基于紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷方法研究

周 健，吳 琳，柳江濤，胡 南，呂 旋

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司 龍泉市供電公司，浙江 龍泉 323700）

0 引 言

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展，它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。尤其是在電氣設(shè)備故障檢測(cè)中，利用紅外熱像技術(shù)判斷故障點(diǎn)做到預(yù)知檢修，已成為當(dāng)前電氣設(shè)備保修的重要手段之一，能更好地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷難度較大，因此現(xiàn)場(chǎng)檢修需要綜合判定。同時(shí)，要求檢修人員能夠掌握紅外熱像技術(shù)的原理，熟知內(nèi)部故障與紅外熱圖特征之間的關(guān)系。

1 紅外熱像技術(shù)

1.1 紅外熱成像儀

紅外熱成像儀就是借助紅外熱像技術(shù)，將被測(cè)目標(biāo)的溫度分布通過熱圖的形式展現(xiàn)出來的裝置。任何物體只要有溫度就會(huì)發(fā)出紅外線，紅外熱成像儀通過接收物體發(fā)出的紅外線將其轉(zhuǎn)化為熱圖形式，以此表示被測(cè)物體溫度的分布情況。根據(jù)溫度分布情況的細(xì)小差異，判斷發(fā)生溫度差異的點(diǎn)，從而迅速鎖定故障位置，而后測(cè)量相關(guān)位置的溫度來判斷故障位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)檢維修的目的[1]。

1.2 紅外熱像技術(shù)診斷的特點(diǎn)

1.2.1 操作便捷

檢測(cè)時(shí)，只要是進(jìn)入紅外熱像儀檢測(cè)范圍的物體都會(huì)在顯示屏中成像。如果檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存在溫度異常情況，可以直觀看到異常點(diǎn)和量，同時(shí)可以測(cè)量異常點(diǎn)的溫度。

1.2.2 操作安全

紅外熱成像是一種無損檢測(cè)技術(shù)，主要通過監(jiān)測(cè)設(shè)備故障引發(fā)的異常紅外輻射和溫度實(shí)現(xiàn)，不會(huì)改變?cè)O(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。此外，操作過程中不接觸且不停電，也無需采樣和解體，因此具有較高的安全性，不會(huì)影響其他設(shè)備的運(yùn)行。

1.2.3 操作效率高

紅外熱像技術(shù)適用于各種電氣設(shè)備的故障診斷，能夠快速對(duì)大面積物體進(jìn)行掃描成像，操作快捷且直觀，檢測(cè)效率高。不僅能快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點(diǎn)，而且能精準(zhǔn)判定故障位置和故障程度。

1.2.4 操作智能化

紅外成像儀能自動(dòng)收集相關(guān)數(shù)據(jù)并科學(xué)分析監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而給出可能存在的故障點(diǎn)及程度。同時(shí)，儀器可以儲(chǔ)存設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)資料，連接計(jì)算機(jī)建立數(shù)據(jù)庫，為故障趨勢(shì)分析搭建平臺(tái)，有助于促進(jìn)故障診斷智能化。

2 基于紅外熱像技術(shù)的電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷

2.1 變壓器故障的紅外診斷

2.1.1 高壓套管的故障診斷

由于高壓套管的內(nèi)外結(jié)構(gòu)不同，因此通過紅外熱像技術(shù)掃描形成的熱圖特征也存在差異。

（1）高壓套管外部接頭故障。以高雪套管為例，當(dāng)其外部接頭出現(xiàn)故障時(shí)，通過熱像圖可以觀察到接頭中心發(fā)熱情況明顯，如圖1所示。參照GB763-90相關(guān)規(guī)定，若溫差＞20 ℃，則需要進(jìn)行故障排查，同時(shí)加強(qiáng)防控；若溫差＞40 ℃，則表明外部接頭發(fā)生嚴(yán)重故障，必須立即進(jìn)行停工檢修。

圖1 高壓套管外部接頭故障熱像對(duì)比圖

從圖1可以看出，“1”所在位置的溫度最高。但時(shí)，從“1”和“2”之間的溫差數(shù)值來看為一般性故障，程度不嚴(yán)重，需要密切監(jiān)視以防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的故障。

（2）高壓套管內(nèi)部接頭故障。對(duì)于35 kV以下的變壓器而言，套管內(nèi)部接頭多數(shù)位于箱體油中，當(dāng)其中一至兩相發(fā)生故障時(shí)，熱像圖與正常套管存在明顯差異[2]。110 kV變壓器套管的引線將起接頭和將軍帽連接，當(dāng)接頭發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生的異常溫度將會(huì)傳遞給將軍帽。因此，發(fā)生故障時(shí)，將軍帽將表現(xiàn)出明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。

2.1.2 變壓器內(nèi)部的紅外故障診斷

若僅僅是箱體出現(xiàn)發(fā)熱，鐘罩螺栓并未出現(xiàn)明顯發(fā)熱時(shí)，需要判定是否是變壓器內(nèi)部發(fā)生故障。主要診斷依據(jù)是內(nèi)部故障會(huì)引發(fā)發(fā)熱反應(yīng)，且變壓器運(yùn)行負(fù)荷越大，箱體溫度越高[3]。因此，通過調(diào)節(jié)變壓器負(fù)荷，觀察熱圖顯示的發(fā)熱情況是否出現(xiàn)變化，可判定是否存在內(nèi)部故障。

2.2 高壓斷路器故障

2.2.1 少油斷路器內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良

上動(dòng)、靜觸頭以及中間觸頭接觸不良等，是少油斷路器內(nèi)部導(dǎo)電體連接不良最常見的幾種表現(xiàn)。當(dāng)上動(dòng)和靜觸頭發(fā)生接觸不良時(shí)，它的熱像圖以引線根部為中心，斷路器上部出現(xiàn)整體發(fā)熱，且溫度分布從高到低依次是頂部、基座法蘭和瓷套。當(dāng)中間觸頭發(fā)生接觸不良時(shí)，熱像圖以基座法蘭為發(fā)熱中心，溫度分布從高到低依次是基座法蘭、頂帽和瓷套。當(dāng)靜觸頭發(fā)生接觸不良時(shí)，它的熱像圖以頂帽中部為發(fā)熱中心，且瓷套表面溫度低于基座法蘭的溫度。

2.2.2 高壓套管內(nèi)部導(dǎo)電桿連接不良

內(nèi)部導(dǎo)電桿發(fā)生接觸不良時(shí)，將會(huì)使得套管發(fā)熱。它的熱像圖表現(xiàn)為以套管頂帽為發(fā)熱中心，且套管頭局部出現(xiàn)明顯發(fā)熱。

2.2.3 斷路器缺油故障

斷路器缺油故障的熱像圖與變壓器缺油故障的熱像圖差異很小，區(qū)別在于斷路器發(fā)生故障后油位面較正常情況更低。一旦發(fā)現(xiàn)這種情況，要立即檢修斷路器，查看是否出現(xiàn)缺油。

2.2.4 斷路器內(nèi)部受潮故障

當(dāng)斷路器內(nèi)部受潮后，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為斷路器整體發(fā)熱。當(dāng)發(fā)生故障的斷路器停止運(yùn)行后，它的溫度與正常斷路器之間的溫度差不會(huì)發(fā)生變化。在故障診斷過程中，如果發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部受潮且溫差＞3 ℃時(shí)，必須要盡快處理[4]。因受潮導(dǎo)致斷路器故障的熱像圖，如圖2所示。其中，斷路器頂部溫度基本正常，但法蘭處附近溫度異常。經(jīng)過檢修發(fā)現(xiàn)，斷路器內(nèi)部積水非常嚴(yán)重，在運(yùn)行過程中積水沿瓷套向下滲透，從而在斷路器內(nèi)部形成一條電阻為0 Ω的絕緣放電通道。

2.3 電力電容器紅外故障診斷

2.3.1 耦合電容器紅外故障診斷

圖2 斷路器內(nèi)部受潮熱像圖

對(duì)于電氣設(shè)備而言，耦合電容器因其自身的散熱性極佳且對(duì)介質(zhì)的消耗情況非常少，因此正常情況下其表面溫度幾乎不會(huì)發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)耦合電容器發(fā)生故障時(shí)，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為電容器整體發(fā)熱，且以中軸為對(duì)稱線，熱輻射量從上至下呈遞減趨勢(shì)。耦合電容器內(nèi)部故障的主要表現(xiàn)形式包括介質(zhì)受損、受潮、支架放電以及缺油漏油等。它的紅外熱像圖特征基本與正常情況一致，但設(shè)備整體熱量略高。所以，當(dāng)通過紅外熱像儀檢測(cè)到耦合電容器溫度超過最大允許溫度或是與正常設(shè)備溫差超過正常值范圍，則表示可能存在故障隱患，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢修。

2.3.2 并聯(lián)電容器紅外故障診斷

并聯(lián)電容器發(fā)生故障的情況有受潮、漏油、短路以及局部放電等。并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)具有較大的相似性，通常采用扁形鐵殼箱。由于電容器的介質(zhì)損耗大，因此即便是處于正常狀態(tài)的并聯(lián)電容器，表面溫度也會(huì)略有上升。正常情況下，并聯(lián)和串聯(lián)電容器紅外熱像圖表現(xiàn)一致，其溫度分布以在寬側(cè)面垂直平分線的2/3高度處為最高溫度點(diǎn)，其余部位溫度有所降低[5]。但是，熱傳遞介質(zhì)存在差異，會(huì)導(dǎo)致局部溫度出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。對(duì)于出現(xiàn)故障的并聯(lián)電容器來講，當(dāng)發(fā)生受潮或老化故障時(shí)，熱像圖表現(xiàn)為電容器整體溫度升高，且箱體表面出現(xiàn)較為明顯的隆起現(xiàn)象，被稱為“鼓肚子”，在“肚子”周圍會(huì)產(chǎn)生大量熱量。當(dāng)電容器出現(xiàn)“鼓肚子”現(xiàn)象時(shí)，其運(yùn)行溫度極高，極易導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生爆炸。并聯(lián)電容器若發(fā)生漏油故障，其油位面與正常電容器相比明顯更低。一旦出現(xiàn)這種情況，要及時(shí)進(jìn)行檢修。

2.4 互感器故障的紅外診斷

2.4.1 電壓互感器的紅外診斷

電壓互感器發(fā)生故障的常見情況有鐵芯故障、受潮、放電、缺油以及諧振過電壓等。當(dāng)互感器出現(xiàn)受潮、老化以及局部放電等絕緣故障時(shí)，以中小型變電站為例，它的電壓互感器的紅外熱像圖表現(xiàn)為電壓器整體溫度升高，具有較為明顯的熱輻射。此外，鐵芯片局部短路和繞組匝間短路故障的紅外熱像圖表現(xiàn)特征也是如此，且溫度升高程度要明顯高于絕緣故障，需要檢修人員根據(jù)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行逐一排查，或是結(jié)合其他故障現(xiàn)象找出故障原因。大型變電站的電壓互感器幾乎都為油浸絕緣。發(fā)生故障時(shí)，它的紅外熱像圖表現(xiàn)為頂部油柜溫度最高，且溫度分布從上至下依次降低。

2.4.2 電流互感器的紅外診斷

電流互感器發(fā)生漏油故障時(shí)，它的紅外特征與電壓互感器漏油時(shí)幾乎一致，主要表現(xiàn)為油位面低于正常運(yùn)行的電流互感器。當(dāng)油位面低于警戒線時(shí)則為不合格，存在故障隱患；當(dāng)漏油情況極為嚴(yán)重，導(dǎo)致儲(chǔ)油柜無油的情況時(shí)，互感器溫度將驟然上升。

3 結(jié) 論

隨著紅外熱像技術(shù)的不斷發(fā)展，利用該項(xiàng)技術(shù)可以快速、安全且高效地檢出電氣設(shè)備內(nèi)部的故障情況。紅外熱像儀輔助成熟的計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，能計(jì)算、處理和分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的熱輻射情況，一定程度上提高了診斷的可靠性和精確性，值得進(jìn)一步探索和推廣。