紅外測溫技術在架空輸電線路故障診斷中的應用

王 彪，張艷軍

（國網河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061000）

隨著工業生產和人民生活用電負荷的大幅增長，我國架空輸電線路負荷電流不斷攀升，導線接頭長期受到線路負荷變化的影響，極易造成接觸電阻增大、機械強度下降甚至出現接頭燒熔、斷線事故。架空輸電線路導線直線接續金具檢測周期為必要時；并溝線夾、跳線連接板、壓接式耐張線夾測試周期為每次檢修；紅外測試應在線路負荷較大時抽測，根據測溫結果確定是否進行測試［1］。通常的測試方法有：蠟試法、紅外測溫法。蠟試法需要進行帶電作業，由作業人員將蠟塊放置到測點處，通過蠟塊的融化時間和融化狀態推測被測點的溫度，該方法操作復雜、精度低，目前已很少應用；紅外測溫法操作簡單、精度高，被廣泛應用于電力設備溫度測試，其主要儀器是紅外點溫儀和紅外熱成像儀。

1 紅外測溫技術

紅外測溫是利用紅外輻射原理，采用非接觸方式，對被測物體表面的溫度進行觀測和記錄。對物體表面溫度的檢測就是對其輻射功率的檢測，物體的輻射功率與它的材料、結構、尺寸、形狀、表面性質、加熱條件及周圍的環境和其內部是否有故障、缺陷等諸因素密切相關。當被測物體其他條件不變的情況下，僅僅是產生故障和缺陷，其表面溫度場分布將會發生相應變化；若被測物體材料特性發生異常，其表面的溫度也相應改變。因此應用紅外進行溫度檢測，可以分析被測目標的狀況和內部缺陷［2］。

隨著狀態檢修的逐步實施，通過紅外測溫等檢測診斷，可及時發現電力設備的機械故障及設備內部缺陷。紅外測溫技術具有非常顯著的優點，近年來紅外點溫儀、熱成像儀等紅外測試儀器在線路導線線夾溫升測試、導線連接器溫升測試、低值零值瓷質絕緣子檢測、復合絕緣子局部受損異常溫升檢測中得到了大量應用，在架空輸電線路狀態檢修工作中發揮了重要作用。

2 紅外測溫的理論依據及注意事項

2.1 理論依據

由同種材料構成的良好導線接頭與同樣長度的導線相比，導線接頭直徑大于導線直徑，所以，良好導線接頭的熱像特征總表現為相對于線路導線有負的溫升。也就是說，良好架空輸電線路導線接頭在穩定運行狀態下的溫度總要低于線路導線的溫度，并且兩者溫差隨線路負荷電流的平方成正比變化。由此可見，在對架空輸電線路導線接頭進行紅外檢測時，發現導線接頭與1m 以外導線相對于環境溫升相等，就表明該導線接頭已存在接觸不良缺陷。

架空輸電線路導線軸向溫度分布在不同的運行參數時趨勢大致相同。也就是說，在很大的線路負荷電流變化范圍內，從故障點處約1 m 開始，沿導線軸向溫度分布趨于穩定，接近無窮遠處的導線溫度。由此可以得出：當進行架空輸電線路故障接頭紅外檢測時，根據導線接頭故障發熱沿導線軸向溫度分布特征，以距該接頭1 m 處的導線溫度作參考，檢測故障導線接頭相對導線的溫升，用該溫升值作為評價接頭有無故障及故障嚴重程度的依據是科學、可靠的，其誤差約為0.5%。但是良好導線接頭溫度應低于線路導線溫度，所以，當檢測到接頭相對于1m 以外導線溫升為零時，就應懷疑該導線接頭存在接觸不良故障。

2.2 注意事項

在輸電線路紅外測溫工作中應注意以下事項：不能透過石英玻璃進行紅外測溫；不能對光亮或拋光的金屬表面進行紅外測溫（不銹鋼、鋁）；不能在塵土、煙霧、蒸汽等環境惡劣區域進行紅外測溫，影響測試精度；當環境溫差在20℃或更高的環境中使用時，應使紅外測溫儀在新的環境溫度中適應15min以上方可開始測試。

3 影響導線溫升的因素

3.1 導線連接形式

架空輸電線路導線故障主要包括導線斷股及斷股補修處的過熱缺陷，接觸電阻過大的導線接頭壓接管、架空線路桿塔上的引流線夾或跳線夾與耐張線夾等因螺栓松動而形成的過熱故障。

我國架空輸電線路接續金具分為鉗壓、液壓、爆壓和螺栓連接等12個系列159種型號，架空輸電線路導線的接頭分別用耐張液壓管、耐張爆壓管、C 型線夾、并溝線夾、直線接續管等連接而成。其中C型線夾、并溝線夾多為螺栓式，直線接續管和耐張管多為液壓型和爆壓型，稱為壓縮連接件。架空輸電線路導線的C型線夾、并溝線夾和壓縮連接件都安裝在導線表面，串聯在輸電線路中，通過的總負荷電流與線路導線相同，但各種接頭截面積大于導線截面積。導線與連接件之間一般具有良好的電氣連接，通常只有很低的接觸電阻。因此，在正常狀態下，導線接頭處不會產生高溫過熱現象。有資料顯示，壓接、螺栓、C型3種線夾中螺栓型和壓接型的接觸電阻逐年增加，而C型基本不變。試驗證明對性能壽命而言，C型最佳、螺栓型次之、壓接型最差，這一結論推翻了幾十年來一直認為壓接型線夾最可靠，壓力越大、接觸電阻越小的觀點。初始壓力過大時，經過熱循環后，劣化更快，壽命更短，接觸電阻反而增大［3］。

3.2 施工質量

架空輸電線路施工現場受作業條件和環境限制，往往不能在施工過程中檢查出接頭接觸不良等隱患，所以，施工時可能會出現接觸電阻過大的接頭。線路施工中造成導線接頭不良連接的主要原因包括材質低劣，現場施工不嚴格，設計不合理，在爆壓或液壓過程中的壓力不足使接觸面縮小，導線接頭在爆壓前沒有打磨，致使導體表面存在氧化層、硫化物、灰塵及其它污穢層。導線長期在野外自然環境中運行，出現振動、擺動、電動力沖擊造成連接松動，因周期性加載引起的線路部件不斷熱脹冷縮，或因環境侵蝕引起的機械零件性能劣化等都可能造成導線接頭接觸不良。

正常狀態下接觸良好的導線接頭連接件接觸電阻率很小，電阻損耗引起的發熱功率很少，溫升較低，在接觸表面不易形成有害的氧化膜，因此連接良好的導線接頭接觸電阻低且比較穩定。而連接不良的導線接頭連接件接觸電阻率較高，運行狀態下的電阻損耗發熱功率較大，因此，溫升較高。隨著溫度升高，更加速了各種物理或化學的變化過程，促使連接件接觸面氧化，據相關資料顯示，當鋁表面溫度超過70 ℃時，鋁表面的氧化開始加劇，使鋁表面生成三氧化二鋁，使接觸電阻成幾十至幾百倍的增加（純鋁電阻率為0.029 1×10－6Ω·m，而三氧化二鋁電阻率為1.0×10－6Ω·m）。從以上數據可看出，不良接頭的接觸電阻表現為不穩定特征，由于連接件的接觸不良，導致局部發熱增加和溫度升高，而隨著接頭過熱和溫升加劇，促使導線連接件接觸面迅速氧化，接觸電阻進一步急劇增加。不良接頭的這種接觸電阻與過熱溫升之間的惡性循環過程，終將引起導線接頭機械強度降低或拉長變細，甚至在導線質量和風力舞動作用下導致接頭斷開。當線路遭受雷擊或系統出現短路時，因瞬時大電流通過接頭，更容易造成連接故障的接頭出現燒斷事故。

3.3 環境因素

架空輸電線路導線因通過負荷電流，在運行狀態下的溫度總要高于環境溫度，紅外成像技術可以充分顯示這一特征。另外正常運行狀態下導線相對于環境的溫升值，取決于日照強度、線路負荷的大小及對流散熱與輻射散熱的強弱。運行狀態下的架空輸電線路導線溫升隨線路負荷電流密度平方而增加，并受周圍空氣對流散熱的影響。架空輸電線路導線在空氣中的對流散熱主要決定于流經導線表面風速的影響，所以加強研究載流線路導線溫升隨電流密度及風速的變化規律，將為確定架空輸電線路故障紅外檢測提供必要的科學依據。

研究表明架空輸電線路導線電流密度和溫升都較小時，風速的影響相對要小一些；電流密度及溫升越大時，風速影響也越大，太陽輻射引起的載流導線附加溫升也將隨氣象情況、季節、地理位置及檢測時間變化。日照強度和導線附加溫升隨時間的變化曲線都近似呈鐘型分布。在量值上，導線附加溫升隨日照強度的增大而增加，在時間上，導線附加溫升的變化滯后于日照強度的變化。日照強度一般在上午11時30分達到最大值，而導線附加溫升約在13時達到最大值，比日照強度變化滯后約1.5h。這可解釋為架空輸電線路導線的熱慣性所致。從以上結論看出，為了減少太陽輻射對導線溫升的影響，進行架空高壓輸電線路故障的紅外檢測作業應該選擇在上午10時以前無風并且陰而無雨的天氣。

4 紅外測溫技術應用實例

4.1 案例1

2012年7月，110kV 徐郭I線1 號塔U 相小號側耐張線夾引流線接頭溫度56.6 ℃。經停電檢查發現，該導線接頭溫度過高缺陷是由于引流板連接螺栓松動，線夾引流板與引流端子接觸不良造成。徐郭I線位于沿海地區，常年經受大風作用，線夾接頭螺栓松動，線夾表面氧化，造成線夾引流板接觸面積變小，電阻增大，最終導致了線路在高溫、大負荷期間出現接頭過熱的缺陷。

4.2 案例2

2012年7月，110kV 徐臨線1號塔W 相大號側耐張線夾引流線接頭90.4℃，如圖1所示。經停電檢修發現，該導線接頭因接觸不良長期發熱，引流線夾接觸面因燒蝕出現大量麻點，2個連接螺栓中一個已經燒熔，另一個螺栓也出現嚴重燒蝕現象，如圖2所示。

經過現場分析該缺陷主要是施工人員未按工藝要求施工，首先是耐張線夾連接板與引流線連接板不匹配（引流線連接板螺孔為φ16mm，耐張線夾連接板螺孔為φ14mm，螺栓采用M14），導致引流線連接板與耐張線夾連接板接觸面積減小；二是引流線連接板與耐張線夾連接板安裝錯誤，未將2個光滑面連接，導致接觸面存在縫隙，檢查發現實際接觸面積僅為連接板的1／2，第三是引流線連接板與耐張線夾連接板之間未涂導電脂，接觸面已嚴重氧化。

圖1 耐張線夾過熱情況

圖2 耐張線夾連接螺栓燒蝕情況

4.3 案例3

2012年9月，110kV 渤城線2號塔U 相大號側耐張線夾引流板87℃。經停電搶修發現，耐張線夾連接板與引流線連接板燒蝕嚴重，連接螺栓已經燒斷，造成該事故的原因主要是耐張線夾連接板與引流線連接板在施工安裝中都被裝反了，接觸面連接不緊密，線路運行中受雨水、有害氣體及酸堿鹽等腐蝕性污染和侵蝕，造成連接金具連接處氧化、老化；110kV 渤城線2號位于海邊強風區，為同塔四回線路，該處引流距地面56m，常年經受大風作用，連接板螺栓松動，接觸電阻增大。

5 結束語

架空輸電線路耐張線夾及直線接續金具受施工工藝、運行環境、機械作用、運行老化等多方面因素的影響，易造成連接螺栓松動、接觸面氧化、接觸電阻增大等設備隱患。紅外測溫診斷是一種成熟的、高效的架空輸電線路狀態檢測手段，利用紅外點溫儀和遠紅外熱成像儀對架空輸電線路進行定期檢測，可早期排查線路接頭、耐張線夾等設備存在隱患，迅速發現故障位置，及時掌握設備健康狀況，為線路狀態檢修提供準確的數據，為狀態檢修提供可靠的依據。

［1］DL／T 741—2010，架空輸電線路運行規程［S］.

［2］應偉國.架空送電線路狀態檢修實用技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］王清葵.送電線路運行和檢修［M］.北京：中國電力出版社，2003.