配電設備故障的紅外熱像檢測方法研究

馬一丁 董宇哲

正常運行的配電設備，由于電流、電壓的作用將產生發熱.主要包括電流效應引起的發熱和電壓效應引起的發熱。當配電設備存在缺陷或故障時，缺陷或故障部位的溫度就會產生異常變化。從而引起設備的局部發熱，假設未能及時發現并及時制止這些隱患的發展，最終會促成設備故障或事故的發生，嚴重的會擴大成電網事故。

一、引言

因配電設備故障導致的的事故經常會造成大量的財產損失，同時也對人身安全構成了嚴重的威脅。因此人們越來越關注配電設備的安全運行，這也成為實際生產和日常生活中必須解決的問題。

目前，我國大多企業和民用配電設備為了確保配電設備的安全運行，都定期停機進行維修和檢測，這在一定程度上減少了設備發生故障的概率，提高了運行的安全系數，延長了設備的使用年限。但隨著對設備故障的研究水平的提高，人們又逐步認識到停機進行維修和檢查存在著一定的缺陷，一些潛在的故障在停機狀態下難以發現，并且一些不必要的維修和檢測，不僅浪費了時間，也浪費了維護成本。同時，在進行定期的維修檢測過程中，人為因素也可能造成一些新的故障和隱患。因此，紅外熱成像技術的發展，基于紅外熱成像的設備在線檢測得到了普遍的應用，其應用方面越來越廣泛，特別是對于配電設備的潛在故障檢測，紅外熱成像具有非接觸、安全、快速、大面積掃描和不需停機就能進行檢測等諸多優點，通過紅外熱像儀獲取的設備紅外圖像為基礎的故障診斷成為一個非常有意義的研究方向。

二、紅外熱像儀檢測方法研究現狀

紅外線測溫診斷方法主要有表面溫度判斷法、相對溫差判斷法、同類比較法、熱譜圖分析法、檔案分析法五種。其中表面溫度判斷法就是當前生產試驗人員普遍運用的一種方法，此方法就是根據測得的設備表面溫度值，對照有關規定，凡溫度（或溫升）超過標準者可根據設備溫度超標的程度、設備的重要性及設備承受機械應力的大小來確定設備缺陷的性質，而大多生產人員往往即簡化地根據設備是否發熱及發熱的絕對溫度來主觀臆斷設備是否處于缺陷及缺陷程度，因此此種方法的主觀決定性太強，判據缺乏可靠性，往往引起誤判。筆者個人認為相對溫差判斷法及同類比較法在現場判定更具有客觀性及正確性。

1.相對溫差法，顧名思義即是根據相對溫差判定的方法。相對溫差即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。

溫升——用同一檢測儀器相繼測得的被測物表面溫度和環境溫度參照體表面溫度之差。

溫差——用同一檢測儀器相繼測得的不同被測物或同一被測物不同部位之間的溫度差。

2.環境溫度參照體——用來采集環境溫度的物體叫環境溫度參照體。它可能不具有當時的真實環境溫度，但它具有與被測物相似的物理屬性，并與被測物處在相似的環境之中。如：對于配電箱內塑殼斷路器而言，若測得頂部金屬連片發熱，那么環境溫度參照體則能選擇類似金屬連片或材料相同的金屬部件，而不能選擇其他元器件或其他材質的金屬等。

3.同類比較法即是在同型號同廠家的設備之間比較。同類比較法可分為電流致熱型設備及電壓致熱型設備比較。在同一電氣回路中，當三相電流對稱和三相（或兩相）設備相同時，比較三相（或兩相）電流致熱型（如電流互感器）設備對應部位的溫升值，可判斷設備是否正常。若三相設備同時出現異常，可與同回路的同類設備比較。當三相負荷電流不對稱時，應考慮負荷電流的影響。對于型號規格相同的電壓致熱型設備，可根據其對應點溫升值的差異來判斷設備是否正常。電壓致熱型設備的缺陷宜用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據確定。一般情況下，當同類溫差超過允許溫升值的30%時，應定為重大缺陷。當三相電壓不對稱時應考慮工作電壓的影響。

4.熱譜圖分析法是根據同類設備在正常狀態和異常狀態下的熱譜圖的差異來判斷設備是否正常。檔案分析法則是分析同一設備在不同時期的檢測數據（例如溫升、相對溫差和熱譜圖），找出設備致熱參數的變化趨勢和變化速率，以判斷設備是否正常。

三、存在問題和發展趨勢

紅外熱像儀檢測就現有的檢測方法和判斷依據在實際應用中還存在如下局限性。

1.紅外熱成像受環境影響的局限性

當在戶外或者陽光直射的位置進行配電設備故障紅外檢測時，檢測儀器接收到的紅外輻射，除包括被測設備相應部位自身的輻射以外，還會包括設備其他部位、背景的輻射及直接入射或經背景反射與散射的太陽輻射，這些來自目標以外的輻射都將給故障檢測帶來影響。

在夏季，有過高的大氣環境溫度，在熱平衡狀態下，即使設備未投人運行也會有較高溫度。而在嚴冬因大氣溫度過低，設備與環境溫差越大散熱也越快。因而故障點與正常部位之間的溫差，不利于過熱故障的暴露與識別。

許多設備（如避雷器等）都有較大熱容量，要使內部故障發熱傳遞到表面需要較長時間，會給故障檢測帶來不利影響。

風力（風速）也是影響設備表面對流散熱的重要因索，風速越大、對流散熱量越多。并且，與環境大氣溫差越大，對流散熱量也越多。因此，隨著風速增大，不僅降低良好設備表面相對環境大氣的溫升，而且也降低電氣設備有無故障部位或相間（如故障接頭與線路導線、故障相套管與無故障相套管、絕緣子串中劣化與良好瓷瓶）溫差。

大氣中以水蒸汽及面2為主的氣體分子對一定波長的紅外線有選擇性的吸收作。

2.紅外熱像儀使用成本

紅外熱像儀屬于高新技術產品，價格不菲。普通進口的紅外熱像儀，在沒有錄音、溫度補償設置、最大溫差顯示、最高溫追蹤及更改存儲圖片格式等輔助功能的設備價格在6～15萬元之間。

四、電氣設備主要故障模式

配電設備中，往往由于出現故障而導致設備運行的溫度狀態發生異常。通常，配電設備的缺陷故障的發生總要伴隨相應的熱量損耗的產生：

1.接觸性故障，其發熱是由電流作用在導電電阻上產生的，此類發熱主要出現在導電部件的聯結、連接及接觸處。如果由于某種原因引起導流回路連接故障，就會引起接觸電阻增大，當負荷電流通過時，必然導致局部過熱；

2.介質性故障，其發熱是通過電壓作用產生的，此類發熱主要出現在電容器、互感器內部介質損耗及劣化等問題上。如果配電設備的絕緣部分出現性能劣化或絕緣故障，將會引起絕緣介質損耗增大，在運行電壓作用下也會出現過熱；

3.因絕緣表面臟污、受潮等因素導致的表面泄露電流增大而引起的發熱功率，其發熱是由泄漏電流引起的，此類發熱主要出現在瓷瓶及瓷套管因污穢、受潮等因素導致的泄漏電流增大問題上。

4.具有磁回路的電氣設備，由于磁回路漏磁、磁飽和或鐵心片間絕緣局部短路造成鐵損增大，會引起局部環流或渦流發熱

五、配電設備缺陷判定方法研究

得到設備準確溫度值以后，若設備溫度異常，則應在表面溫度判斷法的基礎上充分結合相對溫差判斷法及同類比較法進行初步判定，現場得出初步結論，若有條件，能結合熱普圖分析法及檔案分析法，多方比較，現場得出最后結論。上表中列出了缺陷的三種性質：一般缺陷，是指對近期安全運行影響不大的缺陷。可列入年、季度檢修計劃中消除；重大缺陷，是指缺陷比較重大，但設備仍可在短期內繼續安全運行的缺陷。應在短期內消除，消除前應加強監視；緊急缺陷，是指嚴重程度已使設備不能安全運行，隨時可能導致發生事故或危及人身安全的缺陷。必須盡快消除或采取必要的安全技術措施進行處理。我們對缺陷作出結論時需謹慎，結論的誤判可能會導致設備的不必要停電，影響供電可靠性或導致設備的漏檢，從而引發人員責任設備事故甚至電網事故或人身傷亡事故。

六、結論

依據配電設備熱缺陷的判據，通過熱圖像采集和軟件分析，對影響熱缺陷判斷的環境因素和人為因素進行識別，為正確診斷配電設備熱缺陷進行指導。建立同一設備在不同時期的檢測數據（例如溫升、相對溫差和熱譜圖）檔案，找出設備致熱參數的變化趨勢和變化速率。

由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標溫差都不大，因此紅外熱圖像對比度低，使分辨細節能力變差。而且像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標。這時就需要采集配電設備的負荷數據（電流、電壓、功率），加以分析。

參考文獻

[1]葛孚寧.基于紅外測溫的設備內部缺陷診斷[J].機電工程技術，2008，37（7）：36.

[2]李宏文，沈金波.電氣防火檢測技術與應用[J].中國建筑工業出版社.

[3]田裕鵬.紅外檢測與診斷技術[J].化學工業出版社.

[4]陳衡，侯善敬.電氣設備故障紅外診斷[M].中國電力出版社，1999.

[5]胡紅光. 電力紅外診斷技術作業與管理[J].中國電力出版社.

[6]李曉剛，付冬梅.紅外熱像檢測與診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2006.

[7]鐔盟，楊艷.淺談紅外熱成像技術在電氣設備上的應用[J].《科技與生活》，2010年第3期.

（作者單位：新東北電氣集團高壓開關有限公司）

作者簡介

馬一丁，男，單位：新東北電氣集團高壓開關有限公司。