紅外熱像故障診斷技術在高壓電氣設備中的應用

莫順強

摘 要：作為一種重要的無損檢測技術，紅外熱像故障診斷技術的應用對于提高高壓電氣設備內部缺陷的檢測質量具有重要作用。文章首先介紹了高壓電氣設備缺陷的主要原因及機理，然后具體探討了紅外診斷技術在高壓電氣設備缺陷檢測中的應用，為相關技術與研究人員提供參考。

關鍵詞：紅外熱像故障診斷技術；高壓電氣設備；應用

1 高壓電氣設備缺陷的主要原因及機理

1.1 鐵磁損耗過大

因設備結構設計不恰當或鐵芯材質不合格、鐵芯片間絕緣破壞等原因使設備發生多點或局部短路，進而引發回路磁飽和或磁滯，或在鐵芯片間短路位置形成環流，造成鐵損過大、部件過熱等問題。

1.2 接觸電阻損耗過大

若電氣設備觸頭、接頭或部分連接件連接不良，引發接觸電阻增加，則連接處的發熱功率P=I2R會高于附近導體的功率，由此導致過高的溫升及發熱問題。

1.3 缺油

高壓電氣設備因滲漏或變壓器套管排氣不善等原因會出現假油位或缺油，在部分情況下則可能導致油面放點，造成設備表面溫度分布異常；此種發熱問題，一方面是由于放電引發的發熱引起，另一方面則主要由設備內部油位中的上下介質熱特性參數值差異引發。[1]

1.4 介質損耗過大

電氣設備包含的電介質或載流導體周圍的電氣絕緣油等電介質，在交流電壓條件下很容易出現能量損耗，其通用公式為P=U2XC tanD；在設備正常運行過程中，設備的電介質和絕緣介質也會出現介質損耗發熱，在絕緣介質絕緣性能受到破壞時，會使tanD增加，進而引發介質損耗發熱功率增大，設備運行溫度升高。

1.5 泄漏電流過大或電壓分布異常

絕緣子、避雷器等高壓電氣設備在正常工作過程中，其會存在固定的泄漏電流及電壓分布，但在發生部分缺陷問題時會引發泄漏電流及分布電壓的異常變化，并造成設備表面溫度分布不均，發熱功率值即為泄漏電流與分布電壓的乘積。

2 紅外診斷技術在高壓電氣設備缺陷檢測中的應用

2.1 判定電壓、電流互感器內部缺陷

電磁型電壓互感器熱容量較小、體積不大，其內部的銅、鐵和絕緣介質等損耗過大及相間溫差增加引發的熱功率會造成互感器溫度增大。利用紅外熱像技術對電壓互感器進行診斷，可初步排定其發生的鐵芯片間局部短路、內部線圈匝間短路等缺陷問題，且可依據嚴重程度斷定設備是否需要退出運行，同時可通過色譜分析及電氣試驗具體探測缺陷類型。

電流互感器在工作過程中會載有大電流及高電壓，電流影響引發的鐵、銅損耗會造成設備發熱，而電壓影響的絕緣介質損耗也會導致設備溫升增加；鐵芯片間局部短路、絕緣介質內部存在大量氣隙、導電雜物及電場分布異常、加工工藝不良導致的絕緣層松動等都會引發局部放電與過熱問題。通過紅外診斷檢測可迅速探測并判定此類電流互感器介質損耗過大缺陷。

如某電廠通過巡檢發現某TYD110-01007H型電容式電壓互感器分壓電容熱性不正常，自上而下第7裙位置其瓷套表面溫升過快，縱向比較溫差可達9e，同種設備比較溫差高達10e，由此判定該電壓互感器內部存在因缺油引發的局部過熱缺陷。進行解體檢查，探明電壓互感器上部連續多個電容單元的絕緣紙板表面存在典型的爬電燒傷炭化；依據熱像圖上的溫度分界線，探明其上部由于缺油而暴露在外面，其下部則浸潤在絕緣油中；電壓互感器中壓引出至電磁單元油箱的套管及電容元件均已破損，油箱中的密封圈兩端未深入到密封槽造成密封不良。根據此次試驗分析表明，在紅外檢測中利用行標對電壓互感器實施重點測溫，可提早發現缺陷問題。[2]

2.2 探測高壓套管內部缺陷

由于油紙電容式套管的上部密封效果不佳，在浸水狀況下會造成電容芯子的絕緣材料受潮、老化速度加快、絕緣油裂化、局部放電、套管內部缺油、套管介損增大等內部缺陷問題。介質損耗造成的套管表面溫升一般會在1℃左右，若高壓套管在工作過程中的溫升相比限定值要高0.3～0.9℃時，則表明介質損耗已經高于預試規定允許值，此種情況會造成油位快速下降、充油套管缺油等問題。由于空氣介質與變壓器油的熱特性參數及熱容量值存在較多差異，其傳熱系數差別較大；在套管油位降低過多時，在空氣與油的分界面會產生一個較大的溫度梯度，利用紅外檢測可依據假油位及缺油熱像特征探明套管內的缺油故障。

如某500kV變電站發生2號主變B相本體高壓套管頂部油位計指示和其他主變本體有明顯區別，指針出現明顯偏低的情況，通過紅外成像發現2號主變高壓套管上端部位出現了明顯的溫升斷層，臨界面的上下溫差為3攝氏度左右。在發現并分析問題后，立即將套管拆卸，并發現其底部出現裂紋。

2.3 探測斷路器、避雷器內部缺陷

避雷器可能存在溫度分布異常、相間溫差過大、局部溫升等問題，使用紅外熱像與帶電測試相結合，可探測出因閥片破損造成的整相或部分元件整體發熱、因避雷器受潮造成的故障元件及非故障元件發熱等缺陷問題；同時還利用紅外熱像對動靜觸頭、中間觸頭、靜觸頭座等接觸不良及斷路器內部受潮、缺油等故障缺陷進行檢測。

如某電廠在普測中發現變電站1主變220kV側的FCZ3-220J型避雷器B相熱像異常，在下瓷套自上而下的第4～6群的熱像分布不均勻且局部溫升異常，相比A、C兩相的溫度要高出510e，初步診斷其存在較為嚴重的缺陷問題，斷電檢測試驗探明絕緣電阻及電容電流均發生變化。進行解體檢查發現，其環氧樹脂隔板存在多個典型的樹枝狀爬電痕跡，并聯電阻連接銅片存在嚴重的過熱變色和銹蝕銅綠，避雷器閥片表面存在大范圍受潮殘留的水印，熱譜圖異常位置的內部存在明顯的樹枝狀爬電燒傷；根據以上缺陷表現可推斷避雷器在長時間運行中密封圈老化，干燥劑失靈，螺栓松動，進而造成進水受潮故障。因此應注意避雷器日常維護，加強密封檢查力度，在條件允許時應及時更換干燥劑和密封墊圈。

2.4 探測電抗器內部缺陷

電抗器結構同變壓器類似，但其相對簡單，漏磁使其主要故障問題。通常而言，電抗器漏磁較大，在箱殼上的漏磁可形成感生電動勢并產生按照外殼螺栓為流動路徑的箱體環流，由此導致箱殼局部過熱，螺栓溫升過高，嚴重時甚至會造成絕緣油色譜異常。此類缺陷的紅外熱像表現為一個以漏磁通穿過產生環流區域或螺栓過熱為中心的熱場分布圖。[3]

如采用紅外熱像儀對某電站高抗進行探測，發現電站I線與II線高抗的A、B、C三相均存在局部過熱區域，其紅外熱像圖表面的高限溫度點都在本體加強鐵的上部，此位置相對應的設備內部是磁屏蔽上端的固定螺栓，原因即為漏磁通在此螺栓處形成渦流損耗造成發熱。根據熱像儀圖表顯示，其高限表面溫度達132.7e，隨后經過取油實施色譜分析，探明6臺高壓電抗器的總烴值都相對較低，可表明在此種工作條件下高抗仍能保持運行，但若不進行維護改進則會加速油的老化。另外電抗器鐵芯絕緣失效或片間短路造成的熱缺陷問題可依照變壓器診斷方式進行探測。

3 結束語

紅外熱像診斷技術的應用水平將直接關系著高壓電氣設備的缺陷檢測質量，因此，相關技術與研究人員應加強有關紅外熱像技術在高壓電氣設備中的應用研究，總結高壓電氣設備熱缺陷故障問題規律及紅外技術檢測方法，以逐步改善紅外診斷技術應用質量。

參考文獻

[1]白雪芹.電力設備紅外診斷技術及應用探討[J].太原城市職業技術學院學報，2012，13（14）：74-75.

[2]余曉峰.論高壓電氣設備絕緣在線監測裝置的應用[J].廣東科技，2011，6（10）：61-62.

[3]吳繼平，李躍年.紅外熱成像儀應用于電力設備故障診斷[J].電力設備，2012，5（35）：57-58.