紅外技術在電力設備故障診斷與檢修中的應用分析

趙巍

(國網山西省電力公司陽泉供電公司,山西陽泉 045000)

紅外技術在電力設備故障診斷與檢修中的應用分析

趙巍

(國網山西省電力公司陽泉供電公司,山西陽泉 045000)

電力設備的正常工作是確保電力系統安全穩定運行的基礎。為了確保電力系統安全、經濟和穩定的運行,必須定期對電力設備進行檢修,及時排除設備出現的各種故障。本文論述了電力設備各種故障在紅外線下的表象特征以及紅外檢測診斷電氣設備故障的因素,并對 紅外技術的應用中出現的問題做簡要的分析。

紅外技術 電力設備 故障診斷 應用分析

1 紅外診斷技術在電力生產中的應用

紅外技術是研究紅外輻射的產生、傳遞、轉換、探測和應用的一門技術。紅外技術在電力生產中得到了廣泛的應用。為了使電力設備能夠正常的運行，改變原有電力設備的固定修建模式，應用紅外技術技對設備狀態進行檢修成為一種趨勢。隨著新工藝和新技術的普遍采用，紅外測溫技術在電力系統的應用越來越廣泛，能夠及時發現電力設備出現的故障，為設備狀態檢修提供準確的信息。紅外診斷技術可以在電力設備正常運行的狀態下，通過紅外溫度掃描成像的方式進行遠距離在線診斷，這種技術能夠更加有效的檢測出與運行電壓、負荷電流有關的設備缺陷。電力電氣設備由于故障的原因會引起設備運行溫度的異常變化，由此可根據設備溫度的變化來測定設備故障，而紅外測溫技術為測量設備異常溫度提供了先進的方法，在電力行業得到了廣泛應用。

1.1 紅外測溫診斷與傳統停電預防性試驗的區別

電力生產具有連續性的特點，突發性和頻發性是設備出現故障的表現。停電進行檢測和實驗必然會生產和生活帶來許多不便。而紅外測溫診斷技術不需要停電就可以對內部熱故障進行診斷。紅外診斷要對高壓運行設備的溫度場分析和熱像圖譜的研究，主要掌握各種設備運行中的熱像圖譜。各種設備的熱像與電阻、電流和電壓分析有關，還受到附近磁場影響。由于紅外線不能穿透高壓絕緣和金屬外殼，只能通過電氣設備上的溫度分布來分析判斷。

1.2 紅外測溫診斷技術的特點

(1)無損檢測。紅外監測探測設備和相關部位發熱的紅外輻射能量無需輔助信號源和裝置，不會對檢測的設備造成損害，即無損檢測。(2)不接觸、不停電、不解體。對異常紅外輻射和異常溫度場來對運行狀態下的設備進行故障檢測，做到不停電、不影響正常運行，保持設備的安全性。(3)紅外診斷使用廣泛，效益比較高。紅外診斷技術在發電廠、變電站和配電站等電氣設備中廣泛應用，可實現快速、靈敏和直觀設備檢測，檢測效率高。(4)通過計算機分析實現智能化。紅外成像診斷儀配備微機圖像分析系統和各種軟件可以對檢測設備進行分析，可根據紅外圖像形成的參數進行計算，判斷設備故障屬性、故障部位和嚴重程度。

2 紅外診斷技術監測故障的類型

(1)設備的外部熱故障。設備的外部熱故障是指可以采用紅外熱像儀對裸露在外部的設備直接觀測其表面熱分布狀態，并迅速確定其位置。其產生的主要原因是設備部件接觸面不平整或者接觸面的質量引起的。

(2)設備的內部熱故障。電力設備內部由于故障發熱，無法用熱像儀直接觀察，確定故障的具體位置只能通過表面的熱分布圖進行分析和判斷。形成設備內部熱故障發熱原因有設備內部接觸不良，存在著漏電和內部絕緣老化等現象。

3 高壓電氣設備過熱故障的紅外診斷

3.1 高壓套管故障的紅外診斷

3.1.1 內外接頭故障的紅外診斷

對于與設備連接的套管外部接頭，因裸露在大氣中的外部故障，所以它的熱像特征是以連接頭為中心的熱像圖。對于110kV及以上電壓等級的變壓器套管，穿纜引線接頭故障發熱一般通過接線鼻子傳到將軍帽上，因此其熱像特征是以將軍帽帽端為中心的熱像圖。對于35kV及以下電壓等級的變壓器套管，與線圈連接的內部接頭大多在下端，且浸入箱體油內，故障時產生的熱量要通過油和套管散出，而套管較長，當熱量傳到套管外部時引起的溫度不高。

3.1.2 套管缺油故障的紅外診斷

高壓套管缺油故障分為兩種：(1)套管油與變壓器油相連通；(2)套管油與變壓器油分開，但由于某種原因造成套管缺油或存在假油位。前者的缺油故障是在安裝或充油過程中沒有排套管內的氣體所致，因此只要排放套管內的氣體即可解決。而后者是由于在油與空氣分界面的上下介質熱物性參數不一致，造成油面處出現較大的溫度梯度，而在實際油面處形成一個具有明顯溫度突變的清晰熱像特征。

3.2 高壓斷路器故障的熱像特征和紅外診斷

(1)內部故障。主要包括動靜觸頭接觸不良、靜觸頭座接觸不良、中間接頭接觸不良和內部受潮等故障。當斷路器內部受潮濕，熱像顯示為整體發熱。二檔斷路器偶像兼溫差大道30℃且開斷負荷電流后，詳見溫差人不變化的，則視為內部嚴重受潮，需盡快安排處理。內部故障中故障比例最大的是觸頭故障。經查閱相關資料及現場的實踐，發現的故障規律。

(2)外部故障。包括裸露在大氣中高壓斷路器觸頭座與出線頭連接處的不良連接。此故障的紅外熱像圖特征是以接線線頭為中心的溫度分布，且有相互對應關系。特別指出的是，對少油斷路器的缺油故障的熱像特征是在油界面處有清楚溫度突變且缺油部分溫度較低。而判斷是否缺油的依據要看位面是否低于油位警戒線。

3.3 電力變壓器故障的紅外診斷

3.3.1 變壓器內部故障的紅外診斷

正常運行的電力變壓器無法從外部對繞組和鐵芯進行在線監測的原因是其繞組和鐵芯都浸在油中并安裝在變壓器油箱內。而對于常用的干式變壓器可實現在線監測。其熱像特征是以芯柱和線圈為中心的熱像圖。干式變壓器正常運行時，B相芯柱由于磁負荷高且散熱性差，溫度總比A、C兩相高，其熱像是一個以B相為中心的熱像圖。而對于油浸變壓器，只有在吊芯下施加一定的空載勵磁電壓或短路電流進行，此時其繞組與鐵芯的熱像特征與干式變壓器完全一致。

3.3.2 變壓器外部故障的紅外診斷

(1)當變壓器外部載流導體連接不良或松動時，因電阻增大而引起局部過熱，熱像特征是以故障點為中心的熱像圖。(2)變壓器漏磁和箱殼渦流故障的熱像特征呈現為以漏磁通穿過并形成環流的區域為中心的熱場分布。

4 影響紅外在線檢測與故障診斷結果的因素

4.1 運行狀態的影響

電氣設備無論是電流效應引起的導電回路故障、電壓效應引起的絕緣介質故障或電壓分布不均和泄漏電流過大故障、電磁效應引起的漏磁渦流故障，產生的設備發熱與溫升，都與設備運行狀態有關。只有當設備在額定電壓下運行，而且負荷越大，發熱及溫升越嚴重，故障點的特征性熱異常也暴露得越明顯。因此在進行紅外檢測時，要盡量保證設備在額定電壓和滿負荷下運行，至少應在檢測過程的一段時間內使設備負荷不低于額定負荷的30%。

4.2 大氣衰減的影響

設備表面發射的紅外輻射能量經過大氣傳到紅外檢測儀上，受到大氣中的水蒸氣、二氧化碳、甲烷及一氧化碳等氣體分子的吸收衰減和空氣中懸浮顆粒的散射衰減，并且衰減程度與輻射在傳輸路徑上的大氣組分與紅外檢測儀的工作波長范圍有關，隨著輻射傳輸距離( 檢測距離)的增大，衰減程度加劇。我們可以通過以下方式消除大氣的衰減影響：(1)選擇在環境大氣比較干燥和潔凈的時間段(大氣相對濕度不超過85%)進行檢測；(2)在保證對帶電設備安全距離的前提下，盡可能縮短檢測距離，對檢測結果進行合理的距離修正。

4.3 氣象條件的影響

氣象條件的影響主要表現在大氣環境溫度、雨、雪、霧及風力(風速)等。為克服上述影響，應選擇環境溫度適中的春季無雨、無霧、無風(最大風力不大于三級或風速小于0.05～0.1m/s為宜)和環境溫度較穩定的夜晚(日落后2～3h至次日黎明前)進行檢測。

5 結語

本文著重分析了幾類高壓電氣設備不同故障發熱的熱場分布規律及表面紅外熱像特征，除某些電氣設備的少數內部故障外，大多數因為內部故障發熱在設備外部有溫度響應的故障，均能用紅外方法進行診斷。通過紅外成像技術可以發現并消除很多目前現有常規儀器無法檢測到的運行設備缺陷，該技術的運用將極大提高電力系統的安全性和經濟性，必將為電力系統帶來巨大的直接和間接效益。并且紅外成像與故障診斷有利于實現電力設備的狀態管理和向狀態維修體制的過渡，還可以把運行設備的信息存入電子計算機，設備管理人員就能對管轄的所有設備運行狀態實施管理，并根據每臺設備的狀態演變情況進行有目的的維修，可以避免設備由于缺陷而發展成事故，避免“欠維修”和“過維修”的發生，對深入開展設備狀態檢修起到積極的推動作用。而且紅外成像技術還可以評價設備的維修質量和一次設備及線路工程的施工質量。

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[2]王艷波.紅外測溫技術在TBM設備故障診斷中的應用[J].隧道建設,2011(11).

[3]張鐘秀,張煒帆.紅外測溫技術在城網配電系統中的應用[J].山西電力,2010(12).