基于紅外熱像技術的電氣設備內部故障診斷方法研究

杜紅軍

【摘 要】由于紅外線的穿透能力較弱，紅外輻射基本不能穿透絕緣材料和設備外殼，因而電氣設備的內部故障無法直接用紅外熱像儀檢測到。但內部熱缺陷一般都發熱時間較長而且比較穩定，故障點的熱量可以通過熱傳導和對流置換，與故障點周圍的導體或絕緣材料發生熱傳遞，引起這些部位的溫度升高，因此通過對設備的紅外檢測、熱像圖的綜合分析可以發現其內部是否存在發熱缺陷。其發熱情況可能因為內部電氣接頭不良或內部介質損耗劣化，或內部分布電壓不良或泄漏電流過大而引起，且表現形式不一。

【關鍵詞】電氣設備；故障診斷；紅外熱像技術；熱像特征；不良故障；絕緣缺陷；經濟高效

0 引言

內部故障的診斷比較復雜，現場檢測要耐心細致，而且紅外檢測人員必須掌握診斷的規律性，即內部故障屬性與對應的紅外熱像圖的特征關系。內部故障按其屬性大體可歸結為內部導電體連接或聯結不良、絕緣介質不良以及一些非常規性的特殊故障三大類，以下分別簡述其熱像特征。

1 內部導電體連接或聯結不良故障

由于內部導電體連接或聯結不良，導致接觸電阻增大，在電流負荷的作用下過熱，發熱功率遵循P=I2R規律。這類故障雖然發熱源位于設備內部于熱傳導作用，使設備外部呈現一定的過熱特征，因而與正常相比較，但由其外部某處局部過熱。這類缺陷多發生在斷路器、CT和套管內部，可以通過熱像圖的發熱特征進行診斷。

1.1 少油斷路器內部導電體連接不良

少油斷路器內部導電體連接不良主要表現在上動、靜觸頭或中間觸頭接觸不良，導致斷路器發熱。當上動、靜觸頭接觸不良時，其熱像是以引線根部為發熱中心的上部整體過熱的熱像圖，且外部熱像特征是頂部溫度最高，其次為基座法蘭，再次是瓷套。當中間觸頭接觸不良時，其熱像是以斷口下部基座法蘭為過熱中心的熱像圖，且外部特征為基座法蘭溫度最高，其次是頂帽，再次是瓷套。當靜觸頭基座接觸不良時，其熱像是一個以頂帽中部為最高溫度的熱譜圖，且瓷套下法蘭的溫度稍高于瓷套外表的溫度。

1.2 CT一次接線內部聯接不良

CT一次接線內部聯接不良，在電流的作用下導致過熱，其熱像是以一次接線根部為發熱中心，CT頭部整體過熱的熱像圖，最高溫度在這些線頭及頂部油面處。

1.3 高壓套管頭內部導電桿連接不良

高壓套管頭內部導電桿連接不良而導致套管過熱，其熱像是以套管頂帽出線頭為集中發熱中心，套管頭局部嚴重過熱的熱像圖。

2 內絕緣不良故障

電氣設備內部絕緣不良，在電壓的作用下發熱，發熱功率遵循P=U■？棕Ctg？啄規律。其電氣試驗通常表現為介質損耗增大，這類故障常出現在充油設備中，譬如PT、CT、耦合電容器等。紅外技術診斷可通過三相比較法進行。

2.1 變壓器內部異常發熱

當變壓器內部出現異常發熱時，有可能引起箱體局部溫度升高。這種熱譜圖不具有環流形狀。此類缺陷同時伴有變壓器內部油的汽化。依照經驗法則，有絕緣油的變壓器或開關，其內部若有故障，外部溫度測到10℃溫升時，其相對應的內部零件部位會非常熱，可能有嚴重燒掉的情形。若要正確判斷內部熱故障問題，可配合使用油品分析技術或其他電特性分析技術。

2.2 PT、CT內絕緣不良

PT內絕緣不良，其熱像特征是以PT頂部為發熱中心而整體過熱的熱像圖。CT內絕緣不良，其熱像是以CT頭部過熱而本體也較熱的熱像圖。但整個CT不存在明顯的過熱中心。

2.3 耦合電容器內絕緣不良

耦合電容器內絕緣不良，其熱像是以耦合電容器整體過熱的熱像圖，整個電容器本體發熱均勻，無明顯的發熱中心。

2.4 絕緣子串內絕緣不良

對絕緣子的故障檢測主要集中在零值絕緣子和低值絕緣子的檢測上。正常絕緣子由于電壓分布的不均勻性，其熱像表現為不對稱的馬鞍形，靠線路側的絕緣子溫度相對較高，相鄰絕緣子間的溫差較小。當存在低值絕緣子，其絕緣電阻降至300-10MΩ時，其發熱功率大于正常絕緣子，溫度升高，其熱像特征是以鐵帽為發熱中心的熱像圖；當存在零值絕緣子，劣化絕緣子的電阻值進一步降低時，發熱功率呈下降趨勢。在某一阻值（5-10MΩ）時，其發熱功率又接近于正常絕緣子，這時為檢測盲點。劣化絕緣子的電阻值進一步降低至接近于零時，其發熱功率為零，與正常絕緣子相比溫度很低，其熱像特征為鐵帽溫升偏低；當存在的是污穢絕緣子時，由于表面污穢電流增大，形成發熱。其熱像表現為以磁盤為發熱區的熱像圖。

2.5 阻波器內避雷器損壞

正常的避雷器基本不發熱。若明顯發熱則說明避雷器已損壞。

2.6 電力電纜內絕緣故障

電纜頭局部絕緣不良，指電纜頭因加工不良或長期運行造成絕緣局部損傷、受潮、劣化等缺陷。其熱像特征是電纜頭交叉處出現局部絕緣區域溫升偏大。電纜頭整體絕緣不良，指電纜頭因加工不良或長期運行造成絕緣整體受潮、劣化等缺陷。其熱像特征是整個電纜頭溫度偏高。電纜整體發熱，即電纜絕緣年久老化或過負荷運行而引起的絕緣缺陷。

3 非常規性特殊故障

電氣設備的某些非常規性特殊故障主要是以油為絕緣介質的設備由于密封不良、瓷套裂傷等而發生滲漏油、少油缺油的故障。這類故障常規性試驗難以發現，但紅外熱像技術診斷卻非常有效。這是由于一般電氣設備在正常運行情況下會伴隨發熱（正常發熱）現象，而內部油又是熱的良好攜帶者，因此當設備缺油時，設備的熱像圖上出現以油位為標志的明顯的上冷下熱分界線的熱像圖。這類故障主要出現在耦合電容器、PT、套管等電氣設備。某些設備因密封不良使內部受潮而出現熱分布不均勻的情況，這類故障主要出現在避雷器設備上。另外，變壓器冷卻裝置及油路系統異常，如散熱管道堵塞或閥門未開而引起無熱油循環的部分管道或散熱器在紅外熱譜圖上呈現低溫區。

（1）耦合電容器缺油少油故障。缺油的耦合電容器油位通常低于幾個瓷裙。這類缺陷可從熱像圖上直觀發現。

（2）PT缺油故障。PT缺油故障常發生在110kV級，其熱像呈現以頂帽暗淡的熱像圖。220kVPT偶爾也有缺油現象，其熱像為油位較低的熱像圖。

（3）套管缺油故障。缺油套管的熱像圖也是以油位為標志的具有上下冷熱分界線的熱像圖，且在油面上通常出現過熱區，其熱像直觀明顯。

（4）避雷器內部受潮故障。由于密封不良或瓷套裂傷等原因使其內部受潮，導致避雷器內部分壓阻值發生變化。其外部熱像特征與避雷器的結構有關。一般而言，避雷器整體內部受潮，其熱像呈現為相對于其他相整體過熱的熱像圖。避雷器內部局部受潮，則其熱像呈現為局部過熱而局部熱像暗淡的熱像特征。值得注意的是，此時受潮部位恰恰在熱像暗淡處。避雷器內部受潮，除過熱分布不均勻外，其電壓分布也不均勻，對避雷器的運行極為不利。

值得說明的是，診斷設備的內部故障，溫度僅是可供參考的一方面，更重要的是設備的溫度分布情況。因此，紅外檢測與診斷分析工作人員必須熟悉被檢設備的內部結構和工作原理，并具有相當的實踐經驗以及紅外理論基本知識，正確掌握各類設備缺陷的熱像特征及其細微差別，以準確判斷設備的內部缺陷故障性質。

4 結束語

總之，由于現代紅外技術不斷成熟，利用紅外檢測的遠距離、不接觸，以及準確、實時、快速等特點發展起來的電力設備狀態檢測技術，備受國內外電力行業的重視而得到迅速發展。發展較成熟的紅外熱像儀，還配備有輔助的計算機圖像處理系統，可對采集的設備熱狀態圖像進行各種計算、分析和處理，提高診斷可靠性，并建立設備運行狀態管理數據庫問。基于上述優點，紅外熱像儀是目前電氣設備狀態檢修領域一種行之有效的檢測手段。

【參考文獻】

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[2]陳衡.紅外熱像儀在電力設備系統中故障診斷應用概況[J].激光與紅外，1999，3：8-11.

[責任編輯：謝慶云]