红外热像仪在电力系统中的应用

林荣聪 林曦

【摘 要】目前，在电力糸统中，普及使用红外热成像技术，能在早期发现电力运行设备隐患及缺陷，为电力部门提前采取相应的解决措施提供依据，能有效的控制运行设备隐患及缺陷漫延发展，对提高电力运行设备的健康水平和供电可靠性有着非常重要的意义，本文就红外热成像技术的使用方法，结果的判断提出一些看法。

【关键词】 红外热成像 分析 使用

【中图分类号】 TN219【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0291-02

一、正常运行的电力设备，由于电流、电压的作用，将产生发热。这些发热的形式是多种多样的，主要存在下列三种方式：

1、电阻损耗 （电流）：按照焦耳定律，电流通过导体存在的电阻将产生热能。

2、介质损耗（电压）：电气绝缘介质，由于交变电场的作用，用介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热。

3、铁损：当在励磁回路上施加工作电压时，由于铁芯的磁滞、涡流而产生的电能损耗并形成发热。

以上三种发热形式，在正常运行的设备中也同样存在，这时设备表现为正常的热分布。若设备出现异常，这些发热机理将加剧或表现异常，则其热分布图像也与正常情况不一样 。

二、电力设备热故障分类

1、电气设备的外部故障：所谓电力设备的外部故障，主要是指对外界可以直接观测到的设备部位发生的故障。其中又可以分为两种类型 ：

（1）、刀匝压接弹簧接触不良：长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障。

（2）、磁绝缘子表面污秽 ：由于表面污秽或机械力作用引起绝缘性能降低造成的过热故障，如绝缘子劣化或严重污秽，引起泄漏电流增大而发热。

这类故障以局部过热的形态向其周围辐射红外线，可以直接暴露在红外诊断设备的视场范围之内，其红外热像图显现出以故障点为中心的热场分布。所以，检测和诊断都比较容易，能够做到直观且一目了然。

（3）、安装施工不严格，不符合工艺要求。如连接件的接触表面未除净氧化层及其它污垢；焊接工艺差；或紧固螺母不到位；末拧紧；或者是末加弹簧垫圈；或者是由于连接件内导体不等径；压接工艺等原因；

（4）、导线在风力舞动下或者外界引起的振动等机械力作用下，以及线路周期性过载及环境温度的周期性变化，使部件周期冷缩热胀，引起连接松驰；

（5）、长期裸露在大气环境中工作，因受雨、雪、雾有害气体及酸、碱、盐等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀，造成接头表面材料氧化等；

（6）、长期运行引起弹簧垫圈老化等。

2、电气设备的内部故障：所谓电力设备的内部故障，主要是指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障；故障出现在电气设备的内部，无法像外部故障那样能够从设备的外部直接检测出来；根据各种电气设备的内部结构和运行状态，依据传热学理论，分析传导、对流和辐射三种热传递形式沿不同传热路径的作用（多数情况下只考虑导与对流），结合模拟试验、大量现场检测实例的统计分析和解体验证，从电气设备外部显现的温度分布热像图，分析判断与其相关的内部故障。

（1）、内部电气连接不良或触头不良故障。如封闭在绝缘盒内的发电机定子线棒接头焊接不良、各种上高压电气设备内部导电体连接不良、断路器触头不良、高压电力电缆出现鼻端连接不良等。此类故障的发热机制与外部故障相同。

（2）、 介质损耗增大故障。各种以油作绝缘介质的高压电气设备，一旦出现绝缘介质劣化或进水受潮，都会因介质损耗增加而发热。其发热机制属于电压效应发热，发热功率可用P=U2wctgδ表示。

（3）、绝缘老化，开裂或脱落故障。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料因材质不佳或运行中老化，引起局部放电而发热；或者因老化、开裂或脱落，引起绝缘性能劣化或进水受潮，这种故障发热也属于电压效应发热。

（4）、涡流损耗（铁损）增大性故障。对于由绕组线圈或磁路组成的高压电气设备，由于设计不合理、运行不佳和磁回路不正常引起的磁滞、磁饱和与漏磁；或者由于铁芯片间绝缘破损，造成短路时，均可引起局部发热或铁制箱体发热。其发热机制为铁损或涡流损耗发热。

（5）、电压分布不均匀或泄漏电流过大性故障。

（6）、缺油故障。油浸高压电气设备由于漏油而造成油位低下，严重者可引起油面放电，并导致表面温度分布异常。这种热特征，除放电时引起发热外，主要是由于设备内部油面上下介质的热物性不同所致。

（7）、过负荷或电压变化过大、单相运行等引起的故障，或者冷却系统设计不合理与堵塞、散热条件差等引起的故障。

三、红外检测专业术语

温升 ：被测设备表面温度和环境温度参照体表面温度之差（两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数）。

温差 ：不同被测设备或同一被测设备不同部位之间的温度差。

环境温度参照体 ： 用来采集环境温度的物体。它不一定具有当时的真实环境温度，但具有与被检测设备相似的物理属性，并与被测检测设备处于相似的环境之中。

1、电压致热型设备：由于电压效应引起发热的设备。

2、电流致热型设备：由于电流效应引起发热的设备。

3、综合致热型设备：即有电压效应，又有电流效应，或者电磁效应引起发热的设备。

四、一般检测的要求

1、被检设备是带电运行设备，应尽量避开视线中的封闭遮挡物，如门或盖板；

2、环境温度一般不低于5℃，相对湿度一般不大于85%；天气以阴天、多云为宜，夜间图像质量为佳；不应在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行，检测时风速一般不大于5m/s。

3、户外晴天要避开阳光直接照射或反射进入仪器镜头，在室内或晚上检测应避开灯光的直射，宜闭灯检测。

4、检测电流致热型设备，最好在高峰负荷状态下进行。否则，一般应在不低于30%的额定负荷下进行，同时应充分考虑小负荷电流对测试结果的影响。

五、精确检测要求

除满足一般检测的环境要求下，还满足以下的要求

1、风速一般不大于0.5m/s；

2、设备通电时间不小于6h，最好在24h以上；

3、检测期间天气为阴天、夜间或晴天日落后2h后；

4、被检测设备周围应具有均衡的背景辐射，应尽量避开附近热辐射源的干扰，某些设备被检测时还应避开人体热源等的红外辐射；

5、避开强电磁场，防止强电磁场影响红外热像仪的正常工作。

六、检测仪器的要求

1、便携式红外热像仪：能满足精确检测的要求，测量精度和测温范围满足现场测试要求，性能指标较高，具有较高的温度分辨率及空间分辨率，具有大气条件的修正模型，操作简便，图像清晰、温度，有目镜取景器，分析软件功能丰富。

2、手持（枪）式红外热像仪：能满足一般检测的要求，有最高点温度自动跟踪，采用LCD显示屏，可无取景器，操作简单，仪器轻便，图像比较清晰、稳定。

3、线路适用型红外热像仪：满足红外热像仪的基本功能要求，配备有中、长焦距镜头，空间分辨率达到使用要求（当采用飞机巡线检测时，红外热像仪应具备普通宽视野镜头和远距离窄视野镜头，并且可由检测人员根据要求方便切换）。

4、在线型热像仪：将热像探头固定在被检测设备附近，进行在线测试，并将信号反馈到主控系统。要求有外部供电接口，连续稳定工作时间长，并能满足全天候的环境使用条件，其信号和接口可根据系统要求定制。

七、现场操作方法

一般检测

1、仪器在开机后需进行内部温度校准，待图像温度后即可开始开始工作。

2、一般先远距离对所用被测设备进行全面扫描，发现有异常后，再有针对性地近距离对异常部位和重点被测设备进行准确检测。

3、仪器的色标温度量程设置在环境温度加10K-20K左右的温升范围。

4、有伪彩色显示功能的仪器，宜选择彩色显示方式，调节图像使其具有清晰的温度层次显示，并结合数值手段，如热点跟踪、区域温度跟踪等手段进行检查。

5、应充分利用仪器的有关功能，如图像平均、自动跟踪等，以达到最佳检测效果。

6、环境温度发生较大变化时，应对仪器重新进行内部温度校准，校准方法按仪器的说明书进行。

7、作为一般检测，被测设备的辐射率一般取0.9左右。

精确检测

1、检测温升所用的环境温度参照体应尽可能选择与被测设备类似的物体，且最好能在同一方向或同一视场中选择。

2、在安全距离允许的条件下，红外仪器宜尽量靠近被测设备，使被测设备（或目标）尽量充满整个仪器的视场，以提高仪器对被测设备表面细节的分辨能力及测温准确度，必要时，可使用中、长焦距镜头。线路检测一般需使用中、长度焦距镜头。

3、为了准确测温或方便跟踪，应事先设定几个不同角度的方向和角度，确定最佳检测位置，并可做上标记，以供今后的复测用，提高互比性和工作效率。

4、正确选择被测设备的辐射率，特别要考虑金属材料表面氧化对选取辐射率的影响。

5、将大气温度、相对湿度、测量距离等补偿参数输入，进行必要修正，并选择适当的测温范围。

6、记录被检设备的实际负荷电流、额定电流、运行电压，被检物体温度及环境参照体的温度值。

八、红外检测周期

检测周期应根据电气设备在电力系统中的作用及重要性，并参照设备的电压等级、负荷电流、投运时间、设备状况等决定。电气设备红外检测管理及检测原始记录。

变（配）电设备的检测：

户外电压致热型设备：必须在晴朗的夜晚，风力小于三级时进行红外拍摄。

户内电压致热型设备：可全天候进行红外拍摄。

1、正常运行变（配）电设备的检测应遵循检测和预试前普测、高温高负荷等情况下的特殊巡测相结合的原则。一般220kV及以上的交（直）流变电站每年不少于两次，其中一次可在大负荷前，另一次可在停电检修及预试前，以便使查出的缺陷在检修中能够得到及时处理，避免重复停电。

2、110kV及以下重要变（配）电站每年检测一次。

3、对于运行环境差、陈旧或有缺陷的设备，大负荷运行期间、系统运行方式改变且设备负荷突然增加等情况下，需对电气设备增加检测次数。

4、新建、改扩建或大修后的电气设备，应在投运待负荷后不超过1个月内（但至少在24h以后）进行一次检测，并建议对变压器、断路器、套管、避雷器、电压互感器、电流互感器、电缆终端等进行精确检测，对原始数据及图像进行存档。

5、建议每年对330kV及以上变压器、套管、避雷器、电容式电压互感器、电流互感器、电缆头等电压致热型设备进行一次精确检测，做好记录，必要时将测试数据及图像存入红外数据库，进行动态管理。有条件的单位可开展220kV及以下设备的精确检测并建立图库。

输电线路的检测：

在无风或微风的非雨天进行红外拍摄。

1、输电线路的检测一般在大负荷前进行。对正常运行的500KV及以上架空线路和重要的220（330）KV架空线路接续金具，每年宜检测一次；110KV线路和其他的220（330）KV线路，可每两年进行一次。

2、新投产和做相关大修后的线路，应在投运带负荷后不超过1个月内（但至少24h以后）进行一次检测。

3、对于线路上的瓷绝缘子及合成绝缘子，有条件和经验的也可进行检测。

4、对正常运行的电缆线路设备，主要是电缆终端，110KV及以上电缆每年不少于两次；35KV及以下电缆每年至少一次。

5、对重负荷线路，运行环境差时应设当缩短检测周期；重大事件、重大节日、重要负荷以及设备负荷突然增加特殊情况应增加检测次数。

九、判断方法

1、表面温度判断法：主要适用于电流致热型和电磁效应引起发热的设备。根据侧得的设备表面温度值，对照GB/T 11022中高压开关设备和控制设备各种部件、材料及绝缘介质的温度和温升极限的有关规定，结合环境气候条件、负荷大小进行分析判断。

2、同类比较判断法：根据同组三相设备、同相设备之间及同类设备之间对应部位的温差进行比较分析。对于电压致热型设备，应结合本标准的3条进行判断；对于电流致热型设备，应结合本标准的4条进行判断。

3、图像特征判断法：主要适用于电压致热型设备。根据同类设备的正常状态和异常设备的热像图，判断设备是否正常。注意应尽量排除各种干扰因素对图像的影响，必要时结合电气试验或化学分析的结果，进行综合判断。

4、相对温差判断法： 主要适用于电流致热型设备。特别是对小负荷电流致热型设备，采用相对温差判断法可降低负荷缺陷的漏判率。

5、档案分析判断法：分析同一设备不同时期的温度场分布，找出设备致热参数的变化，判断设备是否正常。

6、实时分析判断法 ：在一段时间内使用红外热像仪连续检测某被测设备，观察设备温度随负载、时间等因素变化的方法。

十、缺陷类型的确定及处理方法

1、一般缺陷：指设备存在过热，有一定温差，温度场有一定梯度，但还不会马上引起事故，一般要求记录在案，注意观察其缺陷的发展，利用停电检修机会，有计划的安排试验检修消除缺陷（温差不超过15K，未达到严重缺陷的要求）。

2、重要缺陷：指设备存在过热，程度较重，温度场分布梯度较大，温差较大，应尽快安排处理。电流致热的设备应视情况降低负荷电流，电压致热的设备应安排其它测试手段，确认缺陷性质后，立即消缺（热点温度>80℃或δ≥80%）。

3、紧急缺陷（危急）：指设备最高温度超过GB/T11022规定的最高允许温度，应立即安排处理。电流致热的设备应立即紧急降低负荷电流或立即消缺，电压致热的设备应立即安排其他试验手段，确定缺陷性质，立即消缺（热点温度>110℃或δ≥95%）。

在电力糸统中，普及使用红外热成像技术，能在早期发现电力运行设备隐患及缺陷，为电力部门提前采取相应的解决措施提供依据，能有效的控制运行设备隐患及缺陷漫延发展，对提高电力运行设备的健康水平和供电可靠性有着非常重要的意义。