紅外熱成像技術(shù)在發(fā)電廠變壓器運維中的應(yīng)用

陳 聰 王云陽 梁 辰 徐俊元 王曉劍 何天磊

（1、中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海200086 2、中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州215123 3、中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱150001）

在發(fā)電廠升壓站及其他高壓設(shè)備出現(xiàn)故障時，故障部位會伴隨表現(xiàn)出熱狀態(tài)異常現(xiàn)象，而紅外故障檢測可實現(xiàn)對被測物體的表面溫度變化情況以及熱量分布的實時獲取，可對高壓設(shè)備進(jìn)行實時檢測，同時紅外熱成像技術(shù)具有非接觸式紅外診斷的特點[1]，使得紅外熱成像技術(shù)在應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備熱故障檢測時具有更高效、更方便、更準(zhǔn)確的優(yōu)點。因此紅外成像技術(shù)在電力系統(tǒng)得到廣泛使用，現(xiàn)場運維人員是否能夠準(zhǔn)確判斷變壓器運行狀態(tài)，對變壓器狀態(tài)檢修策略的制定有著重要意義。

1 紅外技術(shù)介紹

1.1 紅外檢測技術(shù)的實現(xiàn)原理

紅外檢測技術(shù)原理是通過被測設(shè)備發(fā)射紅外輻射信號獲得該設(shè)備表面熱狀態(tài)信息。由于發(fā)電廠中高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)接觸電阻過大或者其他內(nèi)部故障時，故障部位會伴隨表現(xiàn)出熱狀態(tài)異常現(xiàn)象，故障部位表面溫度遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)下的溫度，這種故障統(tǒng)稱為熱故障。因此當(dāng)發(fā)電廠變壓器等設(shè)備出現(xiàn)熱故障時，可利用紅外檢測技術(shù)獲得被檢設(shè)備表面熱狀態(tài)信息，通過對被測設(shè)備的熱故障進(jìn)行分析來確定內(nèi)部故障的成因及應(yīng)對措施。

1.2 紅外熱成像儀簡介

紅外熱成像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡接收被測目標(biāo)的紅外輻射信號，經(jīng)過光譜濾波、空間濾波，使聚焦的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，對被測物的紅外熱像進(jìn)行掃描并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號通過電視屏或監(jiān)視器顯示紅外熱像圖[2-3]。

熱像儀由兩個基本部分組成:光學(xué)器件和探測器。光學(xué)器件將物體發(fā)出的紅外輻射聚集到探測器上，探測器把入射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而被處理成可見圖像，即熱圖。如圖1 所示。

圖1 熱像儀工作原理圖

2 缺陷情況

2020 年4 月18 日至4 月19 日，某發(fā)電公司運維人員在500kV 升壓站內(nèi)，對聯(lián)絡(luò)變壓器進(jìn)行紅外熱成像檢測，發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)變存在一處過熱缺陷：

聯(lián)絡(luò)變C 相中壓套管與導(dǎo)線連接處存在過熱現(xiàn)象，熱點溫度為75.4℃，與同一被測設(shè)備不同部位相比，熱點處溫差為51.9K，熱點處溫升為58.5K，溫度場有一定梯度。4 月19 日同一時間段，電氣專業(yè)對過熱異常相進(jìn)行了復(fù)測，熱點溫度為65.2℃，與同一被測設(shè)備不同部位相比，熱點處溫差為41K，熱點處溫升為45.4K，溫度場有一定梯度。

3 事件經(jīng)過

3.1 圖像分析

500kV 升壓站聯(lián)絡(luò)變壓器為三相分體變壓器，聯(lián)絡(luò)變壓器經(jīng)三相對比過熱點有兩處，其中C 相中壓套管與導(dǎo)線連接處存在過熱現(xiàn)象如圖2。

圖2 故障點的紅外圖像

針對于此處過熱，運維人員分別于4 月18 日及4 月19 日前后2 天進(jìn)行拍攝，環(huán)境溫度分別為16.9℃、19.8℃；紅外熱成像儀輻射率設(shè)置為0.9；相對濕度分別為45.3%、41.9%；目標(biāo)距離為2m；負(fù)荷電流分別為1057 A、863.6A，正常相如圖3 所示。

圖3 正常相紅外圖像

3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）4 月18 日數(shù)據(jù)分析

a.熱點溫度：T1=75.4（℃）

b.正常相對應(yīng)點溫度：T2=23.5（℃）

c.被測設(shè)備區(qū)域的環(huán)境溫度：T0=16.9（℃）

d.溫度差：ΔT=T1-T2=51.9（K）

e.溫升：τ=T1-T0=58.5（K）

f.相對溫差：δ=(τ1-τ2）/τ1=（T1-T2）/（T1-T0）×100%=88.71%

（2）4 月19 日復(fù)測數(shù)據(jù)分析

a.熱點溫度：T1=65.2（℃）

b.正常相對應(yīng)點溫度：T2=24.2（℃）

c.被測設(shè)備區(qū)域的環(huán)境溫度：T0=19.8（℃）

d.溫度差：ΔT=T1-T2=41（K）

e.溫升：τ=T1-T0=45.4（K）

f.相對溫差：δ=（T1-T2）/（T1-T0）×100%=90.3%

4 原因分析及解體驗證

4.1 原因分析

此次聯(lián)絡(luò)變壓器中壓套管接頭處過熱問題，依據(jù)DL/T 664-2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》對測試結(jié)果的計算分析可知屬于電流致熱型設(shè)備缺陷，缺陷等級為嚴(yán)重缺陷。但熱點溫度未達(dá)到緊急缺陷溫度值。

初步判斷因?qū)Ь€散股或線夾松動造成聯(lián)絡(luò)變C 相中壓套管與導(dǎo)線連接處溫度過高，亦不排除由于接線松動、支撐材料受高溫變形等因素影響。從熱成像圖中可見，接近中壓套管線夾處附近導(dǎo)線成螺旋狀過熱分布，線夾左側(cè)與導(dǎo)線接線處溫度最高，熱點溫度最高為4 月18 日拍攝的75.4℃，最高溫升為57.5K。受視場與空間分辨率限制，為了更清晰的表征發(fā)熱點的溫度分布，在所選擇的溫度范圍內(nèi)[4-5]，調(diào)節(jié)電平值和跨度值優(yōu)化圖像，并提高圖像的對比度。經(jīng)過對拍攝圖片的這些處理后效果見圖4。

圖4 故障相特寫

4.2 解體驗證

經(jīng)發(fā)電廠上報調(diào)度申請停電，6 月初進(jìn)行變壓器的缺陷消除。在檢修過程中，將線夾拆解時，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線與線夾之間緊固程度低，并在拆下線夾后發(fā)現(xiàn)線夾存在裂紋，以至于在受到很小的外力后線夾斷裂[6]。

通過發(fā)電廠結(jié)合停電檢修處理，驗證了之前的分析，并有效地避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大給發(fā)電廠造成經(jīng)濟(jì)損失。檢修中拆下的線夾圖片如圖5 所示。

圖5 斷裂的線夾

4.3 總結(jié)

（1）紅外熱檢測技術(shù)可有效、及時地發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備故障，運維人員對紅外測溫熟練掌握可及時發(fā)現(xiàn)潛伏性故障，有效提高發(fā)電廠設(shè)備可靠性。

（2）在精確測溫過程中要進(jìn)行復(fù)測，并記錄環(huán)境溫度及負(fù)荷電流等情況。

（3）判斷設(shè)備缺陷要結(jié)合電壓致熱性與電流致熱性缺陷進(jìn)行判斷。