配電設(shè)備故障的紅外熱像檢測(cè)方法研究

馬一丁 董宇哲

正常運(yùn)行的配電設(shè)備，由于電流、電壓的作用將產(chǎn)生發(fā)熱.主要包括電流效應(yīng)引起的發(fā)熱和電壓效應(yīng)引起的發(fā)熱。當(dāng)配電設(shè)備存在缺陷或故障時(shí)，缺陷或故障部位的溫度就會(huì)產(chǎn)生異常變化。從而引起設(shè)備的局部發(fā)熱，假設(shè)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)制止這些隱患的發(fā)展，最終會(huì)促成設(shè)備故障或事故的發(fā)生，嚴(yán)重的會(huì)擴(kuò)大成電網(wǎng)事故。

一、引言

因配電設(shè)備故障導(dǎo)致的的事故經(jīng)常會(huì)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也對(duì)人身安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此人們?cè)絹碓疥P(guān)注配電設(shè)備的安全運(yùn)行，這也成為實(shí)際生產(chǎn)和日常生活中必須解決的問題。

目前，我國大多企業(yè)和民用配電設(shè)備為了確保配電設(shè)備的安全運(yùn)行，都定期停機(jī)進(jìn)行維修和檢測(cè)，這在一定程度上減少了設(shè)備發(fā)生故障的概率，提高了運(yùn)行的安全系數(shù)，延長了設(shè)備的使用年限。但隨著對(duì)設(shè)備故障的研究水平的提高，人們又逐步認(rèn)識(shí)到停機(jī)進(jìn)行維修和檢查存在著一定的缺陷，一些潛在的故障在停機(jī)狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)，并且一些不必要的維修和檢測(cè)，不僅浪費(fèi)了時(shí)間，也浪費(fèi)了維護(hù)成本。同時(shí)，在進(jìn)行定期的維修檢測(cè)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(shù)的發(fā)展，基于紅外熱成像的設(shè)備在線檢測(cè)得到了普遍的應(yīng)用，其應(yīng)用方面越來越廣泛，特別是對(duì)于配電設(shè)備的潛在故障檢測(cè)，紅外熱成像具有非接觸、安全、快速、大面積掃描和不需停機(jī)就能進(jìn)行檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過紅外熱像儀獲取的設(shè)備紅外圖像為基礎(chǔ)的故障診斷成為一個(gè)非常有意義的研究方向。

二、紅外熱像儀檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

紅外線測(cè)溫診斷方法主要有表面溫度判斷法、相對(duì)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(dāng)前生產(chǎn)試驗(yàn)人員普遍運(yùn)用的一種方法，此方法就是根據(jù)測(cè)得的設(shè)備表面溫度值，對(duì)照有關(guān)規(guī)定，凡溫度（或溫升）超過標(biāo)準(zhǔn)者可根據(jù)設(shè)備溫度超標(biāo)的程度、設(shè)備的重要性及設(shè)備承受機(jī)械應(yīng)力的大小來確定設(shè)備缺陷的性質(zhì)，而大多生產(chǎn)人員往往即簡化地根據(jù)設(shè)備是否發(fā)熱及發(fā)熱的絕對(duì)溫度來主觀臆斷設(shè)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(qiáng)，判據(jù)缺乏可靠性，往往引起誤判。筆者個(gè)人認(rèn)為相對(duì)溫差判斷法及同類比較法在現(xiàn)場判定更具有客觀性及正確性。

1.相對(duì)溫差法，顧名思義即是根據(jù)相對(duì)溫差判定的方法。相對(duì)溫差即兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)。

溫升——用同一檢測(cè)儀器相繼測(cè)得的被測(cè)物表面溫度和環(huán)境溫度參照體表面溫度之差。

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

2.環(huán)境溫度參照體——用來采集環(huán)境溫度的物體叫環(huán)境溫度參照體。它可能不具有當(dāng)時(shí)的真實(shí)環(huán)境溫度，但它具有與被測(cè)物相似的物理屬性，并與被測(cè)物處在相似的環(huán)境之中。如：對(duì)于配電箱內(nèi)塑殼斷路器而言，若測(cè)得頂部金屬連片發(fā)熱，那么環(huán)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(zhì)的金屬等。

3.同類比較法即是在同型號(hào)同廠家的設(shè)備之間比較。同類比較法可分為電流致熱型設(shè)備及電壓致熱型設(shè)備比較。在同一電氣回路中，當(dāng)三相電流對(duì)稱和三相（或兩相）設(shè)備相同時(shí)，比較三相（或兩相）電流致熱型（如電流互感器）設(shè)備對(duì)應(yīng)部位的溫升值，可判斷設(shè)備是否正常。若三相設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)異常，可與同回路的同類設(shè)備比較。當(dāng)三相負(fù)荷電流不對(duì)稱時(shí)，應(yīng)考慮負(fù)荷電流的影響。對(duì)于型號(hào)規(guī)格相同的電壓致熱型設(shè)備，可根據(jù)其對(duì)應(yīng)點(diǎn)溫升值的差異來判斷設(shè)備是否正常。電壓致熱型設(shè)備的缺陷宜用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據(jù)確定。一般情況下，當(dāng)同類溫差超過允許溫升值的30%時(shí)，應(yīng)定為重大缺陷。當(dāng)三相電壓不對(duì)稱時(shí)應(yīng)考慮工作電壓的影響。

4.熱譜圖分析法是根據(jù)同類設(shè)備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱譜圖的差異來判斷設(shè)備是否正常。檔案分析法則是分析同一設(shè)備在不同時(shí)期的檢測(cè)數(shù)據(jù)（例如溫升、相對(duì)溫差和熱譜圖），找出設(shè)備致熱參數(shù)的變化趨勢(shì)和變化速率，以判斷設(shè)備是否正常。

三、存在問題和發(fā)展趨勢(shì)

紅外熱像儀檢測(cè)就現(xiàn)有的檢測(cè)方法和判斷依據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在如下局限性。

1.紅外熱成像受環(huán)境影響的局限性

當(dāng)在戶外或者陽光直射的位置進(jìn)行配電設(shè)備故障紅外檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)儀器接收到的紅外輻射，除包括被測(cè)設(shè)備相應(yīng)部位自身的輻射以外，還會(huì)包括設(shè)備其他部位、背景的輻射及直接入射或經(jīng)背景反射與散射的太陽輻射，這些來自目標(biāo)以外的輻射都將給故障檢測(cè)帶來影響。

在夏季，有過高的大氣環(huán)境溫度，在熱平衡狀態(tài)下，即使設(shè)備未投人運(yùn)行也會(huì)有較高溫度。而在嚴(yán)冬因大氣溫度過低，設(shè)備與環(huán)境溫差越大散熱也越快。因而故障點(diǎn)與正常部位之間的溫差，不利于過熱故障的暴露與識(shí)別。

許多設(shè)備（如避雷器等）都有較大熱容量，要使內(nèi)部故障發(fā)熱傳遞到表面需要較長時(shí)間，會(huì)給故障檢測(cè)帶來不利影響。

風(fēng)力（風(fēng)速）也是影響設(shè)備表面對(duì)流散熱的重要因索，風(fēng)速越大、對(duì)流散熱量越多。并且，與環(huán)境大氣溫差越大，對(duì)流散熱量也越多。因此，隨著風(fēng)速增大，不僅降低良好設(shè)備表面相對(duì)環(huán)境大氣的溫升，而且也降低電氣設(shè)備有無故障部位或相間（如故障接頭與線路導(dǎo)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(duì)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(shù)產(chǎn)品，價(jià)格不菲。普通進(jìn)口的紅外熱像儀，在沒有錄音、溫度補(bǔ)償設(shè)置、最大溫差顯示、最高溫追蹤及更改存儲(chǔ)圖片格式等輔助功能的設(shè)備價(jià)格在6～15萬元之間。

四、電氣設(shè)備主要故障模式

配電設(shè)備中，往往由于出現(xiàn)故障而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的溫度狀態(tài)發(fā)生異常。通常，配電設(shè)備的缺陷故障的發(fā)生總要伴隨相應(yīng)的熱量損耗的產(chǎn)生：

1.接觸性故障，其發(fā)熱是由電流作用在導(dǎo)電電阻上產(chǎn)生的，此類發(fā)熱主要出現(xiàn)在導(dǎo)電部件的聯(lián)結(jié)、連接及接觸處。如果由于某種原因引起導(dǎo)流回路連接故障，就會(huì)引起接觸電阻增大，當(dāng)負(fù)荷電流通過時(shí)，必然導(dǎo)致局部過熱；

2.介質(zhì)性故障，其發(fā)熱是通過電壓作用產(chǎn)生的，此類發(fā)熱主要出現(xiàn)在電容器、互感器內(nèi)部介質(zhì)損耗及劣化等問題上。如果配電設(shè)備的絕緣部分出現(xiàn)性能劣化或絕緣故障，將會(huì)引起絕緣介質(zhì)損耗增大，在運(yùn)行電壓作用下也會(huì)出現(xiàn)過熱；

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

4.具有磁回路的電氣設(shè)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(huì)引起局部環(huán)流或渦流發(fā)熱

五、配電設(shè)備缺陷判定方法研究

得到設(shè)備準(zhǔn)確溫度值以后，若設(shè)備溫度異常，則應(yīng)在表面溫度判斷法的基礎(chǔ)上充分結(jié)合相對(duì)溫差判斷法及同類比較法進(jìn)行初步判定，現(xiàn)場得出初步結(jié)論，若有條件，能結(jié)合熱普?qǐng)D分析法及檔案分析法，多方比較，現(xiàn)場得出最后結(jié)論。上表中列出了缺陷的三種性質(zhì)：一般缺陷，是指對(duì)近期安全運(yùn)行影響不大的缺陷。可列入年、季度檢修計(jì)劃中消除；重大缺陷，是指缺陷比較重大，但設(shè)備仍可在短期內(nèi)繼續(xù)安全運(yùn)行的缺陷。應(yīng)在短期內(nèi)消除，消除前應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視；緊急缺陷，是指嚴(yán)重程度已使設(shè)備不能安全運(yùn)行，隨時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)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(shù)措施進(jìn)行處理。我們對(duì)缺陷作出結(jié)論時(shí)需謹(jǐn)慎，結(jié)論的誤判可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的不必要停電，影響供電可靠性或?qū)е略O(shè)備的漏檢，從而引發(fā)人員責(zé)任設(shè)備事故甚至電網(wǎng)事故或人身傷亡事故。

六、結(jié)論

依據(jù)配電設(shè)備熱缺陷的判據(jù)，通過熱圖像采集和軟件分析，對(duì)影響熱缺陷判斷的環(huán)境因素和人為因素進(jìn)行識(shí)別，為正確診斷配電設(shè)備熱缺陷進(jìn)行指導(dǎo)。建立同一設(shè)備在不同時(shí)期的檢測(cè)數(shù)據(jù)（例如溫升、相對(duì)溫差和熱譜圖）檔案，找出設(shè)備致熱參數(shù)的變化趨勢(shì)和變化速率。

由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標(biāo)溫差都不大，因此紅外熱圖像對(duì)比度低，使分辨細(xì)節(jié)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(cè)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(biāo)。這時(shí)就需要采集配電設(shè)備的負(fù)荷數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率），加以分析。

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（作者單位：新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司）

作者簡介

馬一丁，男，單位：新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司。