配电设备故障的红外热像检测方法研究

马一丁 董宇哲

正常运行的配电设备，由于电流、电压的作用将产生发热.主要包括电流效应引起的发热和电压效应引起的发热。当配电设备存在缺陷或故障时，缺陷或故障部位的温度就会产生异常变化。从而引起设备的局部发热，假设未能及时发现并及时制止这些隐患的发展，最终会促成设备故障或事故的发生，严重的会扩大成电网事故。

一、引言

因配电设备故障导致的的事故经常会造成大量的财产损失，同时也对人身安全构成了严重的威胁。因此人们越来越关注配电设备的安全运行，这也成为实际生产和日常生活中必须解决的问题。

目前，我国大多企业和民用配电设备为了确保配电设备的安全运行，都定期停机进行维修和检测，这在一定程度上减少了设备发生故障的概率，提高了运行的安全系数，延长了设备的使用年限。但随着对设备故障的研究水平的提高，人们又逐步认识到停机进行维修和检查存在着一定的缺陷，一些潜在的故障在停机状态下难以发现，并且一些不必要的维修和检测，不仅浪费了时间，也浪费了维护成本。同时，在进行定期的维修检测过程中，人为因素也可能造成一些新的故障和隐患。因此，红外热成像技术的发展，基于红外热成像的设备在线检测得到了普遍的应用，其应用方面越来越广泛，特别是对于配电设备的潜在故障检测，红外热成像具有非接触、安全、快速、大面积扫描和不需停机就能进行检测等诸多优点，通过红外热像仪获取的设备红外图像为基础的故障诊断成为一个非常有意义的研究方向。

二、红外热像仪检测方法研究现状

红外线测温诊断方法主要有表面温度判断法、相对温差判断法、同类比较法、热谱图分析法、档案分析法五种。其中表面温度判断法就是当前生产试验人员普遍运用的一种方法，此方法就是根据测得的设备表面温度值，对照有关规定，凡温度（或温升）超过标准者可根据设备温度超标的程度、设备的重要性及设備承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质，而大多生产人员往往即简化地根据设备是否发热及发热的绝对温度来主观臆断设备是否处于缺陷及缺陷程度，因此此种方法的主观决定性太强，判据缺乏可靠性，往往引起误判。笔者个人认为相对温差判断法及同类比较法在现场判定更具有客观性及正确性。

1.相对温差法，顾名思义即是根据相对温差判定的方法。相对温差即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。

温升——用同一检测仪器相继测得的被测物表面温度和环境温度参照体表面温度之差。

温差——用同一检测仪器相继测得的不同被测物或同一被测物不同部位之间的温度差。

2.环境温度参照体——用来采集环境温度的物体叫环境温度参照体。它可能不具有当时的真实环境温度，但它具有与被测物相似的物理属性，并与被测物处在相似的环境之中。如：对于配电箱内塑壳断路器而言，若测得顶部金属连片发热，那么环境温度参照体则能选择类似金属连片或材料相同的金属部件，而不能选择其他元器件或其他材质的金属等。

3.同类比较法即是在同型号同厂家的设备之间比较。同类比较法可分为电流致热型设备及电压致热型设备比较。在同一电气回路中，当三相电流对称和三相（或两相）设备相同时，比较三相（或两相）电流致热型（如电流互感器）设备对应部位的温升值，可判断设备是否正常。若三相设备同时出现异常，可与同回路的同类设备比较。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。对于型号规格相同的电压致热型设备，可根据其对应点温升值的差异来判断设备是否正常。电压致热型设备的缺陷宜用允许温升或同类允许温差的判断依据确定。一般情况下，当同类温差超过允许温升值的30%时，应定为重大缺陷。当三相电压不对称时应考虑工作电压的影响。

4.热谱图分析法是根据同类设备在正常状态和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常。档案分析法则是分析同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热谱图），找出设备致热参数的变化趋势和变化速率，以判断设备是否正常。

三、存在问题和发展趋势

红外热像仪检测就现有的检测方法和判断依据在实际应用中还存在如下局限性。

1.红外热成像受环境影响的局限性

当在户外或者阳光直射的位置进行配电设备故障红外检测时，检测仪器接收到的红外辐射，除包括被测设备相应部位自身的辐射以外，还会包括设备其他部位、背景的辐射及直接入射或经背景反射与散射的太阳辐射，这些来自目标以外的辐射都将给故障检测带来影响。

在夏季，有过高的大气环境温度，在热平衡状态下，即使设备未投人运行也会有较高温度。而在严冬因大气温度过低，设备与环境温差越大散热也越快。因而故障点与正常部位之间的温差，不利于过热故障的暴露与识别。

许多设备（如避雷器等）都有较大热容量，要使内部故障发热传递到表面需要较长时间，会给故障检测带来不利影响。

风力（风速）也是影响设备表面对流散热的重要因索，风速越大、对流散热量越多。并且，与环境大气温差越大，对流散热量也越多。因此，随着风速增大，不仅降低良好设备表面相对环境大气的温升，而且也降低电气设备有无故障部位或相间（如故障接头与线路导线、故障相套管与无故障相套管、绝缘子串中劣化与良好瓷瓶）温差。

大气中以水蒸汽及面2为主的气体分子对一定波长的红外线有选择性的吸收作。

2.红外热像仪使用成本

红外热像仪属于高新技术产品，价格不菲。普通进口的红外热像仪，在没有录音、温度补偿设置、最大温差显示、最高温追踪及更改存储图片格式等辅助功能的设备价格在6～15万元之间。

四、电气设备主要故障模式

配电设备中，往往由于出现故障而导致设备运行的温度状态发生异常。通常，配电设备的缺陷故障的发生总要伴随相应的热量损耗的产生：

1.接触性故障，其发热是由电流作用在导电电阻上产生的，此类发热主要出现在导电部件的联结、连接及接触处。如果由于某种原因引起导流回路连接故障，就会引起接触电阻增大，当负荷电流通过时，必然导致局部过热；

2.介质性故障，其发热是通过电压作用产生的，此类发热主要出现在电容器、互感器内部介质损耗及劣化等问题上。如果配电设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起绝缘介质损耗增大，在运行电压作用下也会出现过热；

3.因绝缘表面脏污、受潮等因素导致的表面泄露电流增大而引起的发热功率，其发热是由泄漏电流引起的，此类发热主要出现在瓷瓶及瓷套管因污秽、受潮等因素导致的泄漏電流增大问题上。

4.具有磁回路的电气设备，由于磁回路漏磁、磁饱和或铁心片间绝缘局部短路造成铁损增大，会引起局部环流或涡流发热

五、配电设备缺陷判定方法研究

得到设备准确温度值以后，若设备温度异常，则应在表面温度判断法的基础上充分结合相对温差判断法及同类比较法进行初步判定，现场得出初步结论，若有条件，能结合热普图分析法及档案分析法，多方比较，现场得出最后结论。上表中列出了缺陷的三种性质：一般缺陷，是指对近期安全运行影响不大的缺陷。可列入年、季度检修计划中消除；重大缺陷，是指缺陷比较重大，但设备仍可在短期内继续安全运行的缺陷。应在短期内消除，消除前应加强监视；紧急缺陷，是指严重程度已使设备不能安全运行，随时可能导致发生事故或危及人身安全的缺陷。必须尽快消除或采取必要的安全技术措施进行处理。我们对缺陷作出结论时需谨慎，结论的误判可能会导致设备的不必要停电，影响供电可靠性或导致设备的漏检，从而引发人员责任设备事故甚至电网事故或人身伤亡事故。

六、结论

依据配电设备热缺陷的判据，通过热图像采集和软件分析，对影响热缺陷判断的环境因素和人为因素进行识别，为正确诊断配电设备热缺陷进行指导。建立同一设备在不同时期的检测数据（例如温升、相对温差和热谱图）档案，找出设备致热参数的变化趋势和变化速率。

由于红外热成像仪靠温差成像，而一般目标温差都不大，因此红外热图像对比度低，使分辨细节能力变差。而且像窗户玻璃这种透明的障碍物，使红外热成像仪探测不到其后物体的温差，因而不能透过透明的障碍物看清目标。这时就需要采集配电设备的负荷数据（电流、电压、功率），加以分析。

参考文献

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[7]镡盟，杨艳.浅谈红外热成像技术在电气设备上的应用[J].《科技与生活》，2010年第3期.

（作者单位：新东北电气集团高压开关有限公司）

作者简介

马一丁，男，单位：新东北电气集团高压开关有限公司。