架空輸電線路故障診斷中紅外測溫技術的運用

韋海坤 柳竺江 嚴俊韜

電氣設備維護中經常用到的一種十分重要的科學技術便是紅外測溫技術。運用紅外測溫設備能夠提前檢測到可能出現故障的位置，避免過熱，還能將預防性試驗維修升級至預知狀態檢修，防患于未然。針對目前架空輸電線路負荷電流攀升以致線路故障的問題，本研究介紹了使用紅外測溫技術進行故障診斷的方法，詳細說明了紅外測溫技術的技術分析和理論依據，從導線的連接形式、環境因素、施工質量方面對影響導線溫度的因素進行分析，并引實例驗證。

紅外測溫;架空線路;導線溫升

我國工業用電和居民用電負荷的不斷增長，架空輸電線路負荷隨之不斷升高。導線接頭處由于受到輸電線路負荷變化的影響，長時間運行使其接觸電阻變大，機械強度下降，嚴重情況甚至會發生接頭燒熔、斷線事故。紅外測溫法由于其操作簡便、測量精度高，被廣泛用于對電力設備進行測溫，主要的操作儀器有紅外點溫儀和紅外熱成像儀等。

紅外測溫儀的原理是被測目標的紅外輻射能量分布圖形被紅外探測器、光學成像物鏡接收并反映到紅外探測器的光敏元上。光機對被測物體展開掃描，并將其紅外熱像投射到單元或分光探測器之上，再由探測器將紅外輻射信號轉換成電信號，并將信號放大，轉換成標準視頻信號通過電視屏或監測器顯示為紅外熱像圖。熱像圖與物體的熱分布場相對應，它的實質是被測目標物體地各部分熱像圖所反映出的是物體的熱分布場，它實際上就是被測物體各部分的紅外輻射熱像分布圖。由于傳導的信號非常微弱，與可見光圖像相比，熱像圖缺少一定的形象和立體感。因此，在現實的操作技術中，為了得到較為準確的結果，技術人員常采用一些其他技術來補充儀器實際應用功能，如對比度與亮度的控制，以及偽色彩描繪等技術。

導線發生斷股或斷股補修的地方出現溫度過高的情況，導線接頭壓接管的接觸電阻過大、架空線路桿塔上的引流線夾或跳線夾與耐張線夾等的螺栓松動是導致架空輸電線路中的導線故障的主要原因。在我國，架空輸電線路中運用的接續金具主要有鉗壓、液壓和螺栓連接等十幾類，共一百多種型號。耐張液壓管、耐張爆壓管、C型線夾等相互連接形成了架空輸電線路導線的接頭。其中C型線夾、并溝線夾多為螺栓式，耐張管多為液壓型和爆壓型，被稱為壓縮連接件。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，在電路中是串聯的關系，連接件中通過的負荷電流與導線中通過的電流相同，但是由于各接頭截面積大于導線截面積，接頭處負荷電流會更大。這是因為一般導線與連接件之間接觸電阻很低，它們之間可以形成很好的電氣連接，在正常情況下，導線接頭處的溫度一般不會過高。而當初始壓力過大時，熱循環會加快劣化，縮短使用壽命，同時接觸電阻增大。

由于導線中有負荷電流通過，其運行時的溫度總會比環境溫度高一些，紅外成像技術可以將這個特征很好地表現出來。正常情況下，導線相對于環境溫度的溫升值大小受到日照強度、周圍空氣對流散熱、線路負荷的大小以及對流散熱與輻射散熱的強弱等的影響，正常運行時，導線的溫升隨導線中通過的負荷電流密度的平方正比例增加。影響導線在空氣中的散熱的主要是流經導線表面的風速，對載流線路導線溫升隨電流密度及風速的變化規律進行深入研究，可以為架空輸電線路故障的紅外檢測提供可參考的的科學依據。經過進一步研究發現，當電流密度和溫升都相對較小時，風速造成的影響也相對較小;電流密度及溫升越大，風速的影響也就越大。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。從量值來看，導線附加溫升隨日照強度成正比例增長，從時間來看，導線附加溫升相對于日照強度的變化滯后要稍微滯后。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。這種情況可以用架空輸電線路導線的熱慣性來解釋。綜上所述，為了避免太陽輻射對作業造成影響，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。

受環境限制，施工現場一般無法檢查出接頭處是否接觸不良，施工時接觸電阻過大的接頭是十分常見的。造成該隱患的主要原因例如線材質量差，導線接頭在爆壓前未進行打磨，使得氧化物、硫化物及其他污穢附著于導線表面。長期在野外環境中運行，振動、擺動、電動力沖擊會造成連接松動，周期性通斷造成線路部件頻繁熱脹冷縮，或由于環境變化造成機械零件性能降低等都是造成導線接頭接觸不良的重要原因。一般來說，合格的連接件其接觸電阻率是很小的，由電阻損耗產生的發熱功率很少，溫升較低，也不易形成表面氧化膜，因此其接觸電阻較低而穩定。相應的，連接不良的導線接頭連接件接觸電阻率相對較高，電阻損耗引起的發熱功率較高，溫升也相對較大。溫度升高的同時，各種物理或化學變化的速率也加快，促使連接件接觸面發生氧化反應，接觸電阻阻值也不穩定。這種接觸電阻與過熱溫升之間的周而復始的惡性循環過程，最終會導致導線接頭部分的機械強度降低，變長以及變細，甚至還會斷開。當輸電線路受到雷擊或者發生短路時，極大的電流在很短的時間內通過接頭處，十分容易造成導線接頭處燒斷。

3.?

與同樣長度的導線相比，由同種材料構成的良好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表現為相對于線路導線有負的溫升。也就是說，一般情況下正常導線接頭在設備平穩運行時的溫度是比線路溫度低的。由此可以看出，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以外導線的相對環境溫升相等，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，當電流變化范圍很大時，從距出現故障位置約1m處開始，到無窮遠處，沿導線軸向的溫度是逐漸趨于穩定的。由此可以得出結論：在對故障線路進行紅外檢測時，按照導線接頭故障發熱的狀態沿導線軸向溫度變化的分布特征，以距故障接頭1 m處作為參考點，利用其溫升值來衡量故障導線接頭相對于導線的溫升，并據此來評價故障發生的嚴重程度，得出的結果是可靠的。另外，由于良好導線接頭的溫度應低于線路導線溫度，當檢測到接頭相對于1m以外導線溫升為零時，該導線接頭處可能會發生故障。

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2012年9月，110kV渤城線2號塔U相大號側耐張線夾引流板87℃。搶修后調查了解到，由于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，已經嚴重燒壞，連接螺栓也已經燒斷。另外由于接觸面連接不緊密，線路會容易受到雨雪、有害氣體以及酸堿鹽等有害物質的腐蝕和污染，以致金具連接處發生氧化并過早老化;110kV渤城線2號位于海邊強風區，為同塔四回線路，該處引流距地面約56m，由于常年受強風影響，連接板的螺栓發生松動，其接觸電阻增大。

架空輸電線路中的耐張線夾及直線接續金具受到施工工藝、運行環境、機械作用、運行老化等因素影響，會產生連接螺栓松動、接觸面氧化、接觸電阻增大等問題影響設備運行。作為一種成熟的、高效的檢測手段，紅外測溫診斷被廣泛應用于架空線路狀態檢測中。利用紅外點溫儀和遠紅外熱成像儀作為檢測儀器，可實時掌控設備的運行狀況，迅速確認故障位置，為線路狀態的檢修提供準確和可靠的數據，以盡早排除輸電線路接頭、耐張線夾等設備中存在的隱患。

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職工創新項目名稱：應用可穿戴技術的輸電設備現場型全維度紅外測溫裝置研制（031900KK52190018）