紅外檢測技術在輸變電設備故障診斷中的應用

張勇++王建民++閆麗婷

摘要：當前，紅外檢測技術在電力系統中得到了廣泛的應用，并為設備故障的檢測和判斷提供了可靠的依據，通過預知檢修，減少了事故的發生，提升了設備的運行水平。通過分析紅外檢測的技術特點，重點介紹了紅外檢測技術在輸變電設備故障診斷中的一些具體應用。

關鍵詞：紅外檢測；輸變電設備；故障診斷；SF6氣體

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0001－03

隨著電壓等級的不斷升高，電氣設備也在不斷地更新換代，但由設備發熱、漏氣等問題引起的故障還是時有發生。紅外檢測技術在故障檢測中具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體等特征，又具有準確、快速、直觀等特點，它能夠有效地監測和診斷電力設備中的發熱和漏氣問題，并對電氣設備的早期故障和絕緣性能作出準確的預測，便于檢修人員及時采取合理、可靠的處理措施，減少設備因過熱或漏氣問題而造成停電事故，保證了輸變電設備的可靠運行。

1紅外測溫儀在輸變電設備中的應用

1.1電氣設備的主要發熱來源

電氣設備在運行過程中，由于電流、電壓的作用，主要有以下4種發熱來源：①電阻損耗發熱。因為電力系統載流設備存在一定的電阻，當電流通過載流設備（電阻）時將產生熱能。電阻損耗的發熱功率與負荷電流平方成正比，與系統運行電壓無關，這種發熱為電流致熱。②介質損耗發熱。電氣絕緣介質由于交變電場的作用，使介質的極化方向不斷改變而消耗電能，并引起發熱，這種發熱為電壓致熱。③鐵損致熱。當在勵磁回路上施加工作電壓時，由于鐵心的磁滯、渦流而產生電能損耗并引起發熱。④電流分布異常和泄漏電流增大故障。在正常運行狀態下，避雷器和輸電線路絕緣子等高壓電氣設備會存在一定的電壓分布和泄漏電流，當它們的主要設備發生故障時，分布電壓和泄漏電流的大小會發生改變，從而導致設備表面溫度場分布異常。

1.2紅外測溫儀的工作原理

輸變電設備在正常運行時都會產生一定的熱量，但是隨著設備運行時間的增加和負載的不平衡，某些接點的生銹、腐蝕、接觸不良會造成接觸電阻增加、電流過大等問題，并導致系統、設備、線路的熱態異常和過熱故障。這些異常部位和故障點都會輻射出比正常狀態更多、更強的紅外能。

紅外熱像儀的測溫原理是：紅外熱像儀的物鏡能夠接收電力設備表面所輻射的紅外線，經光學系統會聚，把接收的紅外能落在系統的焦點上，即紅外探測器焦平面上，經探測器的光電轉換，將電力設備的紅外能轉變成電能，再經一系列的電信號處理，在熱像儀的取景器上得到一幅所測電力設備的熱圖像。通過直觀的熱圖像找出圖像中溫度異常點，測出其溫度值。紅外熱像儀就是利用電力系統的這一特性，測定電力設備表面的溫度分布場及其變化情況，實現無接觸測溫。通過成像檢測能夠找出電力設備中可能存在的熱狀態異常和潛在的故障點，從而實現對設備和線路的故障診斷。

1.3發熱故障類型及應用案例

電氣設備的故障按紅外診斷可分為外部故障和內部故障。

1.3.1電氣設備的外部故障

電氣設備的外部接頭故障主要有：①因設計不合理、材質加工和安裝工藝不良、機械振動造成的連接松弛；②由污染、腐蝕、老化等原因引起的電氣引流裸露和接頭接觸不良等問題，造成了高壓設備線路中隔離開關觸頭、線夾、鋁排壓接處等發生過熱故障。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例：①2010-02-26，500 kV某變電站在夜間測溫巡視中發現35 kV21號電抗器3024-3隔離開關C相刀閘發熱，溫度為128 ℃，如圖1所示。隨后檢修人員對隔離開關進行接觸電阻測量，發現C相接觸電阻為249.0 μΩ，超出了運行標準的范圍（運行標準：≤120 μΩ），然后對刀閘觸頭、觸指進行檢查，發現觸頭、觸指均有不同程度的灼傷，如圖2所示。經過現場解體處理更換觸指和清理觸頭表面的氧化物和污穢物后，對其重新進行調整檢查。經測試，隔離開關接觸電阻為79.2 μΩ，符合運行要求，且運行跟蹤測溫數據正常。②2011-04-13晚，某站對站內35 kV設備進行紅外測溫時發現，12號電容器B相頂部的中性線中段鋁排壓接處（絕緣包封）發熱，溫度最高達90.4 ℃，其余A相和C相的溫度分別為43 ℃、46 ℃。測溫時的環境溫度為23 ℃，經停電檢查，發現是由壓接處連接螺栓松動所造成的。紅外成像和發熱點如圖3和圖4所示。

圖1隔離開關觸頭紅外測溫成像圖 圖2隔離開關觸頭灼傷

圖3鋁排壓接處紅外測溫成像圖 圖4鋁排壓接處

以天眼4D陀螺穩定光電檢測系統為例，我公司在直升機巡線工作中，利用直升機平臺搭載天眼4D陀螺穩定光電檢測系統的紅外成像功能對超高壓線路上的導線接續管、耐張管、跳線線夾、導地線線夾、金具、絕緣子等進行拍攝、測溫，并分析所得數據，判斷其是否正常，如圖5所示。2011-06-19，直升機在巡線工作中發現500 kV某線路16號中相小號側第4子導線引流線線夾發熱，4子導線線夾溫度達59.3 ℃，導線溫度為30.1 ℃，相對導線升溫29.2 ℃。此外，還發現耐張塔引流線夾螺栓松動，通過帶電作業對螺栓緊固后恢復正常。紅外成像及發熱點如圖6和圖7所示。

圖5直升機平臺搭載天眼4D陀螺穩定光電檢測系統

圖6線夾發熱紅外測溫成像圖圖7線夾發熱點

1.3.2絕緣強度降低

由于表面污穢或機械力作用造成的絕緣性能降低也會引起過熱故障，例如絕緣子裂紋、劣化或嚴重污穢，會引起泄漏電流增大而造成發熱故障。這類缺陷如果不能被及時發現和處理，有可能會造成斷線和局部燒毀，甚至會造成惡性設備事故。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例，使用同類比較法對設備進行檢查，具體步驟為：①將測溫儀調整至合適的發射率，測得設備的溫度T；②以此溫度為基準，尋找同類設備，可以選擇同組三相設備，也可以選擇同相設備；③對比同類設備后，得到溫差ΔT；④記錄測溫參數，進行分析。在巡視檢查中發現一只避雷器與其他避雷器的測溫圖譜有明顯差異，其上節瓷瓶頂端T1＝16.3 ℃，下節瓷瓶頂端T2＝13.3 ℃，ΔT＝3 ℃，如圖8所示，經望遠鏡觀察發現，此差異是由該處的細小裂紋所引起的。

圖8頂端絕緣瓷瓶發熱

1.3.3電氣設備的內部故障

電氣設備的內部故障是指封閉在固體絕緣、油絕緣和設備殼體內部的電氣回路故障和由絕緣介質劣化引起的故障。由于內部故障的故障點密封在絕緣材料或金屬外殼內，而紅外線的穿透能力又比較弱，不能穿透絕緣材料和設備外殼，所以無法直接用紅外熱成像裝置檢測內部熱缺陷。內部熱的發熱時間一般都比較長，故障點的熱量可以通過熱傳導和對流轉換與故障點周圍的導體或絕緣材料發生熱量傳遞，從而引起這些部位的溫度升高，特別是與電氣連接的導體也會有顯著的溫升。

以Fluke Ti25型紅外測溫儀為例，利用等溫線比較法對設備溫度進行檢測。將測溫儀調整至合適的發射率，測得設備的溫度T，以此溫度為基準，調整范圍選項，上限為T＋5K，下限為T－5K.也可根據不同設備溫升的不同，減小上下限的溫度值，得到設備等溫線，以初步判斷發熱性質。500 kV主變底部漏磁等溫線圖如圖9所示。從圖9中可以清楚看到，在主變底部，由周圍輻射熱源形成的橘黃、淡紫、紫色的等溫線，這可能是由于變壓器內部輕微漏磁而引起設備發熱所形成的。

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內的油位高低，也可用紅外熱像儀進行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設備中的應用

2.1SF6充氣設備泄露處理現狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質，被廣泛應用于各類高壓電氣設備中充當絕緣介質。SF6氣體無色無味，發生泄漏不易被發現，目前對SF6充氣設備內壓力變化的監視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報警，說明設備發生了嚴重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點并進行補氣，否則將嚴重威脅設備的安全運行。如果僅采用“漏-補”的方式，將會導致缺陷難以根除，給電網的運行留下極大的安全隱患。使用常規的檢漏儀器，例如定點檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點，如果設備處于運行狀態，有些部位是無法進行檢測的，一般都需要停電再進行全面檢查，費時費力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應頻率的紅外光能量的性質，氣體吸收紅外光最強的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進的高靈敏度量子阱探測器，配合先進的電子及圖像處理技術，被動感應10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強的特點成像，不需要任何特定的背景，實時、準確地檢測SF6氣體泄漏點，并即時形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優勢有：①遠距離進行紅外檢漏，避免人與設備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實現了由點檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設備整體掃描、一次性成像的特點對多漏電點的設備進行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準確度可達到0.001 mL/s，即當漏點的泄漏率達到0.001 mL/s時就可以檢出漏點；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點，大大減少了檢測人員的工作強度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設備刀閘與開關死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動現象明顯。

圖11刀閘與開關死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內的油位高低，也可用紅外熱像儀進行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設備中的應用

2.1SF6充氣設備泄露處理現狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質，被廣泛應用于各類高壓電氣設備中充當絕緣介質。SF6氣體無色無味，發生泄漏不易被發現，目前對SF6充氣設備內壓力變化的監視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報警，說明設備發生了嚴重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點并進行補氣，否則將嚴重威脅設備的安全運行。如果僅采用“漏-補”的方式，將會導致缺陷難以根除，給電網的運行留下極大的安全隱患。使用常規的檢漏儀器，例如定點檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點，如果設備處于運行狀態，有些部位是無法進行檢測的，一般都需要停電再進行全面檢查，費時費力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應頻率的紅外光能量的性質，氣體吸收紅外光最強的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進的高靈敏度量子阱探測器，配合先進的電子及圖像處理技術，被動感應10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強的特點成像，不需要任何特定的背景，實時、準確地檢測SF6氣體泄漏點，并即時形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優勢有：①遠距離進行紅外檢漏，避免人與設備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實現了由點檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設備整體掃描、一次性成像的特點對多漏電點的設備進行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準確度可達到0.001 mL/s，即當漏點的泄漏率達到0.001 mL/s時就可以檢出漏點；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點，大大減少了檢測人員的工作強度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設備刀閘與開關死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動現象明顯。

圖11刀閘與開關死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅

圖9主變底部紅外成像等溫線圖

油枕變壓器油枕內的油位高低，也可用紅外熱像儀進行檢測。圖10為某變電站利用紅外測溫儀檢測到的油枕熱圖像，從圖中可以很清楚地看到油位的高低，同時也可以用熱像儀測試油枕各部位的溫度分布情況。

圖10油枕紅外測溫成像圖

2紅外氣體檢漏儀在SF6充氣設備中的應用

2.1SF6充氣設備泄露處理現狀

SF6氣體作為一種絕緣性和滅弧性極佳的介質，被廣泛應用于各類高壓電氣設備中充當絕緣介質。SF6氣體無色無味，發生泄漏不易被發現，目前對SF6充氣設備內壓力變化的監視手段主要是利用氣體密度繼電器，一旦密度繼電器壓力值明顯降低或報警，說明設備發生了嚴重的SF6氣體泄漏，需立即查找泄漏點并進行補氣，否則將嚴重威脅設備的安全運行。如果僅采用“漏-補”的方式，將會導致缺陷難以根除，給電網的運行留下極大的安全隱患。使用常規的檢漏儀器，例如定點檢漏、包扎檢漏、泡沫檢漏等必須將檢漏儀直接接觸泄漏點，如果設備處于運行狀態，有些部位是無法進行檢測的，一般都需要停電再進行全面檢查，費時費力，效率低下。

2.2紅外檢漏的原理及優勢

光是由一系列單色光組成的，紅外光是由一系列處于紅外頻率的單色光組成。每種氣體都有吸收自己對應頻率的紅外光能量的性質，氣體吸收紅外光最強的頻率就稱作該氣體的特征吸收頻率。SF6氣體對紅外有一個以波長10.56 μm為中心的吸收帶。紅外檢漏成像儀采用先進的高靈敏度量子阱探測器，配合先進的電子及圖像處理技術，被動感應10～11 μm波段的紅外線，充分利用SF6氣體在10～11 μm波段輻射強的特點成像，不需要任何特定的背景，實時、準確地檢測SF6氣體泄漏點，并即時形成層次感極佳、直觀的紅外圖像。

紅外檢漏的優勢有：①遠距離進行紅外檢漏，避免人與設備直接接觸，保證了檢測人員的人身安全；②實現了由點檢漏方式向整體檢漏方式的突破，可以利用紅外檢漏設備整體掃描、一次性成像的特點對多漏電點的設備進行檢查，既方便，又高效；③靈敏度高，準確度可達到0.001 mL/s，即當漏點的泄漏率達到0.001 mL/s時就可以檢出漏點；④具有攜帶方便、體積小、重量輕等特點，大大減少了檢測人員的工作強度。

2.3紅外氣體檢漏儀的應用

使用紅外氣體檢漏儀可以清晰地看到泄漏出的SF6氣體在空氣中飄動的情景。圖11為某變電站500 kV HGIS設備刀閘與開關死盆處漏氣的情形，紅外檢漏成像圖譜如圖12所示。泄漏點附近SF6氣體濃度較大的地方比其他部分的亮度要高，氣體飄動現象明顯。

圖11刀閘與開關死盆處可見光圖 圖12紅外檢漏成像圖

圖13為某變電站500 kV電流互感器的頂蓋處。圖14為紅