基于電氣設備氧化過程的發熱及損傷情況判斷新方法

盧文立

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516003）

據國外電力公司統計，電網中約80%的故障源于配電系統。配電網的故障可能導致配電網的全部或局部停電，給企業生產和家庭用戶帶來不便的同時，造成巨大的經濟損失。因此，研究快速準確的配電網區域故障定位算法，具有重要的現實意義。

電氣設備的接觸不良是引起電氣設備事故、故障及電氣火災的主要因素之一。根據美國保險公司的統計數據，由于接觸不良引發的電氣火災，占電氣火災事故的25%以上。而根據《中國火災統計年鑒》對引起電氣火災的原因分類和統計，國內有12.6%的電氣火災直接原因是由于接觸不良引起的，而占電氣火災事故70.5%的短路和過熱，到底又有多少是由于接觸不良演變而間接引起的，還無法統計。

1 電氣設備發熱及其接觸電阻

電氣設備在正常運行情況下，將一部分電能以不同的損耗形式轉化為熱能，從而使電氣設備溫度升高。這些電能的損耗主要包括電流效應引起的電阻損耗，即電流型發熱；電壓效應引起的介質損耗，即電壓型發熱；因鐵芯的磁滯、渦流等現象產生的電磁效應的鐵損耗。電氣設備接觸不良引起的異常發熱，是一種典型的電流型發熱，它是電氣故障、事故和火災的重要成因之一。

電流熱效應產生的焦耳熱，按焦耳規律放熱：Q=I2Rt

公式說明，發熱主要由兩個因素組成，即電流和電阻，均屬電氣物理量。根據統計的紅外缺陷資料，造成電氣設備異常發熱的主要原因是電氣設備的過負荷。變電站個電氣設備承載的負荷是取決于電網的整體負荷，在一段時間時間內，可視為不變化。而對于變電站，倒閘操作等使得設備的接觸電阻更常變化。所以對于變電站，研究接觸電阻是必要的。

2 以溫度為變量的接觸電阻經驗公式

影響接觸電阻變化的因素主要有：（1）接觸金屬的溫度，溫度的升高可以使金屬的電阻率增加；（2）接觸金屬的形變，范性形變可以使金屬的電阻率增加；（3）接觸金屬的應力，在彈性范圍內單向拉伸或者施加扭轉應力可以使金屬的電阻率增加。此外，接觸金屬的接觸面積、接觸面是否形成氧化膜或其他電阻率高的膜層、電氣設備接觸金屬周圍的環境介質及其外表面的電化學反應等因素也會影響接觸電阻變化。

金屬導體相互接觸時，在接觸區域會形成附加電阻，這種附加電阻是由收縮電阻和膜電阻構成，接觸電阻的計算公式：Rj=Rs+Rm。

其中，Rj為接觸電阻；Rs為收縮電阻，是指當電流流經導體的接觸表面時，從截面面積較大的導體流入面積較小的接觸面（或接觸點），電流線會發生變形，從而使電流通過的路徑變長，有效導

電面積變小；Rm為膜電阻，是由觸頭面上的氧化膜或其他電阻率高的膜層引起的，與界面上的氧化或吸附微粒的薄膜有關。

接觸電阻的大小與接觸處的溫度、應力、應變、材質等因素有關，準確的計算接觸電阻比較困難。在上述各自變量中，接觸金屬的溫度更方便進行數學描述和數據獲取。

圖1 相對溫差判斷法

圖2 升溫速率圖

接觸電阻通常用的經驗公式如下：

Rj=Rs+Rm=（c1×H0.1875 ×F-0.6）×ρ+（c2×H ×F-1） ×σ

其中，c1=118.90 為常數，c2=0.45為常數，H 為兩接觸金屬的硬度，F 為兩接觸金屬的應力，ρ為接觸金屬的電阻率，σ為接觸金屬的表面電阻率。如一種金屬很薄地鍍在另一種金屬上面，其硬度應取鍍層的硬度，而電阻率則應取底金屬的電阻率。對于不同金屬的接觸，全部電阻為用各種金屬系數計算電阻的平均值。

H、F 會隨著設備的運行工況變化，但是在一段時間內分析，可視為不變，而觸金屬的電阻率ρ和接觸金屬的表面電阻率σ都是溫度的線性函數，即：

Q∞Rj∞（ρ、σ） ∞T

故此，可得接觸電阻對溫度的通式：Rj=C1T+C2

C1、C2是隨H、F、ρ、σ而變化的常數。

同時，可得孤立的設備接觸的發熱的通式：

Q=C3T+C4

C3、C4是隨H、F、ρ、σ而變化的常數。

3 紅外測溫及現行規程的判斷方法

電氣設備在其使用各階段，包括設備制造過程、設備運輸過程、設備安裝過程、設備運行維護過程等均會引起電氣設備接觸電阻增大，引起接觸不良。其中，設備運行維護過程存在周期長，設備狀況變化連續，停電檢查機會少等特點。而電氣設備接觸不良早期很容易處理，但很難發現；后期容易發現，但往往很難一次處理好，有時候只能徹底更換才能解決。

故此，如何在變電站的日常巡視和日常維護工作中做好對接觸電阻及設備發熱的發現與控制，是變電運維工作的一大重點。

紅外測溫技術是不需接觸、不需停電的設備運行狀態的檢測方法。對會造成發熱異常的電氣設備缺陷或故障，如短路、過熱、接觸不良、過負荷、三相不平衡、漏電等，均可快捷、及時地發現，具有檢測效率高，檢測方法靈活的特點。

據相關的管理文件，對紅外測溫的數據處理主要包括直接測定及判定法、與其他相或其他間隔的同類設備作比較的間接判定法、相對溫差判斷法。

其中相對溫差判斷法為按以下公式計算出相對溫差值，并判斷設備缺陷的性質。點的溫度T2=35；環境參照溫度T0=30，可得：

可見，相對溫差判斷法的不足在于：

（1）過分依賴于正常相對應點的溫升τ2的整定值，且δt 的判斷標準對τ2 值的依賴為5倍和20倍。

（2）環境參照體的溫度T0在一天中是變化的，δt受T0 的影響，是一個誤差來源。

（3）發熱點的溫度T1的測量存在著誤差，包括儀器的固有誤差和隨機誤差，δt受T1 的影響，是一個誤差來源。

4 基于電氣設備氧化過程的發熱及損傷情況判斷新方法

電氣設備在其使用各階段當接觸點溫度升高時，接觸面上會生成氧化層薄膜，從而增加了接觸電阻。金屬的氧化速度與觸頭表面溫度有關，當發熱溫度超過某一臨界溫度時，這個過程就會加速進行，接觸電阻可成百成千倍地增大。對有些電氣設備，當發熱溫度超過一定值時，彈簧接觸部分的彈性元件會被退火，使設備應力降低，接觸面積減少，也使接觸電阻增加，從而促使接觸點溫度升高，形成正反饋過程，最后會導致連接狀態遭到破壞。

而當溫度過高時，氧化層薄膜的形成會變得疏松，乃至脫落。

若考慮氧化膜的正反饋過程，可得設備接觸的發熱的通式：

其中： A1、B1、D1、E1、T0是相應運行工況下的常數，可由獲取的離散數據回歸得到。

對于物體受熱而升溫，需要考慮物體與環境的熱交換等過程，有以下溫升經驗通式：

故此可得，電氣設備接觸電阻的通式為：

其中，τ1和T1 為發熱點的溫升和溫度；τ2和T2 為正常相對應點的溫升和溫度；T0為環境參照體的溫度。

當相對溫差值δt≥80%時，視為重大缺陷，此時發熱點溫度T1′為：

T1′=5T2-4T0=5τ2+T0

當相對溫差值δt≥95%時，視為緊急缺陷，此時發熱點溫度T1″為：

T1″=20T2-19T0=20τ2+T0

當發熱點的溫升值小于10K 時，可暫定為一般缺陷，加強監視。取正常對應

接觸設備在一個特定的時間段可視作為熱平衡，設備發熱量約等于溫升，即：

Q=△Q

對Q 和△Q 取對數后，有：

其中，B1′≈logB1，B2′≈logB2，D1′≈logD1，E1′≈logE1；A1、A1′、B1、B1′、D1、D1′、E1、E1′是相應運行工況下的常數，是對于時間的時變數值。

當等時間間隔地對設備接觸點進行測量，設備接觸點的發熱溫度的對數值的變化趨勢如圖2 所示。

電力設備在運行中以及在外殼形成一定程度的氧化膜，所以，發熱過程是由T1至T2，呈指數上升，其上升的時間常數是在一定范圍內變化的數值。

而當溫度到達T3時候，此時溫度過高時，氧化層薄膜的形成會變得疏松，乃至脫落。溫度變化率還是趨于平緩。

當溫度從T3至T4，形成的疏松氧化層薄膜已經不再支撐發熱的正反饋過程，基本形成穩定的熱平衡。

對設備接觸點的發熱溫度的對數值求二階差分，有：

Z（K）=Y（K+1）-Y（k）=X（k+2）-2×X（k+1）+X（k）

其中，X（k）=log（T1（k））。Z（k）值越小，則說明，發熱溫度越靠近穩定熱平衡的溫度，也說明生成的氧化層薄膜越疏松，即發熱設備的接觸損壞越嚴重。

基于電氣設備氧化過程的發熱及損傷情況判斷新方法具有以下優點：

（1）不受環境參照體的溫度T0、發熱點的溫度T1、儀器測量發熱點的溫度的固有誤差δt以及正常相對應點的溫升τ2的整定值等的影響；

（2）利用現有的數據可表征發熱的接觸設備的損壞情況；

（3）部分變電站已經裝設在線測溫系統，若有足夠的數據供以分析，可得出Z（k）對于發熱的接觸設備的損壞情況的定量判斷值，用以判斷一般缺陷、重大缺陷、緊急缺陷。

結語

用于變電站紅外測溫分析的基本發熱判斷方法存在誤差來源多，依賴規程整定值的局限，本文就此提出了基于電氣設備氧化過程的發熱及損傷情況判斷新方法，對變電站紅外測溫分析的基本發熱判斷方法進行改進。本文 提出的判斷方法能準確有效判斷設備發熱及損壞情況，具有極佳的容錯性與魯棒性。

[1]Billinton R, Billinton J E.Distribution system reliability indices[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 1989, 4（01）：561-568.

[2]居榮.供配電技術[M].北京：化學工業出版社，2005：12-78.

[3]電器設備組件特別是接線端子容許溫升的導則一IEC60943 技術報告[J].江蘇電器，2004（03）：14-18.

[4]GB763-90，交流高壓電器在長期工作時的發熱[S].

[5]DL/T596-1996，電力設備預防性試驗規程[S].

[6]DL/T664-1999，帶電設備紅外診斷技術應用導則[S].