綜述紅外診斷技術在電氣設備狀態檢測中的應用

摘 要：紅外檢測技術運用于檢測電氣設備存在外部或內部故障時伴隨的局部或整體溫度分布異常，以此判斷故障類型和嚴重程度，本文闡述了紅外診斷技術的原理和特點，綜述了電氣設備常見的發熱機理及相關故障類型，針對不同電氣設備，介紹通過各種紅外診斷方法來減少誤差。

關鍵詞：電力設備；狀態監測；紅外診斷技術

1 引言

現在電力系統電壓等級越來越高、容量越來越大，故而更加注重系統的安全性與可靠性。能在運行中有效的監測和診斷電力設備的過熱缺陷，紅外檢測技術在不間斷運行的條件下對電氣設備進行早期故障缺陷作出可靠預測，因而越發受到重視。

1.1 紅外診斷概述

總所周知，在自然界中所有高于絕對零度溫度的物體都會實時地輻射出載有物體的特征信息的紅外線，通過紅外成像圖以此來獲取物體信息。通常利用紅外檢測技術，可以將紅外輻射的信號轉換成為電信號，進而對其進行放大處理，最后以數字圖像的形式展現物體的表面溫度場分布[1]。

1.2 紅外熱像技術的優點[2]

（1）進行檢測時不需停運。大大提升了設備的可連續運行程度。

（2）紅外診斷檢測不需要直接接觸設備，安全性能高。因為具有此優點，其廣泛運用在帶電設備、轉動設備、高空設備的診斷中。

（3）可運用于大面積快速檢測。且勞動強度較低，結果表現形象、直觀。

（4）智能化方向發展后，可直接接口計算機，繼而進行分析。

2 電氣設備的發熱機理及常見故障

2.1 發熱源分析

2.1.1 電阻損耗引起發熱

由于電流效應，其通過電阻產熱，這種發熱常常表現在載流電氣設備中。由于電網中電力設備之間、導線之間以及導線與各種設備之間大量存在電氣連接接頭及連接部位，特別是當其接觸不良時，增大的接觸電阻，通過電流效應將會產生大量的熱。

2.1.2 介質損耗發熱

電網中除導電回路以外，高壓電氣設備大多由固體或液體（如油）等電介質絕緣材料構成，其會因為交變電場的作用，使介質極化方向不斷改變而消耗電能。電質損耗增大一般是由于電氣設備絕緣介質老化、受潮等原因引起。

2.1.3 鐵損致熱

鐵磁材料處于交變磁場作用下，由于磁滯損耗與渦流損耗將損耗一部分電能。部分設備的不正常運行，或存在鐵芯材質不良和絕緣層破壞等情況，會導致局部短路，進而引發回路磁滯飽和，或在設備的短路處產生較大的環流，增大了鐵損，造成鐵損發熱。

2.1.4 缺油及其它故障

油浸高壓電氣設備如果出現滲漏將會引起假油位或者缺油，進而可能導致油面放電，使得電氣設備表面溫度分布異常，這種現象也可能因其他原因造成，例如變壓器的套管未排氣等。放電發熱可能產生溫度異常，但更多情況則是因為內部的油面空氣與油本身的熱物參數值有所不同而導致的。

以上介紹了電氣設備容易出現的故障模式，除此之外，高壓電氣設備出現過負荷、電壓變化過大以及單相運行，冷卻系統的結構設計不良或堵塞也可能會影起設備表面的溫度異常。

2.2 常見的電氣設備故障

（1）外部故障：引起設備發熱異常的絕大多數由外部缺陷所導致。

1）接觸部位不良：經常裸露在外界的電氣設備由于空氣等各種外部因素，較易出現接頭處連接不良，進而導致發熱異常，比如套管、斷路器，線夾等。可能導致接觸不良的各種原因：制作材質不好、加工工藝技術存在問題；外界的機械振動和線路負載的周期性過載變化以及環境溫度的改變，引起連接件的熱脹冷縮，使得接觸電阻增大而出現局部過熱。

2）絕緣強度降低：電氣設備外部常常設有絕緣層，由于表面污穢和機械力的作用導致絕緣層破壞，使得絕緣能力降低，進而導致過熱故障，比如污穢，絕緣子產生裂紋等。此類故障較為危險，嚴重的將會造成斷線、局部燒毀，甚至發生惡性事故。

（2）內部故障：封閉在設備絕緣層內部（固體絕緣、油絕緣）的電氣回路出現的故障稱為內部故障。因為其密封在外殼或絕緣層內部，紅外線很難透過，故無法直接用紅外熱成像裝置檢測內部熱缺陷。但可通過其他方式偵之，由于內部故障相對會比較穩定且發熱時間較長，通過熱對流和熱傳導的方式向周圍的導體或絕外殼傳遞熱量，進而使得相應部位溫度升高。通過檢測這些部位的溫升可以一定程度上推斷為內部故障。

3 紅外檢測的常見方法

《交流高壓電氣長期工作時發熱》（GB763-90）指出，以最高允許溫度和允許溫升判斷電器零件工作狀態是否正常。但由于紅外檢測會受到外界很多因素的影響，比如空氣、風向、濕度等，所以，僅僅采用 GB763-90進行判斷是容易出現誤差的。因此，除了需要加強基本能力和提高技術經驗外，還必須了解紅外診斷的綜合分析方法，以下為幾種常見的紅外檢測方法：

3.1 表面溫度判斷法

表面溫度判斷法主要針對裸露在設備外的接頭、觸頭。從多個方位進行測量，綜合得到最熱點溫度。通過測量得出設備表面溫度，通過對照相應得溫升標準，并結合此時的電力設備溫度負荷率和其能承受的機械應力大小，綜合分析設備的熱缺陷及其嚴重程度。

3.2 同相比較判別法

同相比較法是指測量數據與前次測試以及原始數據進行比較分析，最終得到測量結果的檢測方式。需要注意的是，進行前后溫度比較時，必須換算到相同條件下（如設備負荷率、外界環境溫度等）進行分析判斷。

值得注意的是，一般情況下同一設備的外表面溫度是均勻分布的，當不同的部位出現溫度變化異常時，往往是反映出內部存在相關的缺陷，如繞組、磁路出現故障等；當其整體溫度升高，常常反映出受潮缺陷，介損增大和線圈短路等。在進行故障診斷時，對同一主變同一相不同部位的溫度作比較，對判定故障屬性和定位往往是有益的[3]。

3.3 熱譜圖分析法

電氣設備具有各自的熱譜圖，所以根據同類設備熱譜圖的差異判斷此設備是否處于異常狀態往往是可行的。例如，變壓器在無任何內、外部故障的狀態下運行，通過紅外熱像就可以得到其在正常狀態下的紅外檢測的熱圖譜，當變壓器發生一定的故障，將在故障狀態下重新檢測得到的熱圖譜與正常的熱譜圖對比即可發現故障。根據溫度場的空間分布判斷故障位置，表面穩定溫升的大小，也可以幫助推斷此次故障的嚴重程度。

3.4 檔案分析法

檔案分析法是一種較為綜合、全面的分析方法，它需要建立不同設備的紅外技術檔案，此方法有利于對重要的、結構更為復雜的設備進行正確判斷。通過比較同一設備在不同情況下的熱數據，綜合分析得到此設備致熱參數的變化趨勢及變化速率。對新建、擴建、大修及重要的電氣設備在帶負荷1個月內進行紅外檢測，將檢測結果留做原始資料，以便能夠與以后紅外檢測的結果作比較。

3.5 相間互比判斷法

電力系統中的設備大多是三相運行，且每一相的電流通常與三相電流大致相同，所以每一相電路的相同部位的溫升應該也相同，故而同組設備三相間有可比性。相間互比法正是利用這個特點對同類設備的對應部位溫度值進行比較，可以較為容易地判斷出設備是否正常。

參考文獻：

[1]接曉霞.基于紅外熱像技術的電接觸故障診斷[D].大連理工大學，2007.

[2]李德剛.紅外診斷技術在電氣設備狀態檢測中的研究與應用[J].山東：山東大學，2010.

[3]鄭新才，李明，張靜.紅外檢測技術在電力設備故障診斷中的應用[J].電力電子專刊，2007（04）.

作者簡介：蘇沛（1989—），男，四川內江人，研究生，主要從事紅外檢測、電力系統諧波檢測與補償的研究。