红外热像技术在电气设备故障诊断中的应用

陶霞，牟惠文，赵生虎

(陡河发电厂，河北 唐山 063028)

红外热像技术在电气设备故障诊断中的应用

陶霞，牟惠文，赵生虎

(陡河发电厂，河北 唐山 063028)

介绍了红外热像技术的电气设备故障诊断原理，并通过实际案例分析了电力设备故障红外诊断的适用范围及其对电力系统的安全稳定运行所起的重要作用，提出将红外热性技术与其他测温技术相结合以克服红外热像技术的局限性，使之在电力系统中发挥更大的作用。

红外热像技术;电气设备;故障诊断;应用

1 引言

随着现代红外技术不断成熟和日臻完善，利用红外热像技术的远距离、不接触、准确、实时、快速等特点发展起来的电力设备状态红外热像检测技术，由于在不停电、不取样、不解体的情况下快速实时地在线检测和诊断电力设备的大多数故障，所以备受国内外电力行业的重视，并得到快速发展。

2 红外热像技术的电气设备故障诊断原理

世间万物都会发射人眼看不见的红外辐射能量，而且，物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。既然电力设备故障绝大多数都以局部或整体过热或者温度分布异常为征兆，那么只要运用适当的红外仪器检测电力设备运行中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号，在经过专门的电信号处理系统处理就可以获得电力设备表面的温度分布状态及其包含的设备运行状态信息。由于电力设备不用性质、不同的空间分布特征，所以，分析处理红外检测到的上述设备运行状态信息，就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性，具体位置和严重程度作出定量的判定。

3 电力设备故障红外诊断的适用范围和案例分析

除某些电气设备的少数内部故障以外，凡是内部的故障发热能够在设备外部有温度响应的故障，均可应用红外方法做出诊断。所以，红外方法原则上可以覆盖所有电气设备各种故障的诊断。下面将着重从故障的发热机理，说明电力设备故障红外诊断的适用范围并以实例加以诠释。

3.1 电流致热型设备故障的诊断

许多高压电气设备的内部导流回路因连接不良，接触电阻增大而出现过热，这类内部导流回路故障的发热功率P=I2R，并通过特定的传热路径在设备表面相关部位形成局部特征性热场分布或红外热像。当改变负荷电流时，其发热功率和表面红外热像也随之改变。所以，通过扫描纪录设备表面的红外热像，不仅可以分辨设备内部导流回路有无连接不良故障，而且还可以判定内部连接故障的具体位置。并且，根据设备表面温升值的大小，定量判定内部导流回路连接故障的严重程度，即对故障程度进行分等定级。这类故障是红外热像技术发现的最常见的高压设备故障

3.1.1 电机故障

案例一:1995年陡河厂4号(G4)发电机(额定有功功率:250MW，75年日本国日立生产)大修时进行静子线圈的直流电阻测量。发现直流电阻不平衡，互差2.12%，超标。怀疑线棒焊接点焊接不良。采用日本产的TVS-100半导体制冷的红外热像仪进行红外测温，静子线圈通入1200A电流，5小时后从热像仪中观测到#55线棒延伸线部分温度:34.5℃，其他部分32℃。由此确定故障点在该处。将包的绝缘层打开，发现绝缘材料云母有过热迹象，同时发现一大块焊锡馏子。经化验证明为该处过热将锡烤流造。红外热像如图1所示。

图1 定子线棒焊接不良的红外热像

故障处理:将线棒焊接点重新焊接之后，直阻合格，红外测温无异常，机组投入正常运行。

案例二:2002年9月15日对陡河厂3号(G3)发电机(额定有功功率:250MW，75年日本国日立生产)进行红外测温工作。9∶00发电机静子线圈三相串接好，通入1400A电流进行了测温。13∶10许，使用深圳飒特公司生产的SAT-慧眼6000红外热像仪观察，发现发电机励测6点位置线棒的渐开线部分(Y1的第三根线棒渐开线)温度明显升高。高出其他部位2℃。红外图像如图2所示。

故障处理办法:将缺陷处进行了重新焊接，处理后，红外测温未发现异常，机组投入后正常运行。

案例三:2000年11月16日陡河厂5号炉丙排粉机利用小修时对其静子线圈端部进行敲击。测量数据如表1所示。

图2 定子线棒焊接不良的红外热像

表1 排粉机敲击试验数据

根据敲击后的试验数据可知，B相线圈有断股的迹象，使用SAT-慧眼6000红外热像仪观看电动机静子的端部发现B相有一部位温度比较高。剥开绝缘发现第二极向组第一线圈与第二线圈端部引线二股断一股。重新焊接后，试验数据合格，电机投入正常运行。

案例四:2003年3月陡河厂8#发电机大修中，对发电机定子铁心试验。使用SAT-慧眼6000红外热像仪测温，图形如图3所示。

图3 表面污秽物导致发热的红外热像

试验标准如表2所示。

表2 发电机铁损试验标准

试验中发现有缺陷铁芯(20#～21#线棒间的齿部铁心)最大温差为17℃，超标。经检查时因为大修过程中残留污秽物导致发热。故障处理:

用37%的盐酸擦拭脏污处后，试验结果折算至10000高斯的最大温差为3.3℃，最高温升11.06℃，单位铁损1.23W/kg(铁心表面积:17791cm2，铁心重量:81270kg)，铁损试验合格。

3.1.2 CT故障

案例五:2002年1月25日陡河发电厂7#发电机出口CT二次直流电阻测量时，发现直流电阻增加了8.4%，超出《电力设备交接和预防性试验规程》的规定值，进行故障查找时通入直流，使用SAT-慧眼6000红外成像仪对其进行红外测温，发现接头过热(内部焊接不良)，属于内部热故障。红外测温图形如图4所示。

图4 CT内部焊接不良的红外热像

故障处理意见:更换备件。

3.1.3 开关故障

陡河厂的220kV隔离开关每年进行一次小修，我们进行220kV隔离开关的红外测量发现多起过热故障。限于篇幅，这里只举一例:

案例六:2011年，使用深圳飒特公司生产的HY-90红外热像仪进行220kV隔离开关红外测温时发现204－4A相隔离开关东侧转头温度偏高，图像如图5所示，试验数据如表3所示。

图5 隔离开关转头温度偏高的红外热像

表3 隔离开关转头温度偏高的试验数据

根据图像及数据显示此隔离开关东侧转头(P02点)温度高于西侧转头(P01点)12.75K，据《带电设备红外诊断应用规范》隔离开关的转头，“温差不超过15K，为达到重要缺陷的要求”应当缩短预试周期，加强监测。随后多次复测，无明显增长趋势，待停电预试处理。

3.2 电压致热型设备故障的诊断

对于绝缘介质，其损耗:P=U2·ω·C·tgδ，发热功率主要取决于电压，所以被称为电压致热型设备。电压致热型设备，通常指电压互感器(PT、CVT、YDR)、避雷器、绝缘子、耦合电容器(OY)、开关断口均压电容器、电缆头等。这些设备往往由于内部缺陷(如介损增大、泄漏电流增大、局部放电等)，或者外部缺陷(如瓷介质表面污秽、裂纹等)导致电压分布异常和泄漏电流增大产生故障。这类设备致热效应主要由电压所引起，与负荷电流没关系。

案例七:2003年7月用SAT-慧眼6000红外成像仪对陡河厂220kV设备进行红外温度普测时发现220kV 1#站－4母线电容式电压互感器224－9A相中间变压器温度异常，上部较下部高出2℃，红外图片如图6所示。

图6 CVT中间变压器温度异常的红外热像

随后多次复测，无明显增长趋势，待停电预试处理。

案例八:2010年5月1号，陡河厂在使用SAT-慧眼6000红外成像仪对变压器进行红外测温时发现6号主变(T6)底部螺栓过热，红外图像如图7所示。

图7 变压器螺栓温度异常的红外热像

故障分析:运行中的变压器漏磁在变压器钟罩表面感应出较大的电流，正常时此电流通过变压器钟罩螺栓、变压器底座、接地扁铁泄放至大地。此时，越是紧固的螺栓接触电阻越小，通过的泄放电流就越大，发热就越严重。反之，则发热较轻。

故障处理办法:由于变压器仍在运行中，因此采取将发热较严重的螺栓进行外跨接短路环(扁铁)的办法，以增加螺栓的散热面并起到较好的分流效果，另将其他与法兰接触状况较差的螺栓清脏，并涂抹增加导电性和防氧化性的电力脂重新紧固，处理后效果良好。

3.3 油浸电气设备缺油故障的诊断

许多油浸高压电气设备，会因漏油而造成缺油或者假油位。由于油面上下介质热物性参数差异较大，在设备外表可产生与油位对应的明显梯度，因此，缺油故障也可以应用红外方法检测和诊断。

3.4 电力机械故障的诊断

发电机、电动机以及其他各种电力机械因轴承振动或润滑冷却油量不足，或因安装调整不好，轴承受力不正常，引起的轴承磨损过热;直流电动机换向器因表面脏污或磨损变形引起的高温过热故障;发电机碳刷因励磁电流过大、碳刷压力太大及碳刷材质不良等原因引起的碳刷高温过热故障等，均可应用红外方法做出诊断。

4 电力设备故障红外诊断的局限性

任何一种检测技术与诊断方法都不会是万能的，红外热像技术也不例外。红外状态检测与故障诊断是以对设备表面进行红外扫描测温为基础的，又因为红外辐射在固体中的穿透能力极其微弱(对金属导体的穿透厚度只有1μm数量级，对于大多数非导电材料的穿透度也小于1mm)，所以，对于大型复杂电力设备内部故障的某些故障，假如其故障发热功率太小，或因故障部位距设备表面太远，由于热量的横向传递，使故障发热不能在设备表面产生明显的特征性响应;或者因设备内部的热交换过程特别复杂，致使内部的故障发热也无法在设备表面形成特征性热场分布。在这种情况下，红外方法就能难从设备外部检测到内部的运行状态，因此也就难以准确地进行故障诊断。

5 结束语

大量的实践证明，红外热像诊断技术对电力生产是十分必要的。它能配合其他的试验方法准确地找到设备的故障点，也能判定许多故障类型，从而有效地降低了维修费用，保证了电力系统的安全稳定运行，大幅度减少电气设备的突发性故障，是开展电气设备状态检修的必要手段之一。但是由于红外辐射的穿透力微弱，红外方法就能难从设备外部检测到内部的运行状态，所以红外热像技术有着一定的局限性，如果能寻找出电气设备内部温度与表面温度的关系，将红外测温技术与其他测温技术结合起来，红外热像技术将会更好地诊断电气设备存在的缺陷和事故隐患，为电气设备的安全运行发挥更大的作用。

［1］ 胡世征，申兴忠．红外热像技术在河北电网中的应用［J］．激光与红外，1996，26(2):107 －111．

［2］ 陈衡，侯善敬．电力设备故障红外诊断［M］．北京:中国电力出版社，2002．

［3］ DL/T664－2008，带电设备红外诊断应用规范［S］．

［4］ Q/HBW14701－2008，电力设备交接和预防性试验规程［S］．

Application of Infrared Thermal Imagery Technology in Fault Diagnosis of Electrical Equipment

TAO Xia，MU Hui-wen，ZHAO Sheng-hu
(Douhe Power Plant，Tangshan 063028，China)

The paper presents the fault diagnosis principle of electrical equipmenton infrared thermal imagery technology．By practical example，analyzed the scope of application of the fault of infrared diagnosis for the powe equipment and its importanteffect to safe and stable operation for the power system．Italso puts forward infrared thermal technology combining with other warm technology to overcome limitations of the infraved thermal imagery technology，make it play greater action in the power system．

infrared thermccl imagery technology;electrical equipment;facclt diagnosis;application

TM76

B

1004－289X(2013)03－0085－04

2012－05－19

陶霞(1980－)女，河北唐山人，汉族，硕士学位，工程师，现从事电力系统高压试验工作。