红外测温技术在城网配电系统中的应用

张钟秀,张炜帆

(山西省电力公司原平供电支公司,山西原平 034100)

1 红外测温技术概述

任何物体由于其自身分子的运动,都在持续不断地向外辐射红外热能,从而在物体表面形成一定的温度场,俗称 “热像”。电力系统的各类电力设备和线路在正常运行时同样会产生一定的热量。随着设备运行时间的增加,负载的不平衡,某些接点的生锈腐蚀、接触不良造成的接触电阻增加,电流增大等现象的发生,都会直接导致设备、线路出现热态异常和过热故障。这些异常部位和故障点都会辐射出比正常状态更多更强的红外能。通过对物体自身辐射的红外能量的测量,准确地测定它的表面温度,这就是红外测温所依据的客观基础。

按照安装的测温头,将红外测温分为点扫描测温、线扫描测温、面扫描测温三大类。在日常应用中,红外点扫描测温主要用于单个工件的温度测温,成本相对较低但扫描精度不高。若想较为全面地了解设备的温度分布情况,就必须选择线扫描测温或者面扫描测温系统。对要求较为严格的城网配电工作,面扫描测温是最为合适的选择。

在面扫描测温设备中,最常使用到的设备是红外热像仪,它可以直观地生成热图像和温度值,进而对被检测设备进行分析计算。技术人员应用红外测温技术,对电气设备目标进行远距离热状态图像成像和测温,检测出被测物细微的热状态变化,准确掌握被测物内外部的发热情况,实现对设备和线路的故障诊断。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化,能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析,其直观的测试效果,高灵敏度、高可靠性的检测结果,对发现设备隐患非常有效。

2 红外测温技术的特性

a)便捷性。红外测温技术可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度,通过扫描,还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图,而且灵敏度高,不受电磁场干扰,便于现场使用。红外热像仪坚实、轻巧、易携带,便于进行日常巡检工作。

b)精确性。红外热像仪可以将探测到的数据精确量化,且精度通常都在±2℃以内。它可以在-20～2 000℃的宽量程内以0.05℃的高分辨率检测电气设备的热致故障,揭示出如导线接头或线夹发热,以及电气设备中的局部过热点等等。红外测温技术除了拍摄红外图像外,还同时捕获一幅数字照片,两者的融合有助于识别和定位故障,从而能够为第一时间准确修复故障提供可靠的数据资料和依据。

c)安全性。红外测温技术具有远距离、不停电、不接触、不解体等特点,给电力系统线路状态在线监测提供了一种有效手段。它能够在任何仪器允许的范围内安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度,还可在测温较为困难的区域进行精确测量。

d)经济性。红外测温技术在设备在线故障诊断和节约能源等方面发挥着重要的作用。通过红外测温技术可连续诊断电路连接问题和通过查找连接处的热点,以检测电气设备的功能状态;可检验电气组件,开关齿轮或保险丝连接,防止能源消耗;有助于识别回路中电气的绝缘故障;日常扫描变压器的热点可探测开裂的绕组和接线端子;可快速探测操作温度的微小变化,减少因设备故障造成的开支和维修的范围。

e)更为强大的功能性。红外测温设备配备了功能强大的软件,用于存储和分析热图像并生成专业报告。通过相关软件,可以对热图像中的发射率、反射温度补偿以及调色板等关键参数进行调节,从而进一步提高检测的准确性。

3 红外测温技术在电力系统故障诊断中的应用

电力系统是一个复杂的大系统,组成元件多,分布地域广,系统特性复杂。从个别元件发生的简单故障,到可能造成大面积停电后果的严重故障,其故障发生情况的差异性很大。红外热像仪能够正确引导预防性维护人员对设备的运行情况进行准确判断。当设备通过电流或施加电压时,只要其表面出现温差,就可用红外热像仪把它检测出来。工作人员可以将测量温度值与历史温度或相同时间同类设备的温度读数进行比较,从而判断是否发生了显著的温升、是否会导致部件失效带来生产隐患。

红外热像仪通过红外图像有效反映输电线路的温度,是少数几种可以将热信息瞬间可视化,并加以验证的诊断技术之一。在专业的红外分析软件的帮助下,数秒内便可自动完成分析报告。

从大量的红外测温结果来看,线路中电力金具的热缺陷较多,主要集中在耐张线夹、跳线线夹、接续管、高压电缆头等连接部分。导致这些部位发热的主要原因有三大类:一是氧化腐蚀。大部分导体接头都在室外坏境中运行,长年受到风、雪、雨、日晒、冰冻等自然侵蚀。这些因素均会加速金具表面的氧化、腐蚀和损伤,氧化层的形成会使金属接触面的电阻率增加几十倍甚至上百倍,接触电阻增大的部位就会发生异常发热现象。随着氧化腐蚀的不断加剧,可使局部温度急剧上升,从而导致烧断接头造成事故。二是导线接头松动。由于长期受到机械震动、风力摆动、热胀冷缩等原因的影响而造成的分接开关的引线头和接线螺丝松动,会使导线的接触面积减少。当通过较大电流时,就会引发电流热效应,电阻越大,产生的热量也就越大,从而导致接头部位异常发热。三是由安装质量引起的部件发热。在日常工作中,有时会出现如接头紧固件未紧到位、安装时未放紧固螺丝上下的平垫圈或弹簧垫圈、线夹与导线接续前未清刷或未涂电力复合脂、铜铝过渡接头安装不当、线夹结构不好、线夹大小与导线不配套等问题,这些原因都会造成热缺陷的产生。

在电力设备方面,非接触红外测温仪可以在安全的距离测量一个物体的表面温度,使其成为电力设备巡检中不可缺少的工具。利用红外热像仪可及时发现在电气装置、变压器、连接器等设备中接头松动、接触不良、不平衡负荷、过载、过热等隐患,迅速确定有严重问题的温升部位,避免产生电弧、短路、烧毁等现象。

如在对原平市消防队台区低压配电箱测温时发现,总开关A相温度达到164.83℃(见图1)。

图1 未处理的消防队台区低压配电箱红外热像图

由于冬季变压器负荷增加20 kVA,低压A相电流145 A,B相电流89 A,C相电流95 A,经分析判定,发热主要是因三相负荷不平衡造成的。电力负荷的变化会影响设备的温度,正常的负荷变化引起的温度升高不会超过规定的75℃。如果负荷增加得较多时,电流加大,设备的薄弱环节就会发热,发热连接点的材料会产生变形、氧化等物理或化学变化,如不及时处理,经过多次反复的恶性循环,接头的连接状况会越来越差,最后造成接头熔断事故。后经调整负荷,更换空气开关,A相温度下降到正常范围内 (见图2)。

图2 经处理的消防队台区低压配电箱红外热像图

又如2010年1月,工作人员在对35 kV东社变电站周期性巡视测温中,监测到10 kV 526东社线C相穿墙套管有异常热点 (见图3)。

图3 未处理的东社35 kV变电站10 kV东社线(526)

由于东社线 (526)高压穿墙套管与设备线卡为铜铝直接接触,且接触面较小,接触电阻大,10 kV负荷电流从18 A增加到42 A,最终造成温度升高。当铜铝直接接触,空气中的水和一氧化碳及其他有害杂质会在接头接触表面形成电解液。由于两极直接接触,便会有微弱的电流流动,在电解液的作用下,使接触表面逐渐腐蚀,在金属表面形成一层氧化膜,从而引起接触表面电阻增大而发热。1月22日,对高压穿墙套管和设备线卡进行更换,并重新测试,发热现象消除,三相温度恢复正常 (见图4)。

图4 经处理的东社35 kV变电站10 kV东社线(526)

在电网运行中,往往因工况变化、设备老化等原因,导致设备发热而得不到及时处理酿成故障。红外测温技术的推广应用,为及时处理设备发热缺陷提供了依据。

4 红外测温的影响因素及解决措施

设备故障红外诊断最核心的问题是要准确地获得被测设备的温度分布和故障相关部位的温度值。这个信息是判断故障属性、位置、严重程度的客观依据。因此,对被测设备故障相关部位温度的计算与合理修正,将是提高检测设备表面温度准确性的关键环节。然而在现场进行红外测温时,由于检测条件和环境的影响,可能导致结果存在一定的误差。因此,为了提高红外测温的准确度,必须采取相应的对策与措施,改善测温条件或对测温结果进行合理修正。

从运行状态的影响方面看,电气设备故障一般表现为电流效应引起的发热故障和电压效应引起的发热故障。因此,设备的工作电压和负荷电流的大小,都将直接影响到红外测温与故障诊断的结果。泄漏电流的增大,会造成部分电压不均匀;而未加载运行或者负荷很低,又会使设备故障发热不明显,即使存在较严重的故障,也不能以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,负荷越大,设备温升越严重,故障点的特征性热异常才会暴露得越明显。因此在进行红外测温时,为了能够取得可靠的测量效果,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,让设备满负荷运行一段时间,使设备故障部位达到稳定温度。

从设备表面发射率方面分析,红外测温仪是通过测量设备表面红外辐射功率来获得设备温度信息的。在目标红外辐射功率相同的情况下,目标的表面发射率不同,也将会得到不同的检测结果。也就是说,相同辐射功率,发射率越低,就会显示越高的温度。而物体表面的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。因此为了准确地测量设备温度,就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,以便对所测量的温度输出值进行发射率修正。消除发射率对测温结果影响的两种措施是:一是使用红外热像仪进行测量时,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;二是对故障频发的设备部件,运用敷涂适当漆料的方法来增大和稳定其发射率值,使测温结果具有良好的可比性,以便获得被测设备表面的真实温度。

针对气象和环境条件的影响,要尽量避免不良的气象环境,如雨、雪、雾及大风等气候对设备测温带来不利的影响。同时,要尽量减少受检设备以外的其他设备以及太阳辐射对测温结果造成干扰。因此,应尽量在环境大气比较干燥、洁净的时节,选择在无雨、无雾、无风和环境温度较稳定的阴天、傍晚以及夜间进行测温工作。要尽量避开其他辐射,并在不影响安全的条件下,尽可能缩短测温距离,还要对温度测量结果进行合理的距离修正,以便得到较为准确的测温结果。

根据季节性特点的变化,夏冬两季城乡用电负荷明显加大,应针对用电负荷这一周期性的变化起伏,制定一套较为科学的测量方案,在季节性用电高峰期到来之前,选择满负荷条件下,对系统进行全面测试,及时发现设备隐患,超前做出整改措施,同时加强在高峰时节的监控工作,对相同时间段的测温结果做出纵向比较,有针对性地发现设备问题,进一步提高供电可靠性。

在人为误差方面,要对红外测温技术的应用不断进行规范完善,并注重工作人员的技术培训工作。在对行架结构比较复杂的线路进行测温时,要充分应用技术分析,选择适当的测温角度和测温点,以减小测量误差。同时要加强操作人员对设备的熟悉掌握程度,使工作人员能够准确读取红外测温仪上的读数,确保测温结果的正确性。

5 结束语

利用红外测温分析方法,进一步提高电网运行的安全性和可靠性、改进完善其维护体制、逐步实现以工作状态为依据的实时检修,可使电网的安全性和经济性得到长足的提高。运行人员在日常的巡视过程中,使用红外测温仪对设备进行检测,较大幅度地提高了设备的状态检测水平,并通过对检测的结果综合分析,提高了诊断设备缺陷的技术水平,使设备检修从传统的事后维修转向状态维修,有效地防止了设备隐患、故障的扩大,减少设备停运损失,从而提高了设备的可靠性和运行的有效度。

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