红外检测技术在输变电设备故障诊断中的应用

张勇++王建民++闫丽婷

摘要：当前，红外检测技术在电力系统中得到了广泛的应用，并为设备故障的检测和判断提供了可靠的依据，通过预知检修，减少了事故的发生，提升了设备的运行水平。通过分析红外检测的技术特点，重点介绍了红外检测技术在输变电设备故障诊断中的一些具体应用。

关键词：红外检测；输变电设备；故障诊断；SF6气体

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0001－03

随着电压等级的不断升高，电气设备也在不断地更新换代，但由设备发热、漏气等问题引起的故障还是时有发生。红外检测技术在故障检测中具有远距离、不接触、不取样、不解体等特征，又具有准确、快速、直观等特点，它能够有效地监测和诊断电力设备中的发热和漏气问题，并对电气设备的早期故障和绝缘性能作出准确的预测，便于检修人员及时采取合理、可靠的处理措施，减少设备因过热或漏气问题而造成停电事故，保证了输变电设备的可靠运行。

1红外测温仪在输变电设备中的应用

1.1电气设备的主要发热来源

电气设备在运行过程中，由于电流、电压的作用，主要有以下4种发热来源：①电阻损耗发热。因为电力系统载流设备存在一定的电阻，当电流通过载流设备（电阻）时将产生热能。电阻损耗的发热功率与负荷电流平方成正比，与系统运行电压无关，这种发热为电流致热。②介质损耗发热。电气绝缘介质由于交变电场的作用，使介质的极化方向不断改变而消耗电能，并引起发热，这种发热为电压致热。③铁损致热。当在励磁回路上施加工作电压时，由于铁心的磁滞、涡流而产生电能损耗并引起发热。④电流分布异常和泄漏电流增大故障。在正常运行状态下，避雷器和输电线路绝缘子等高压电气设备会存在一定的电压分布和泄漏电流，当它们的主要设备发生故障时，分布电压和泄漏电流的大小会发生改变，从而导致设备表面温度场分布异常。

1.2红外测温仪的工作原理

输变电设备在正常运行时都会产生一定的热量，但是随着设备运行时间的增加和负载的不平衡，某些接点的生锈、腐蚀、接触不良会造成接触电阻增加、电流过大等问题，并导致系统、设备、线路的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。

红外热像仪的测温原理是：红外热像仪的物镜能够接收电力设备表面所辐射的红外线，经光学系统会聚，把接收的红外能落在系统的焦点上，即红外探测器焦平面上，经探测器的光电转换，将电力设备的红外能转变成电能，再经一系列的电信号处理，在热像仪的取景器上得到一幅所测电力设备的热图像。通过直观的热图像找出图像中温度异常点，测出其温度值。红外热像仪就是利用电力系统的这一特性，测定电力设备表面的温度分布场及其变化情况，实现无接触测温。通过成像检测能够找出电力设备中可能存在的热状态异常和潜在的故障点，从而实现对设备和线路的故障诊断。

1.3发热故障类型及应用案例

电气设备的故障按红外诊断可分为外部故障和内部故障。

1.3.1电气设备的外部故障

电气设备的外部接头故障主要有：①因设计不合理、材质加工和安装工艺不良、机械振动造成的连接松弛；②由污染、腐蚀、老化等原因引起的电气引流裸露和接头接触不良等问题，造成了高压设备线路中隔离开关触头、线夹、铝排压接处等发生过热故障。

以Fluke Ti25型红外测温仪为例：①2010-02-26，500 kV某变电站在夜间测温巡视中发现35 kV21号电抗器3024-3隔离开关C相刀闸发热，温度为128 ℃，如图1所示。随后检修人员对隔离开关进行接触电阻测量，发现C相接触电阻为249.0 µΩ，超出了运行标准的范围（运行标准：≤120 µΩ），然后对刀闸触头、触指进行检查，发现触头、触指均有不同程度的灼伤，如图2所示。经过现场解体处理更换触指和清理触头表面的氧化物和污秽物后，对其重新进行调整检查。经测试，隔离开关接触电阻为79.2 µΩ，符合运行要求，且运行跟踪测温数据正常。②2011-04-13晚，某站对站内35 kV设备进行红外测温时发现，12号电容器B相顶部的中性线中段铝排压接处（绝缘包封）发热，温度最高达90.4 ℃，其余A相和C相的温度分别为43 ℃、46 ℃。测温时的环境温度为23 ℃，经停电检查，发现是由压接处连接螺栓松动所造成的。红外成像和发热点如图3和图4所示。

图1隔离开关触头红外测温成像图 图2隔离开关触头灼伤

图3铝排压接处红外测温成像图 图4铝排压接处

以天眼4D陀螺稳定光电检测系统为例，我公司在直升机巡线工作中，利用直升机平台搭载天眼4D陀螺稳定光电检测系统的红外成像功能对超高压线路上的导线接续管、耐张管、跳线线夹、导地线线夹、金具、绝缘子等进行拍摄、测温，并分析所得数据，判断其是否正常，如图5所示。2011-06-19，直升机在巡线工作中发现500 kV某线路16号中相小号侧第4子导线引流线线夹发热，4子导线线夹温度达59.3 ℃，导线温度为30.1 ℃，相对导线升温29.2 ℃。此外，还发现耐张塔引流线夹螺栓松动，通过带电作业对螺栓紧固后恢复正常。红外成像及发热点如图6和图7所示。

图5直升机平台搭载天眼4D陀螺稳定光电检测系统

图6线夹发热红外测温成像图图7线夹发热点

1.3.2绝缘强度降低

由于表面污秽或机械力作用造成的绝缘性能降低也会引起过热故障，例如绝缘子裂纹、劣化或严重污秽，会引起泄漏电流增大而造成发热故障。这类缺陷如果不能被及时发现和处理，有可能会造成断线和局部烧毁，甚至会造成恶性设备事故。

以Fluke Ti25型红外测温仪为例，使用同类比较法对设备进行检查，具体步骤为：①将测温仪调整至合适的发射率，测得设备的温度T；②以此温度为基准，寻找同类设备，可以选择同组三相设备，也可以选择同相设备；③对比同类设备后，得到温差ΔT；④记录测温参数，进行分析。在巡视检查中发现一只避雷器与其他避雷器的测温图谱有明显差异，其上节瓷瓶顶端T1＝16.3 ℃，下节瓷瓶顶端T2＝13.3 ℃，ΔT＝3 ℃，如图8所示，经望远镜观察发现，此差异是由该处的细小裂纹所引起的。

图8顶端绝缘瓷瓶发热

1.3.3电气设备的内部故障

电气设备的内部故障是指封闭在固体绝缘、油绝缘和设备壳体内部的电气回路故障和由绝缘介质劣化引起的故障。由于内部故障的故障点密封在绝缘材料或金属外壳内，而红外线的穿透能力又比较弱，不能穿透绝缘材料和设备外壳，所以无法直接用红外热成像装置检测内部热缺陷。内部热的发热时间一般都比较长，故障点的热量可以通过热传导和对流转换与故障点周围的导体或绝缘材料发生热量传递，从而引起这些部位的温度升高，特别是与电气连接的导体也会有显著的温升。

以Fluke Ti25型红外测温仪为例，利用等温线比较法对设备温度进行检测。将测温仪调整至合适的发射率，测得设备的温度T，以此温度为基准，调整范围选项，上限为T＋5K，下限为T－5K.也可根据不同设备温升的不同，减小上下限的温度值，得到设备等温线，以初步判断发热性质。500 kV主变底部漏磁等温线图如图9所示。从图9中可以清楚看到，在主变底部，由周围辐射热源形成的橘黄、淡紫、紫色的等温线，这可能是由于变压器内部轻微漏磁而引起设备发热所形成的。

图9主变底部红外成像等温线图

油枕变压器油枕内的油位高低，也可用红外热像仪进行检测。图10为某变电站利用红外测温仪检测到的油枕热图像，从图中可以很清楚地看到油位的高低，同时也可以用热像仪测试油枕各部位的温度分布情况。

图10油枕红外测温成像图

2红外气体检漏仪在SF6充气设备中的应用

2.1SF6充气设备泄露处理现状

SF6气体作为一种绝缘性和灭弧性极佳的介质，被广泛应用于各类高压电气设备中充当绝缘介质。SF6气体无色无味，发生泄漏不易被发现，目前对SF6充气设备内压力变化的监视手段主要是利用气体密度继电器，一旦密度继电器压力值明显降低或报警，说明设备发生了严重的SF6气体泄漏，需立即查找泄漏点并进行补气，否则将严重威胁设备的安全运行。如果仅采用“漏-补”的方式，将会导致缺陷难以根除，给电网的运行留下极大的安全隐患。使用常规的检漏仪器，例如定点检漏、包扎检漏、泡沫检漏等必须将检漏仪直接接触泄漏点，如果设备处于运行状态，有些部位是无法进行检测的，一般都需要停电再进行全面检查，费时费力，效率低下。

2.2红外检漏的原理及优势

光是由一系列单色光组成的，红外光是由一系列处于红外频率的单色光组成。每种气体都有吸收自己对应频率的红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。SF6气体对红外有一个以波长10.56 μm为中心的吸收带。红外检漏成像仪采用先进的高灵敏度量子阱探测器，配合先进的电子及图像处理技术，被动感应10～11 μm波段的红外线，充分利用SF6气体在10～11 μm波段辐射强的特点成像，不需要任何特定的背景，实时、准确地检测SF6气体泄漏点，并即时形成层次感极佳、直观的红外图像。

红外检漏的优势有：①远距离进行红外检漏，避免人与设备直接接触，保证了检测人员的人身安全；②实现了由点检漏方式向整体检漏方式的突破，可以利用红外检漏设备整体扫描、一次性成像的特点对多漏电点的设备进行检查，既方便，又高效；③灵敏度高，准确度可达到0.001 mL/s，即当漏点的泄漏率达到0.001 mL/s时就可以检出漏点；④具有携带方便、体积小、重量轻等特点，大大减少了检测人员的工作强度。

2.3红外气体检漏仪的应用

使用红外气体检漏仪可以清晰地看到泄漏出的SF6气体在空气中飘动的情景。图11为某变电站500 kV HGIS设备刀闸与开关死盆处漏气的情形，红外检漏成像图谱如图12所示。泄漏点附近SF6气体浓度较大的地方比其他部分的亮度要高，气体飘动现象明显。

图11刀闸与开关死盆处可见光图 图12红外检漏成像图

图13为某变电站500 kV电流互感器的顶盖处。图14为红

图9主变底部红外成像等温线图

油枕变压器油枕内的油位高低，也可用红外热像仪进行检测。图10为某变电站利用红外测温仪检测到的油枕热图像，从图中可以很清楚地看到油位的高低，同时也可以用热像仪测试油枕各部位的温度分布情况。

图10油枕红外测温成像图

2红外气体检漏仪在SF6充气设备中的应用

2.1SF6充气设备泄露处理现状

SF6气体作为一种绝缘性和灭弧性极佳的介质，被广泛应用于各类高压电气设备中充当绝缘介质。SF6气体无色无味，发生泄漏不易被发现，目前对SF6充气设备内压力变化的监视手段主要是利用气体密度继电器，一旦密度继电器压力值明显降低或报警，说明设备发生了严重的SF6气体泄漏，需立即查找泄漏点并进行补气，否则将严重威胁设备的安全运行。如果仅采用“漏-补”的方式，将会导致缺陷难以根除，给电网的运行留下极大的安全隐患。使用常规的检漏仪器，例如定点检漏、包扎检漏、泡沫检漏等必须将检漏仪直接接触泄漏点，如果设备处于运行状态，有些部位是无法进行检测的，一般都需要停电再进行全面检查，费时费力，效率低下。

2.2红外检漏的原理及优势

光是由一系列单色光组成的，红外光是由一系列处于红外频率的单色光组成。每种气体都有吸收自己对应频率的红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。SF6气体对红外有一个以波长10.56 μm为中心的吸收带。红外检漏成像仪采用先进的高灵敏度量子阱探测器，配合先进的电子及图像处理技术，被动感应10～11 μm波段的红外线，充分利用SF6气体在10～11 μm波段辐射强的特点成像，不需要任何特定的背景，实时、准确地检测SF6气体泄漏点，并即时形成层次感极佳、直观的红外图像。

红外检漏的优势有：①远距离进行红外检漏，避免人与设备直接接触，保证了检测人员的人身安全；②实现了由点检漏方式向整体检漏方式的突破，可以利用红外检漏设备整体扫描、一次性成像的特点对多漏电点的设备进行检查，既方便，又高效；③灵敏度高，准确度可达到0.001 mL/s，即当漏点的泄漏率达到0.001 mL/s时就可以检出漏点；④具有携带方便、体积小、重量轻等特点，大大减少了检测人员的工作强度。

2.3红外气体检漏仪的应用

使用红外气体检漏仪可以清晰地看到泄漏出的SF6气体在空气中飘动的情景。图11为某变电站500 kV HGIS设备刀闸与开关死盆处漏气的情形，红外检漏成像图谱如图12所示。泄漏点附近SF6气体浓度较大的地方比其他部分的亮度要高，气体飘动现象明显。

图11刀闸与开关死盆处可见光图 图12红外检漏成像图

图13为某变电站500 kV电流互感器的顶盖处。图14为红

图9主变底部红外成像等温线图

油枕变压器油枕内的油位高低，也可用红外热像仪进行检测。图10为某变电站利用红外测温仪检测到的油枕热图像，从图中可以很清楚地看到油位的高低，同时也可以用热像仪测试油枕各部位的温度分布情况。

图10油枕红外测温成像图

2红外气体检漏仪在SF6充气设备中的应用

2.1SF6充气设备泄露处理现状

SF6气体作为一种绝缘性和灭弧性极佳的介质，被广泛应用于各类高压电气设备中充当绝缘介质。SF6气体无色无味，发生泄漏不易被发现，目前对SF6充气设备内压力变化的监视手段主要是利用气体密度继电器，一旦密度继电器压力值明显降低或报警，说明设备发生了严重的SF6气体泄漏，需立即查找泄漏点并进行补气，否则将严重威胁设备的安全运行。如果仅采用“漏-补”的方式，将会导致缺陷难以根除，给电网的运行留下极大的安全隐患。使用常规的检漏仪器，例如定点检漏、包扎检漏、泡沫检漏等必须将检漏仪直接接触泄漏点，如果设备处于运行状态，有些部位是无法进行检测的，一般都需要停电再进行全面检查，费时费力，效率低下。

2.2红外检漏的原理及优势

光是由一系列单色光组成的，红外光是由一系列处于红外频率的单色光组成。每种气体都有吸收自己对应频率的红外光能量的性质，气体吸收红外光最强的频率就称作该气体的特征吸收频率。SF6气体对红外有一个以波长10.56 μm为中心的吸收带。红外检漏成像仪采用先进的高灵敏度量子阱探测器，配合先进的电子及图像处理技术，被动感应10～11 μm波段的红外线，充分利用SF6气体在10～11 μm波段辐射强的特点成像，不需要任何特定的背景，实时、准确地检测SF6气体泄漏点，并即时形成层次感极佳、直观的红外图像。

红外检漏的优势有：①远距离进行红外检漏，避免人与设备直接接触，保证了检测人员的人身安全；②实现了由点检漏方式向整体检漏方式的突破，可以利用红外检漏设备整体扫描、一次性成像的特点对多漏电点的设备进行检查，既方便，又高效；③灵敏度高，准确度可达到0.001 mL/s，即当漏点的泄漏率达到0.001 mL/s时就可以检出漏点；④具有携带方便、体积小、重量轻等特点，大大减少了检测人员的工作强度。

2.3红外气体检漏仪的应用

使用红外气体检漏仪可以清晰地看到泄漏出的SF6气体在空气中飘动的情景。图11为某变电站500 kV HGIS设备刀闸与开关死盆处漏气的情形，红外检漏成像图谱如图12所示。泄漏点附近SF6气体浓度较大的地方比其他部分的亮度要高，气体飘动现象明显。

图11刀闸与开关死盆处可见光图 图12红外检漏成像图

图13为某变电站500 kV电流互感器的顶盖处。图14为红