐵芯(20#～21#線棒間的齒部鐵心)最大溫差為17℃，超標。經檢查時因為大修過程中殘留污穢物導致發熱。故障處理:

用37%的鹽酸擦拭臟污處后，試驗結果折算至10000高斯的最大溫差為3.3℃，最高溫升11.06℃，單位鐵損1.23W/kg(鐵心表面積:17791cm2，鐵心重量:81270kg)，鐵損試驗合格。

3.1.2 CT故障

案例五:2002年1月25日陡河發電廠7#發電機出口CT二次直流電阻測量時，發現直流電阻增加了8.4%，超出《電力設備交接和預防性試驗規程》的規定值，進行故障查找時通入直流，使用SAT-慧眼6000紅外成像儀對其進行紅外測溫，發現接頭過熱(內部焊接不良)，屬于內部熱故障。紅外測溫圖形如圖4所示。

圖4 CT內部焊接不良的紅外熱像

故障處理意見:更換備件。

3.1.3 開關故障

陡河廠的220kV隔離開關每年進行一次小修，我們進行220kV隔離開關的紅外測量發現多起過熱故障。限于篇幅，這里只舉一例:

案例六:2011年，使用深圳颯特公司生產的HY-90紅外熱像儀進行220kV隔離開關紅外測溫時發現204－4A相隔離開關東側轉頭溫度偏高，圖像如圖5所示，試驗數據如表3所示。

圖5 隔離開關轉頭溫度偏高的紅外熱像

表3 隔離開關轉頭溫度偏高的試驗數據

根據圖像及數據顯示此隔離開關東側轉頭(P02點)溫度高于西側轉頭(P01點)12.75K，據《帶電設備紅外診斷應用規范》隔離開關的轉頭，“溫差不超過15K，為達到重要缺陷的要求”應當縮短預試周期，加強監測。隨后多次復測，無明顯增長趨勢，待停電預試處理。

3.2 電壓致熱型設備故障的診斷

對于絕緣介質，其損耗:P=U2·ω·C·tgδ，發熱功率主要取決于電壓，所以被稱為電壓致熱型設備。電壓致熱型設備，通常指電壓互感器(PT、CVT、YDR)、避雷器、絕緣子、耦合電容器(OY)、開關斷口均壓電容器、電纜頭等。這些設備往往由于內部缺陷(如介損增大、泄漏電流增大、局部放電等)，或者外部缺陷(如瓷介質表面污穢、裂紋等)導致電壓分布異常和泄漏電流增大產生故障。這類設備致熱效應主要由電壓所引起，與負荷電流沒關系。

案例七:2003年7月用SAT-慧眼6000紅外成像儀對陡河廠220kV設備進行紅外溫度普測時發現220kV 1#站－4母線電容式電壓互感器224－9A相中間變壓器溫度異常，上部較下部高出2℃，紅外圖片如圖6所示。

圖6 CVT中間變壓器溫度異常的紅外熱像

隨后多次復測，無明顯增長趨勢，待停電預試處理。

案例八:2010年5月1號，陡河廠在使用SAT-慧眼6000紅外成像儀對變壓器進行紅外測溫時發現6號主變(T6)底部螺栓過熱，紅外圖像如圖7所示。

圖7 變壓器螺栓溫度異常的紅外熱像

故障分析:運行中的變壓器漏磁在變壓器鐘罩表面感應出較大的電流，正常時此電流通過變壓器鐘罩螺栓、變壓器底座、接地扁鐵泄放至大地。此時，越是緊固的螺栓接觸電阻越小，通過的泄放電流就越大，發熱就越嚴重。反之，則發熱較輕。

故障處理辦法:由于變壓器仍在運行中，因此采取將發熱較嚴重的螺栓進行外跨接短路環(扁鐵)的辦法，以增加螺栓的散熱面并起到較好的分流效果，另將其他與法蘭接觸狀況較差的螺栓清臟，并涂抹增加導電性和防氧化性的電力脂重新緊固，處理后效果良好。

3.3 油浸電氣設備缺油故障的診斷

許多油浸高壓電氣設備，會因漏油而造成缺油或者假油位。由于油面上下介質熱物性參數差異較大，在設備外表可產生與油位對應的明顯梯度，因此，缺油故障也可以應用紅外方法檢測和診斷。

3.4 電力機械故障的診斷

發電機、電動機以及其他各種電力機械因軸承振動或潤滑冷卻油量不足，或因安裝調整不好，軸承受力不正常，引起的軸承磨損過熱;直流電動機換向器因表面臟污或磨損變形引起的高溫過熱故障;發電機碳刷因勵磁電流過大、碳刷壓力太大及碳刷材質不良等原因引起的碳刷高溫過熱故障等，均可應用紅外方法做出診斷。

4 電力設備故障紅外診斷的局限性

任何一種檢測技術與診斷方法都不會是萬能的，紅外熱像技術也不例外。紅外狀態檢測與故障診斷是以對設備表面進行紅外掃描測溫為基礎的，又因為紅外輻射在固體中的穿透能力極其微弱(對金屬導體的穿透厚度只有1μm數量級，對于大多數非導電材料的穿透度也小于1mm)，所以，對于大型復雜電力設備內部故障的某些故障，假如其故障發熱功率太小，或因故障部位距設備表面太遠，由于熱量的橫向傳遞，使故障發熱不能在設備表面產生明顯的特征性響應;或者因設備內部的熱交換過程特別復雜，致使內部的故障發熱也無法在設備表面形成特征性熱場分布。在這種情況下，紅外方法就能難從設備外部檢測到內部的運行狀態，因此也就難以準確地進行故障診斷。

5 結束語

大量的實踐證明，紅外熱像診斷技術對電力生產是十分必要的。它能配合其他的試驗方法準確地找到設備的故障點，也能判定許多故障類型，從而有效地降低了維修費用，保證了電力系統的安全穩定運行，大幅度減少電氣設備的突發性故障，是開展電氣設備狀態檢修的必要手段之一。但是由于紅外輻射的穿透力微弱，紅外方法就能難從設備外部檢測到內部的運行狀態，所以紅外熱像技術有著一定的局限性，如果能尋找出電氣設備內部溫度與表面溫度的關系，將紅外測溫技術與其他測溫技術結合起來，紅外熱像技術將會更好地診斷電氣設備存在的缺陷和事故隱患，為電氣設備的安全運行發揮更大的作用。

［1］ 胡世征，申興忠．紅外熱像技術在河北電網中的應用［J］．激光與紅外，1996，26(2):107 －111．

［2］ 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，2002．

［3］ DL/T664－2008，帶電設備紅外診斷應用規范［S］．

［4］ Q/HBW14701－2008，電力設備交接和預防性試驗規程［S］．

Application of Infrared Thermal Imagery Technology in Fault Diagnosis of Electrical Equipment

TAO Xia，MU Hui-wen，ZHAO Sheng-hu
(Douhe Power Plant，Tangshan 063028，China)

The paper presents the fault diagnosis principle of electrical equipmenton infrared thermal imagery technology．By practical example，analyzed the scope of application of the fault of infrared diagnosis for the powe equipment and its importanteffect to safe and stable operation for the power system．Italso puts forward infrared thermal technology combining with other warm technology to overcome limitations of the infraved thermal imagery technology，make it play greater action in the power system．

infrared thermccl imagery technology;electrical equipment;facclt diagnosis;application

TM76

B

1004－289X(2013)03－0085－04

2012－05－19

陶霞(1980－)女，河北唐山人，漢族，碩士學位，工程師，現從事電力系統高壓試驗工作。