1、红外热像技术在电气设备故障诊断中的应用李毅刚三河发电有限责任公司 河北 065201摘 要： 红外测温技术最早运用于军事目的，近年来已广泛运用于电气设备检测工作中，对消除电气设备的非正常发热、降低设备 事故起到了重要作用。文章对红外测温技术的原理进行了简单介绍，并就其在电气设备过热故障检测中的运用范围、典型 设备 的故障特征、判断 标准、消除误差方法等作了论述。关键词： 红外测温 电气 温度 过热 热像图电力设备能否正常工作直接关系到电力系统的安全运行。随着超高压、大机组、大电网的出现，对电力设备的可靠性要求越来越高。为了保证电力设备运行的可靠稳定，必须充分依靠科技进步，提高技术监督的水平。传
2、统的绝缘预防性试验对防止电力设备事故的发生起了一定的作用，但它的致命弱点是需要停电实验，并且有些项目对设备具有一定的破坏性，降低了设备的使用寿命。 电气设备正常运转时，由于电流、电压效应会产生热量，电气设备发生故障时缺陷部位也会异常发热，设备在危险温度下运行，存在火灾隐患。目前，大部分电力用户使用的都是低压大电流的电气设备，一旦电气设备出现故障就容易引起高温。同时，电气设备的接触不良会引起高温、打火、电弧，容易成为火灾的引火源，类似这种危险温度和隐患通常是不易被发现的。由此又产生了在设备不停电的情况下监测设备的方法，其中对电力设备表面温度及其分布的监测，就是一种十分行之有效的在线诊断方法。而红
3、外检测技术通过其独特的检测手段非接触式的在线红外检测及热成像技术来监测设备的运行状态，可以及时了解电力设备现状，有效查找故障原因，并能预测设备未来状态。1.红外测温技术的原理红外测温技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观基础，物体表现热力学温度的变化，使物体发热功率发生相应变化。物体产生的热量在发出红外辐射的同时，还在物体周围形成一定的表面温度分布场。这种温度分布场取决于物理材料的热物理性，也就是物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热交换。利用这一
4、特性通过红外探测器将物体电气发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，经电子系统处理传至显示屏上，得到与物体表面热分布相对应的热像图。2.温度检测的步骤方与方法2.1 温度检测的步骤2.1.1 使用红外热像仪对一般电气设备和线路进行全面扫描普遍检测，发现其异常发热部位。然后，使用红外测温仪对异常发热部位进行测温；2.1.2 使用红外热像仪对重点电气设备和线路的发热部位摄取热像图，并经电脑对热像图的温度场分布进行分析处理。2.2 温度检测的方法电气设备的带电体工作状态是否正常，特别是外部裸露部分的故障，只要消除了上述各种影响因素，经过合理修正，得
5、到故障点的温度，参照国标 GB76390(交流高压电器在长期工作时的发热)及电力部出版的红外热像检测电力设备故障导则来判别最高允许温度和允许温升，是不难做出故障严重程度的诊断。但是，温度的测量受到很多因素的影响，特别是对于电气设备的内部故障而言，要想根据GB76390 进行判别，是比较困难的，而且还会引起误判。为了提高红外诊断的准确性，还要运用以下判别方法，可以获得可靠准确的诊断结论。2.2.1 热像特征判别法所有电气设备，在无任何内外部故障情况下，即可得到正常运行状态下的表面热分布或红外热像特征图。一旦电气设备出现内部或外部故障，则故障经内部构件和介质进行热传递，或其他形式热交换，改变设备表
6、面故障部位的稳定温升或温度分布。因此通过辨认现场摄制的设备红外热像图，只要发现热像特征存在异常变化，均可判定设备内部已出现故障，并根据热场分布变化的特点及温升值的大小，还可以对内部故障的属性、故障位置及严重程度做出准确的诊断。如在瓷瓶串热像中，一旦出现缺口似的热像，则表明相应位置的瓷瓶已成为零值绝缘子，而低值瓷瓶和污秽瓷瓶也可以通过热像图来区别进行鉴别。2.2.2 相间互比判断法因为高压电力设备绝大部分都是三相运行的，而且在正常情况下，作用于每一相的相电压或通过三相电路与导线的电流大致相同。换言之，每一相电路或导线相同部位的正常稳定温升应该一样。因此同组设备三相之间具有可比性，同类设备在同一时
7、间，同一地点和同一电源作用下也相互可比。因为三相相同部位同时出现一样故障的概率是很小的，基于这种原因，诊断时可以对三相之间相同部位的温升进行横向比较。若某电气设备 a、b、c 三相中任意两相之间相同部位存在超过 10左右的温差，则可以把该部位温度较高的一相初步诊断为出现故障。2.2.3 同相比较判别法电气设备一相中流过的负荷电流相同，如果同一相不同部位之间出现明显温差，则往往表明温升较高处存在异常或缺陷。例如在高压输电线路中的连接件，如果与连接件一米以外的同相导线温度相比有明显温升，则表明该连接件连接不良。同样，高压电缆本体部分存在的缺陷，也可以用同相不同部位的温升进行比较诊断。2.2.4 历
8、史状态变化判别法如果在新电气设备刚刚投入运行时，就将其正常运行状态下各部位温度分布的热图数据储存下来，那么在进行新的故障检测与诊断时，就可以把原来已经存档的设备热像数据调出，作为比较的依据，并根据新检测到的热像图数据与已经存档的同一设备以往热像图数据之间的差异，则可以对两者之间在何处出现变化和变化程度做出准确的诊断。但是为了弥补历次红外检测时记录的热像数据条件的不同(如运行条件，检测条件，环境条件)，应保障基本条件外，还应对影响检测结果最主要的因素做标准化处理。例如，每次检测结果都换算成设定的距离，风速(不大于三级)的条件下对环境的温升，则可相对改善不同时期检测结果的可比性，从而提高比较诊断的
9、可靠程度。如对于高压套管而言，凡发现有较大面积分布性过热，而且与上一次检测相比，瓷套口三相温差变化达 0.5以上者，可视为接头有异常发热，应加强监视，缩短检测周期，当与上次检测相比，三相温差超过 1时，应尽早安排停电试验、查明原因，若变化更大，则可判定为存在故障。2.2.5 发热机理判别法在电气设备故障红外诊断时，有时会遇到不同属性故障具有相同外部热像特征，例如 35kv及以上等级油浸(浇注)电流互感器的绝缘故障和铁心故障的热像特征，都是以上部油面为中心整体发热热像图，因此单凭热像特征无法鉴别这两种属性不同的内部故障，上例发热机理是属电压效应发热，发热功率与电压平方成正比，与负荷电流无关，所以
10、只要改变负荷就能判定是铁心故障还是绝缘故障(另一种发热机理是电流效应发热)。类似这种情况，在其他电气设备内部故障诊断时也会出现。3、红外热像仪在三河发电有限责任公司的应用设备故障红外诊断最核心的问题，是要求准确地获得被测设备的温度分布或故障相关部位温度值与温升值。这个温度信息不仅是判断设备有无故障的依据，也是判断故障属性、位置、严重程度的客观依据。三河发电有限责任公司于 2006 年年 4 月配备了一台广州飒特公司 SAT-HY6800 红外热像仪，在应用红外热像仪一年多的时间里，我们对升压站运行设备作了大量的监测工作，现已保存了一定的历史数据和红外热像。通过对历史数据、红外热像的比较和分析，
11、就能对设备能否安全运行作出判断，做到心中有数，防患于未然，大大方便了生产。同时在应用红外热像仪判断设备状态是否正常和是否过热方面也掌握了一定的知识，现略举一二。3.1 变压器红外热像图分析3.1.1 变压器红外热像图3.1.2 变压器正常红外热像图特征3.1.2.1 顶部是高温区，温度逐渐向下减弱3.1.2.2 套管升高座附近温度最高3.1.2.3 本体呈现一个明亮的红外热像图3.1.3 判断变压器过热故障依据3.1.3.1 检查套管端部接点有无温度偏差及过高3.1.3.2 比较三相套管表面温度是否均匀一致，以判断套管内部是否存在缺陷3.1.3.3 比较散热器表面温度是否均匀，以判断油路的堵塞
12、情况3.2 隔离刀闸红外热像图分析3.2.1 隔离刀闸红外热像图3.2.2 隔离刀闸正常红外热像图特征隔离刀闸工作中的正常状态应该是：环境温度略高，三相均匀3.2.3 判断隔离刀闸过热故障依据3.2.3.1 检查两端顶帽接点是否过热3.2.3.2 检查由弹簧压接的刀口是否过热3.2.3.3 是否支柱瓷瓶劣化使支柱瓷瓶整体温度升高3.3 电流互感器红外热像图分析3.3.1 电流互感器红外热像图3.3.2 电流互感器正常红外热像图特征 3.3.2.1 因大电流，内部高温通过瓷套辐射出来，本体呈现出一个较高的温度区域3.3.2.2 顶部温度比瓷套表面温度略高3.3.3 判断电流互感器过热故障依据3.
13、3.3.1 因内部绕组匝间短路或介质损耗增大，均会引起本体温度升高，比较三相 CT 表面温度是否平衡以判断可能出现的内部缺陷3.3.3.2 检查 CT 端部接点是否过热3.4 红外测温在其他电气设备故障中的应用3.4.1 发电机定子线棒接头焊接不良3.4.2 发电机定子铁芯绝缘缺陷3.4.3 发电机电刷接触压力调整不合格3.4.4 变压器涡流损耗引起的箱体发热3.4.5 断路器动静触头外部连接件接触不良3.4.6 电缆头接头接触不良3.4.7 互感器缺油、耦合电容器缺油引起的损耗增大4.影响红外检测的因素及对策现场进行设备红外检测时，由于检测条件和环境的影响变化，可能导致同一设备因检测条件不同
14、，而得到不同的结果。因此，为了提高红外检测的准确度，必须对现场检测过程中或对检测结果的分析处理中，采取相应的对策与措施或选择良好的检测条件，或对检测现场结果进行合理的修正。采取相应的对策和技术方法，使各种不利因素的影响降低到最小程度。如作业人员的组织培训，计划的制定，受检对象的选择，检测仪器的准备等等，除了正确运用分析处理方法以外，还必须对影响检测结果的各种因素，有充分的估计和预想。4.1 运行状态的影响与对策电气设备故障无论是电流效应引起的发热故障(导电回路故障)，发热功率与负荷电流值的平方成正比。电压效应引起的发热故障(绝缘介质故障)，发热功率与运行电压的平方成正比。因此，设备的工作电压和
15、负荷电流的大小，将直接影响到红外检测与故障诊断的效果。泄漏电流的增大，能造成高压设备部分电压不均匀。如果没有加载运行或者负荷很低，则会使设备故障发热不明显，即使存在较严重的故障，也不可能因特征性热异常的形式暴露出来。只有当设备在额定电压下运行，而且负荷越大时，发热及温升才越严重，故障点的特征性热异常也暴露得越明显。因此在进行红外检测时，为了能够取得可靠的检测效果，要尽量保证设备在额定电压和满负荷下运行，即使不能做到连续满负荷运行，也应编制一个运行方案，以便在检测前和检测过程中，能让设备满负荷运行一段时间(如 46h)，使设备故障部位有足够的发热时间，并保证其表面达到稳定温升。由于电气设备故障红
16、外诊断时，故障判断标准往往是以设备在额定电流时的温升为依据，因此当检测时实际运行电流小于额定电流时，应该是现场实际测量的设备故障点温升换算为额定电流的温升。其计算公式如下：=(in/i1)k1式中 in设备额定电流； i1设备实际运行电流；额定电流 in 时设备内载流导体故障点温升，；1在实际运行电流 i1 时设备内部载流导体故障点温升，； k设备内部导电回路温升常数。4.2 设备表面发射率的影响与对策任何红外测量仪器都是通过测量电气设备表面红外辐射功率，来获得设备温度信息的。并且在红外诊断仪器接收来自目标红外辐射功率相同的情况下，因目标的表面发射率不同，将会得到不同的检测结果。也就是说，相同
17、辐射功率，发射率越低，就会显示越高的温度。因物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态(如表面氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等)。因此为了应用红外热像仪器准确地测量电气设备温度，必须要知道受检目标的发射率值，并将该值作为计算温度的重要参数输入计算机或者调整红外测量仪的 修正值，以便对所测量的温度输出值进行发射率修正。消除发射率对检测结果影响的另外两种对策措施是：当使用红外热像仪进行测量时，要对发射进行修正，查出被测设备部件表面的发射率值进行发射率修正，从而获得可靠的测温结果，提高检测的可靠性；对于红外检测的故障频发设备部件，为使检测结果具有良好的可比性，可以运用敷涂适当漆料的方法来增大
18、和稳定其发射率值，以便获得被测设备表面的真实温度。4.3 大气衰减的影响与对策由于受检电气设备表面红外辐射能量，是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气组合中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等气体分子的吸收衰减和空气中悬浮微粒的散射而衰减，设备辐射能量传输的衰减随着检测仪器到被测设备之间的距离，降低了被测设备辐射的透过率，所以其衰减是随距离的增大而增加，降低受检设备故障部位与正常部位的辐射对比度，也会因为红外仪器接收到的目标能量减少，使得仪器显示出来的温度低于被测故障点的实际温度值，从而造成漏检或误诊断。尤其对于检测温升较低的设备故障时，这是很不利的。由此可见检测距离增大，大气组合的影响将会
19、越来越大。而且又要获得目标温度准确性，必须采取如下对策：尽量选择在环境大气比较干燥、洁净的时节进行检测；在不影响安全的条件下尽可能缩短检测距离，还要对温度测量结果进行合理的距离修正，以便测得实际温度值。4.4 气象条件的影响不良的气象环境主要是指雨、雪、雾及大风力等，都会对设备温度检测带来不利的影响，往往会给出虚假的故障现象。为了克服气象条件的影响，在无雨、无雾、无风和环境温度较稳定的夜晚进行检测(注：在小雨天气可以对瓷瓶拄的爬电即污秽处检查，有着很好的观察效果)，还要采取正确的诊断方法。4.5 环境及背景辐射的影响与对策特别是在进行户外电力设备红外检测时，检测仪器接收的红外辐射除了包括受检设
20、备相应部位自身发射的辐射以外，还会包括设备其他部位和背景的反射，以及直接射入太阳辐射。这些辐射都将对设备待测部位的温度造成干扰，对故障检测带来误差。例如：在晴朗的白天进行测量时，特别是在运行的主变附近，被阳光照射的大面积墙壁及其他高温物体辐射，可使测量结果产生较大的温升。太阳辐射可引起设备有 15 度左右的附加温升，因此太阳辐射及受检设备周围的其他高温物体辐射，不仅可以改变设备故障点的温度分布，影响故障部位的热特征，甚至可以显示虚弱的目标热像图而造成漏检。为了减少环境与背景辐射的影响，应采取如下对策措施：4.5.1 对户外电气设备的现场红外检测，尽可能选择在阴天或者在日落左右傍晚无光照时间进行
21、。这样可以防止直接入射、反射和散射的太阳辐射影响，对户内设备可以采用关掉照明灯，以及要避开其他的辐射影响。4.5.2 对于高反射的设备表面，应该采取适当措施来减少对太阳辐射及周围高温物体辐射的影响。或者改变检测角度，找到能避开反射的最佳角度进行检测。4.5.3 为减少太阳辐射及周围高温背景的辐射影响，可在检测时采取适当的遮挡措施，或者在红外热像仪器上加装适当的红外滤光片，以便滤除太阳及其他背景辐射。4.5.4 选择参数适宜的仪器和检测距离进行检测，使受检测的设备部位充满仪器视场，从而减少背景辐射的干扰。通常要求目标的最小几何尺度与测量仪器构成的视场角，应该不小于热像仪瞬时视场的 35 倍。5.
22、结论红外诊断技术是一种非常有效的在线监测手段。它不但可以通过在线监测发现缺陷，而且还能与其它试验方法相结合，对故障进行定位，给检修带来很大方便。目前红外在线诊断技术还在经验发展阶段。这就要红外诊断工作者对各种设备内部故障特性，图谱的研究和实践的积累，来不断地丰富我们的经验，提高诊断判定和定性的准确性，积累经验来提高诊断准确性。提高设备利用率和生产率，降低设备维修的费用，实现设备状态预知维修，为设备的安全运行生产奠定技术基础。参考文献：1 SAT-HY6800 红外热像仪使用说明书 作者简介：李毅刚，男，1974 年出生，1994 毕业保定电力学校，现任三河发电有限责任公司电气点检长电话：13722668255邮编：065201地址：河北省三河市燕郊三河发电有限责任公司
