紅外熱像技術在電力設備故障檢測中的應用

賈達菲，楊冬冬，高 宏

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

紅外熱像技術是基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被檢測工件表面由于缺陷或者內部結構不連續所引起的熱量向深層傳遞的差別而導致表面溫度場發生變化，從而實現檢測工件表面及內部缺陷或分析內部結構的無損檢測方法[1-2]。

紅外熱像技術之所以成為目前設備溫度檢測中使用頻率較高技術之一，主要是因為[1]：第一，響應速度快，與傳統的熱電偶（響應時間為1 s）相比，熱像儀的響應時間為ms或μs，單位時間內更能夠清晰反應設備的溫度變化情況；第二，測溫范圍寬，與玻璃溫度計測溫范圍－200～600℃，熱電偶測溫范圍為－273～2750℃相比，紅外能夠測量溫度范圍為－273～6000℃；第三，非接觸測量，紅外熱像技術主要是提取設備表面的輻射能，不直接接觸被測物體，最大限度地保證了測試者的安全；第四，測量結果直觀，紅外熱像技術展示給檢測者的是非常直觀的雙色圖，能夠清晰地觀察被測點與其附近溫度的差異；第五，無損檢測，紅外熱像檢測過程中不接觸被測設備，且紅外線不會對被檢測設備造成損傷。因此，紅外熱像技術不僅在軍事上得到了廣泛地應用，而且在材料缺陷檢測、建筑、過程監控、自動測試等方向也得到了廣泛地應用[3-4]，并且充分展示出了其優越性。

1 紅外熱像技術測試原理

1.1 熱輻射原理

利用紅外熱像儀進行物體溫度測量時并非直接接觸物體，而是通過紅外探測器接收來自被檢測物體表面、周圍散發出的輻射[5-6]，熱輻射原理如圖1所示。

圖1 熱輻射原理圖

圖1中Wt為被檢測物體自身輻射量，Wr為周圍環境輻射量，Ws為大氣輻射量，k為物體發射率，ε為大氣透射率，T為熱力學溫度。熱像儀能夠接收到的總的輻射量為

1.2 紅外熱像儀工作原理

紅外熱像儀主要由具備可變光學系統的照相機和微型計算機組成。其中，紅外探測器是照相機的核心部件，用來接收物體輻射出的紅外線能量，并經過模數轉換為相應的電壓或電流信號，進而得到被檢測物體的熱量分布，經過微型計算機處理，在顯示器上呈現物體的熱像圖。其工作原理如圖2所示。

圖2 紅外熱像儀工作原理圖

2 紅外熱像診斷現場實測

為深入分析紅外熱像診斷技術在電力設備故障檢測中的應用效果，本文分別在現場選取開關柜、電纜終端和支柱絕緣子進行測試。

2.1 開關柜測試案例

變電檢修人員在對某220 kV變電站進行紅外熱像測溫過程中，發現某高壓開關柜中部較鄰柜高15℃，紅外圖譜及可見光圖像如圖3所示。

該柜為XGN2型封閉柜，結構太緊湊，按照五防設計，不停電無法開柜門。因為柜體小，出于安全考慮，不能改造加裝測溫孔。發現開關柜整體發熱后，在專人監護下，用工具打開柜前門、板。從2號變壓器低壓母線側刀閘絕緣拉桿小孔處進行檢測，紅外測溫圖像及可見光圖像如圖4所示。

圖3 開關柜發熱圖譜及可見光圖像

圖4 小孔處測溫紅外圖譜及可見光圖像

刀閘絕緣拉桿處發熱U相101℃，V相141℃，W相69℃，刀口部位實際溫度更高。相對溫差64%，雖然不高，但刀口溫度超過130℃，依據DL/T 664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用導則》附錄A規定，判為危急缺陷。次日調整運行方式，進行停電檢查發現重大隱患，V相發熱刀閘合閘后滑塊不能到位，刀閘只有接觸，沒有鎖緊動作；同時測量其回路電阻V相超過標準值，重新調整該刀閘操作桿長度后，刀閘合閘到位、鎖緊，回路電阻測試合格，送電后紅外診斷無異常。交接及停電處理前、后回路電阻測試值如表1所示。

表1 發熱開關柜刀閘交接、停電回路電阻測試μΩ

2.2 35 kV側電纜終端測試案例

變電檢修人員在對某110 kV變電站進行紅外熱像測溫過程中，發現35 kV I回441出線電纜V、W相分別有1個發熱點。V相電纜終端第4個傘裙處最高溫度為28.0℃，W相電纜終端第3個傘裙處最高溫度達35.7℃，而正常只有24.0℃，溫差為 4℃和 11.7℃，超過 DL/T 664—2008《帶電設備紅外診斷應用規范》中關于電纜終端嚴重缺陷的規定。紅外圖譜如圖5、圖6所示。

圖5 電纜終端V相紅外圖譜

圖6 電纜終端W相紅外圖譜

停電后，檢修人員對V、W相電纜頭進行解體檢查，發現電纜終端根部防水膠帶密封不嚴，濕氣進入電纜后造成銅屏蔽受潮變色，主絕緣表面存在污漬痕跡，上述現象表明原電纜終端制作工藝存在缺陷，在電場作用下，熱縮管內界面絕緣強度降低，形成局部放電。重新制作電纜頭后，對該設備進行絕緣電阻和交流耐壓試驗，試驗合格。重新投運后，紅外成像檢測正常。

PDCA循環也叫戴明循環，是一種廣泛應用于質量管理的工具，它包括P（Plan，計劃）、D（Do，執行）、C（Check，檢查）、A（Action，行動或處置）共4個階段，是一個循環的、持續向上的、永不停止的過程[1-2]。已有較多研究證實，該方法也適用于醫療行業，可用于提高臨床用藥質量、減少醫療差錯[3-5]。

2.3 10 kV隔離開關支柱絕緣子案例

變電運維人員在巡視過程中通過紅外檢測發現10 kV某號桿東側電纜隔離開關W相支柱絕緣子中部存在發熱異常缺陷。紅外圖譜如圖7所示。通過軟件分析，支柱絕緣子熱點溫度為28.6℃，正常相部位溫度為25.4℃，溫差為3.2℃，檢測環境溫度18℃，按照DL 664—2008《帶電設備紅外診斷技術應用導則》的電壓致熱型缺陷判斷依據，定性為嚴重缺陷。

圖7 支柱絕緣子紅外圖

首先，對隔離開關瓷柱進行常規檢查，發現瓷柱表面稍有臟污但未見裂紋或其他異常情況。然后，對該發熱支柱絕緣子進行絕緣檢測。采用數字兆歐表對其進行絕緣電阻測試，結果絕緣電阻無窮大，測試結果合格。將發熱絕緣子和正常絕緣子拆下來，拿回試驗室進行絕緣耐壓試驗。試驗結果表明，發熱支柱絕緣子在電壓升至24 kV時，紅外檢測發現有明顯熱點，升至42 kV時，熱點溫度升高，支柱絕緣子中間瓷裙處橫向斷裂，如圖8所示，而正常支柱絕緣子在42 kV電壓下，紅外檢測通體均勻發熱，沒有明顯熱點。

圖8 耐壓試驗中斷裂支柱絕緣子

分析認為該發熱支柱絕緣子存在制造缺陷，絕緣子內部有裂紋引起局部放電發熱，在加試驗電壓后，局部發熱進一步發展，導致支柱絕緣子徹底斷裂。更換柱上隔離開關后，對開關本體及瓷柱多次進行紅外檢測，均未發現發熱異常。

3 結束語

a）紅外熱像技術與其他帶電檢測技術、電氣試驗、絕緣油色譜分析有機結合，能夠準確判斷設備運行狀況及確定缺陷原因，有助于提高變電設備的檢修質量和效率。

b） 變電站支柱絕緣起著支撐電氣設備的作用，支柱絕緣子內部缺陷或者有裂紋都會因為局部電壓分布不均勻造成局部發熱缺陷產生，運行時間長可能會導致支柱絕緣子斷裂，危及變電站安全運行。因此，一旦紅外熱像檢測發現支柱絕緣子有發熱缺陷，應該及時進行診斷分析，采取紫外線成像、絕緣子超聲探傷等手段進行檢測判斷，必要時停電進行耐壓試驗，全面判斷其性能。

c）對于開關柜、地理信息系統、互感器油箱等通過空氣、六氟化硫氣體、絕緣油等介質進行絕緣的設備，一旦紅外熱像檢測發現內部發熱缺陷，運維人員要高度重視，結合設備結構進行發熱原因分析，如果相比正常位置溫升較大，則應立即上報進行停電檢查，避免因處置不及時缺陷發展為設備內部放電，造成設備損壞，電網故停電事故發生。

d）通過大量的實踐應用，紅外熱像技術能夠準確發現由于連接不良、介損增大、外絕緣污穢、電磁致熱、充油設備缺油、電壓分布不均勻等原因導致的電氣設備發熱缺陷，其在電力領域得到了廣泛的應用，成為了運維檢修人員發現輸電、變電、配電設備缺陷的重要手段，提高了設備運行可靠性，保障了電網安全穩定運行。