紅外熱像技術在電氣設備故障診斷中的應用(論文)

1、紅外熱像技術在電氣設備故障診斷中的應用李毅剛三河發(fā)電有限責任公司 河北 065201摘 要： 紅外測溫技術最早運用于軍事目的，近年來已廣泛運用于電氣設備檢測工作中，對消除電 氣設備的非正常發(fā)熱、 降低設備事故起到了重要作用。 文章對紅外測溫技術的原理進行了簡單介紹， 并就其在電氣設備過熱故障檢測中的運用范圍、典型設備的故障特征、判斷標準、消除誤差方法等作了論述。關鍵詞： 紅外測溫 電氣 溫度 過熱 熱像圖電力設備能否正常工作直接關系到電力系 統的安全運行。隨著超高壓、大機組、大電網 的出現，對電力設備的可靠性要求越來越高。 為了保證電力設備運行的可靠穩(wěn)定，必須充分 依靠科技進步，提高技術監(jiān)督的

2、水平。傳統的 絕緣預防性試驗對防止電力設備事故的發(fā)生起 了一定的作用，但它的致命弱點是需要停電實 驗，并且有些項目對設備具有一定的破壞性， 降低了設備的使用壽命。 電氣設備正常運轉 時，由于電流、電壓效應會產生熱量，電氣設 備發(fā)生故障時缺陷部位也會異常發(fā)熱，設備在 危險溫度下運行，存在火災隱患。目前，大部 分電力用戶使用的都是低壓大電流的電氣設 備，一旦電氣設備出現故障就容易引起高溫。 同時，電氣設備的接觸不良會引起高溫、打火、 電弧，容易成為火災的引火源，類似這種危險 溫度和隱患通常是不易被發(fā)現的。由此又產生 了在設備不停電的情況下監(jiān)測設備的方法，其 中對電力設備表面溫度及其分布的監(jiān)測，就是

3、 一種十分行之有效的在線診斷方法。而紅外檢 測技術通過其獨特的檢測手段非接觸式的 在線紅外檢測及熱成像技術來監(jiān)測設備的運行 狀態(tài)，可以及時了解電力設備現狀，有效查找 故障原因，并能預測設備未來狀態(tài)。1. 紅外測溫技術的原理 紅外測溫技術的原理是基于自然界中一切 溫度高于絕對零度的物體，每時每刻都輻射出 紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特 征信息，這就為利用紅外技術判別各種被測目 標的溫度高低和熱分布場提供了客觀基礎，物 體表現熱力學溫度的變化，使物體發(fā)熱功率發(fā) 生相應變化。物體產生的熱量在發(fā)出紅外輻射 的同時，還在物體周圍形成一定的表面溫度分 布場。這種溫度分布場取決于物理材料的熱物 理

4、性，也就是物體內部的熱擴散和物體表面溫 度與外界溫度的熱交換。利用這一特性通過紅外探測器將物體電氣 發(fā)熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后，成 像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度 的空間分布，經電子系統處理傳至顯示屏上， 得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖。2. 溫度檢測的步驟方與方法2.1 溫度檢測的步驟2.1.1 使用紅外熱像儀對一般電氣設備和線路 進行全面掃描普遍檢測， 發(fā)現其異常發(fā)熱部位。 然后，使用紅外測溫儀對異常發(fā)熱部位進行測 溫；2.1.2 使用紅外熱像儀對重點電氣設備和線路 的發(fā)熱部位攝取熱像圖，并經電腦對熱像圖的 溫度場分布進行分析處理。2.2 溫度檢測的方法 電氣設備的

5、帶電體工作狀態(tài)是否正常，特 別是外部裸露部分的故障，只要消除了上述各 種影響因素，經過合理修正，得到故障點的溫 度，參照國標 GB76390（ 交流高壓電器在長期 工作時的發(fā)熱 ） 及電力部出版的 紅外熱像檢測 電力設備故障導則來判別最高允許溫度和允 許溫升，是不難做出故障嚴重程度的診斷。但 是，溫度的測量受到很多因素的影響，特別是 對于電氣設備的內部故障而言， 要想根據 GB763 90 進行判別，是比較困難的，而且還會引起 誤判。為了提高紅外診斷的準確性，還要運用 以下判別方法， 可以獲得可靠準確的診斷結論。2.2.1 熱像特征判別法 所有電氣設備，在無任何內外部故障情 況下，即可得到正常

6、運行狀態(tài)下的表面熱分布 或紅外熱像特征圖。一旦電氣設備出現內部或 外部故障，則故障經內部構件和介質進行熱傳 遞，或其他形式熱交換，改變設備表面故障部 位的穩(wěn)定溫升或溫度分布。因此通過辨認現場 攝制的設備紅外熱像圖，只要發(fā)現熱像特征存 在異常變化，均可判定設備內部已出現故障， 并根據熱場分布變化的特點及溫升值的大小， 還可以對內部故障的屬性、故障位置及嚴重程 度做出準確的診斷。如在瓷瓶串熱像中，一旦 出現缺口似的熱像，則表明相應位置的瓷瓶已 成為零值絕緣子，而低值瓷瓶和污穢瓷瓶也可 以通過熱像圖來區(qū)別進行鑒別。2.2.2 相間互比判斷法 因為高壓電力設備絕大部分都是三相運行 的，而且在正常情況下

7、，作用于每一相的相電 壓或通過三相電路與導線的電流大致相同。換 言之，每一相電路或導線相同部位的正常穩(wěn)定 溫升應該一樣。因此同組設備三相之間具有可 比性，同類設備在同一時間，同一地點和同一 電源作用下也相互可比。因為三相相同部位同 時出現一樣故障的概率是很小的，基于這種原 因，診斷時可以對三相之間相同部位的溫升進 行橫向比較。若某電氣設備 a、 b、c 三相中任 意兩相之間相同部位存在超過 10左右的溫 差，則可以把該部位溫度較高的一相初步診斷 為出現故障。2.2.3 同相比較判別法 電氣設備一相中流過的負荷電流相同， 如 果同一相不同部位之間出現明顯溫差，則往往 表明溫升較高處存在異常或缺陷

8、。例如在高壓 輸電線路中的連接件，如果與連接件一米以外 的同相導線溫度相比有明顯溫升，則表明該連 接件連接不良。同樣，高壓電纜本體部分存在 的缺陷，也可以用同相不同部位的溫升進行比 較診斷。2.2.4 歷史狀態(tài)變化判別法 如果在新電氣設備剛剛投入運行時， 就將 其正常運行狀態(tài)下各部位溫度分布的熱圖數據 儲存下來， 那么在進行新的故障檢測與診斷時， 就可以把原來已經存檔的設備熱像數據調出， 作為比較的依據，并根據新檢測到的熱像圖數 據與已經存檔的同一設備以往熱像圖數據之間 的差異，則可以對兩者之間在何處出現變化和 變化程度做出準確的診斷。但是為了彌補歷次 紅外檢測時記錄的熱像數據條件的不同（ 如

9、運行條件，檢測條件，環(huán)境條件 ） ，應保障基本條 件外，還應對影響檢測結果最主要的因素做標 準化處理。例如，每次檢測結果都換算成設定 的距離，風速 （ 不大于三級 ） 的條件下對環(huán)境的 溫升，則可相對改善不同時期檢測結果的可比 性，從而提高比較診斷的可靠程度。如對于高 壓套管而言，凡發(fā)現有較大面積分布性過熱， 而且與上一次檢測相比，瓷套口三相溫差變化 達 0.5 以上者， 可視為接頭有異常發(fā)熱， 應加 強監(jiān)視，縮短檢測周期，當與上次檢測相比， 三相溫差超過 1時， 應盡早安排停電試驗、 查 明原因， 若變化更大， 則可判定為存在故障。2.2.5 發(fā)熱機理判別法在電氣設備故障紅外診斷時，有時會遇

10、到 不同屬性故障具有相同外部熱像特征，例如 35kv 及以上等級油浸 （ 澆注） 電流互感器的絕緣 故障和鐵心故障的熱像特征，都是以上部油面 為中心整體發(fā)熱熱像圖，因此單憑熱像特征無 法鑒別這兩種屬性不同的內部故障，上例發(fā)熱 機理是屬電壓效應發(fā)熱，發(fā)熱功率與電壓平方 成正比，與負荷電流無關，所以只要改變負荷 就能判定是鐵心故障還是絕緣故障 （ 另一種發(fā) 熱機理是電流效應發(fā)熱 ） 。類似這種情況，在其 他電氣設備內部故障診斷時也會出現。3、紅外熱像儀在三河發(fā)電有限責任公司的應用設備故障紅外診斷最核心的問題，是要求 準確地獲得被測設備的溫度分布或故障相關部 位溫度值與溫升值。這個溫度信息不僅是判斷

11、 設備有無故障的依據，也是判斷故障屬性、位 置、嚴重程度的客觀依據。三河發(fā)電有限責任 公司于 2006 年年 4 月配備了一臺廣州颯特公司 SAT-HY6800紅外熱像儀，在應用紅外熱像儀一 年多的時間里，我們對升壓站運行設備作了大 量的監(jiān)測工作，現已保存了一定的歷史數據和 紅外熱像。通過對歷史數據、紅外熱像的比較3.1.3.3 比較散熱器表面溫度是否均勻， 以判斷 油路的堵塞情況3.2 隔離刀閘紅外熱像圖分析3.2.1 隔離刀閘紅外熱像圖和分析，就能對設備能否安全運行作出判斷， 做到心中有數，防患于未然，大大方便了生產。 同時在應用紅外熱像儀判斷設備狀態(tài)是否正常 和是否過熱方面也掌握了一定的

12、知識，現略舉 一二。3.1 變壓器紅外熱像圖分析3.1.1 變壓器紅外熱像圖3.1.2 變壓器正常紅外熱像圖特征3.1.2.1 頂部是高溫區(qū)，溫度逐漸向下減弱3.1.2.2 套管升高座附近溫度最高3.1.2.3 本體呈現一個明亮的紅外熱像圖3.1.3 判斷變壓器過熱故障依據3.1.3.1 檢查套管端部接點有無溫度偏差及過 高3.1.3.2 比較三相套管表面溫度是否均勻一致， 以判斷套管內部是否存在缺陷3.2.2 隔離刀閘正常紅外熱像圖特征 隔離刀閘工作中的正常狀態(tài)應該是：環(huán)境溫度 略高，三相均勻3.2.3 判斷隔離刀閘過熱故障依據3.2.3.1 檢查兩端頂帽接點是否過熱3.2.3.2 檢查由彈

13、簧壓接的刀口是否過熱3.2.3.3 是否支柱瓷瓶劣化使支柱瓷瓶整體溫 度升高3.3 電流互感器紅外熱像圖分析3.3.1 電流互感器紅外熱像圖3.3.2 電流互感器正常紅外熱像圖特征3.3.2.1 因大電流，內部高溫通過瓷套輻射出 來，本體呈現出一個較高的溫度區(qū)域3.3.2.2 頂部溫度比瓷套表面溫度略高3.3.3 判斷電流互感器過熱故障依據3.3.3.1 因內部繞組匝間短路或介質損耗增大， 均會引起本體溫度升高， 比較三相 CT表面溫度 是否平衡以判斷可能出現的內部缺陷3.3.3.2 檢查 CT端部接點是否過熱3.4 紅外測溫在其他電氣設備故障中的應用3.4.1 發(fā)電機定子線棒接頭焊接不良3.

14、4.2 發(fā)電機定子鐵芯絕緣缺陷3.4.3 發(fā)電機電刷接觸壓力調整不合格3.4.4 變壓器渦流損耗引起的箱體發(fā)熱3.4.5 斷路器動靜觸頭外部連接件接觸不良3.4.6 電纜頭接頭接觸不良3.4.7 互感器缺油、 耦合電容器缺油引起的損耗 增大4. 影響紅外檢測的因素及對策 現場進行設備紅外檢測時，由于檢測條件 和環(huán)境的影響變化，可能導致同一設備因檢測 條件不同，而得到不同的結果。因此，為了提 高紅外檢測的準確度，必須對現場檢測過程中 或對檢測結果的分析處理中，采取相應的對策 與措施或選擇良好的檢測條件，或對檢測現場 結果進行合理的修正。采取相應的對策和技術 方法， 使各種不利因素的影響降低到最小

15、程度。 如作業(yè)人員的組織培訓，計劃的制定，受檢對 象的選擇，檢測儀器的準備等等，除了正確運 用分析處理方法以外，還必須對影響檢測結果 的各種因素，有充分的估計和預想。4.1 運行狀態(tài)的影響與對策 電氣設備故障無論是電流效應引起的發(fā)熱 故障 （ 導電回路故障 ） ，發(fā)熱功率與負荷電流值 的平方成正比。 電壓效應引起的發(fā)熱故障 （ 絕緣 介質故障 ） ，發(fā)熱功率與運行電壓的平方成正 比。因此，設備的工作電壓和負荷電流的大小， 將直接影響到紅外檢測與故障診斷的效果。泄 漏電流的增大，能造成高壓設備部分電壓不均 勻。如果沒有加載運行或者負荷很低，則會使 設備故障發(fā)熱不明顯， 即使存在較嚴重的故障， 也

16、不可能因特征性熱異常的形式暴露出來。只 有當設備在額定電壓下運行， 而且負荷越大時， 發(fā)熱及溫升才越嚴重，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，為 了能夠取得可靠的檢測效果，要盡量保證設備 在額定電壓和滿負荷下運行，即使不能做到連 續(xù)滿負荷運行，也應編制一個運行方案，以便 在檢測前和檢測過程中，能讓設備滿負荷運行 一段時間 （如 46h） ，使設備故障部位有足夠的 發(fā)熱時間，并保證其表面達到穩(wěn)定溫升。 由于電氣設備故障紅外診斷時，故障判斷標準 往往是以設備在額定電流時的溫升為依據，因 此當檢測時實際運行電流小于額定電流時，應 該是現場實際測量的設備故障點溫升換算為額 定電

17、流的溫升。其計算公式如下： =（in/i1）k 1 式中 in 設備額定電流；i1 設備實際運行電流； 額定電流 in 時設備內載流導體故障點溫升，； 1在實際運行電流 i1 時設備內部載 流導體故障點溫升，； k設備內部導電回路溫升常數。4.2 設備表面發(fā)射率的影響與對策 任何紅外測量儀器都是通過測量電氣設備 表面紅外輻射功率，來獲得設備溫度信息的。 并且在紅外診斷儀器接收來自目標紅外輻射功 率相同的情況下，因目標的表面發(fā)射率不同， 將會得到不同的檢測結果。也就是說，相同輻 射功率，發(fā)射率越低，就會顯示越高的溫度。 因物體表面發(fā)射率主要決定于材料性質和表面 狀態(tài) （ 如表面氧化情況，涂層材料

18、，粗糙程度及 污穢狀態(tài)等 ） 。因此為了應用紅外熱像儀器準確 地測量電氣設備溫度，必須要知道受檢目標的 發(fā)射率值，并將該值作為計算溫度的重要參數 輸入計算機或者調整紅外測量儀的 修正值， 以便對所測量的溫度輸出值進行發(fā)射率修正。 消除發(fā)射率對檢測結果影響的另外兩種對策措 施是：當使用紅外熱像儀進行測量時，要對發(fā) 射進行修正，查出被測設備部件表面的發(fā)射率 值進行發(fā)射率修正， 從而獲得可靠的測溫結果， 提高檢測的可靠性；對于紅外檢測的故障頻發(fā) 設備部件，為使檢測結果具有良好的可比性， 可以運用敷涂適當漆料的方法來增大和穩(wěn)定其 發(fā)射率值， 以便獲得被測設備表面的真實溫度。4.3 大氣衰減的影響與對策

19、 由于受檢電氣設備表面紅外輻射能量， 是 經大氣傳輸到紅外檢測儀器里的，這就會受到 大氣組合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等 氣體分子的吸收衰減和空氣中懸浮微粒的散射 而衰減，設備輻射能量傳輸的衰減隨著檢測儀 器到被測設備之間的距離，降低了被測設備輻 射的透過率，所以其衰減是隨距離的增大而增 加，降低受檢設備故障部位與正常部位的輻射 對比度，也會因為紅外儀器接收到的目標能量 減少，使得儀器顯示出來的溫度低于被測故障 點的實際溫度值，從而造成漏檢或誤診斷。尤 其對于檢測溫升較低的設備故障時，這是很不 利的。由此可見檢測距離增大，大氣組合的影 響將會越來越大。而且又要獲得目標溫度準確 性，必須采取

20、如下對策：盡量選擇在環(huán)境大氣 比較干燥、潔凈的時節(jié)進行檢測；在不影響安 全的條件下盡可能縮短檢測距離，還要對溫度 測量結果進行合理的距離修正，以便測得實際 溫度值。4.4 氣象條件的影響 不良的氣象環(huán)境主要是指雨、雪、霧及 大風力等，都會對設備溫度檢測帶來不利的影 響，往往會給出虛假的故障現象。為了克服氣 象條件的影響，在無雨、無霧、無風和環(huán)境溫 度較穩(wěn)定的夜晚進行檢測 （注： 在小雨天氣可以 對瓷瓶拄的爬電即污穢處檢查，有著很好的觀 察效果 ） ，還要采取正確的診斷方法。4.5 環(huán)境及背景輻射的影響與對策 特別是在進行戶外電力設備紅外檢測時， 檢測儀器接收的紅外輻射除了包括受檢設備相 應部位自身發(fā)射的輻射以外，還會包括設備其 他部位和背景的反射， 以及直接射入太陽輻射。 這些輻射都將對設備待測部位的溫度造成干 擾，對故障檢測帶來誤差。例如：在晴朗的白 天進行測量時，特別是在運行的主變附近，被 陽光照射的大面積墻壁及其他高溫物體輻射， 可使測量結果產生較大的溫升。太陽輻射可引 起設備有 15 度左右的附加溫升， 因此太陽輻射 及受檢設備周圍的其他高溫物體輻射，不僅可 以改變設備故障點的溫度分布，影響故障部位 的熱特征，甚至可以顯示虛弱的目標熱像圖而 造成漏檢。為了減少環(huán)境與背景輻射的影響， 應采取如下對策措施：4.5.1 對戶外電氣設備的現場紅外檢