红外热像故障诊断技术在高压电气设备中的应用

莫顺强

摘 要：作为一种重要的无损检测技术，红外热像故障诊断技术的应用对于提高高压电气设备内部缺陷的检测质量具有重要作用。文章首先介绍了高压电气设备缺陷的主要原因及机理，然后具体探讨了红外诊断技术在高压电气设备缺陷检测中的应用，为相关技术与研究人员提供参考。

关键词：红外热像故障诊断技术；高压电气设备；应用

1 高压电气设备缺陷的主要原因及机理

1.1 铁磁损耗过大

因设备结构设计不恰当或铁芯材质不合格、铁芯片间绝缘破坏等原因使设备发生多点或局部短路，进而引发回路磁饱和或磁滞，或在铁芯片间短路位置形成环流，造成铁损过大、部件过热等问题。

1.2 接触电阻损耗过大

若电气设备触头、接头或部分连接件连接不良，引发接触电阻增加，则连接处的发热功率P=I2R会高于附近导体的功率，由此导致过高的温升及发热问题。

1.3 缺油

高压电气设备因渗漏或变压器套管排气不善等原因会出现假油位或缺油，在部分情况下则可能导致油面放点，造成设备表面温度分布异常；此种发热问题，一方面是由于放电引发的发热引起，另一方面则主要由设备内部油位中的上下介质热特性参数值差异引发。[1]

1.4 介质损耗过大

电气设备包含的电介质或载流导体周围的电气绝缘油等电介质，在交流电压条件下很容易出现能量损耗，其通用公式为P=U2XC tanD；在设备正常运行过程中，设备的电介质和绝缘介质也会出现介质损耗发热，在绝缘介质绝缘性能受到破坏时，会使tanD增加，进而引发介质损耗发热功率增大，设备运行温度升高。

1.5 泄漏电流过大或电压分布异常

绝缘子、避雷器等高压电气设备在正常工作过程中，其会存在固定的泄漏电流及电压分布，但在发生部分缺陷问题时会引发泄漏电流及分布电压的异常变化，并造成设备表面温度分布不均，发热功率值即为泄漏电流与分布电压的乘积。

2 红外诊断技术在高压电气设备缺陷检测中的应用

2.1 判定电压、电流互感器内部缺陷

电磁型电压互感器热容量较小、体积不大，其内部的铜、铁和绝缘介质等损耗过大及相间温差增加引发的热功率会造成互感器温度增大。利用红外热像技术对电压互感器进行诊断，可初步排定其发生的铁芯片间局部短路、内部线圈匝间短路等缺陷问题，且可依据严重程度断定设备是否需要退出运行，同时可通过色谱分析及电气试验具体探测缺陷类型。

电流互感器在工作过程中会载有大电流及高电压，电流影响引发的铁、铜损耗会造成设备发热，而电压影响的绝缘介质损耗也会导致设备温升增加；铁芯片间局部短路、绝缘介质内部存在大量气隙、导电杂物及电场分布异常、加工工艺不良导致的绝缘层松动等都会引发局部放电与过热问题。通过红外诊断检测可迅速探测并判定此类电流互感器介质损耗过大缺陷。

如某电厂通过巡检发现某TYD110-01007H型电容式电压互感器分压电容热性不正常，自上而下第7裙位置其瓷套表面温升过快，纵向比较温差可达9e，同种设备比较温差高达10e，由此判定该电压互感器内部存在因缺油引发的局部过热缺陷。进行解体检查，探明电压互感器上部连续多个电容单元的绝缘纸板表面存在典型的爬电烧伤炭化；依据热像图上的温度分界线，探明其上部由于缺油而暴露在外面，其下部则浸润在绝缘油中；电压互感器中压引出至电磁单元油箱的套管及电容元件均已破损，油箱中的密封圈两端未深入到密封槽造成密封不良。根据此次试验分析表明，在红外检测中利用行标对电压互感器实施重点测温，可提早发现缺陷问题。[2]

2.2 探测高压套管内部缺陷

由于油纸电容式套管的上部密封效果不佳，在浸水状况下会造成电容芯子的绝缘材料受潮、老化速度加快、绝缘油裂化、局部放电、套管内部缺油、套管介损增大等内部缺陷问题。介质损耗造成的套管表面温升一般会在1℃左右，若高压套管在工作过程中的温升相比限定值要高0.3～0.9℃时，则表明介质损耗已经高于预试规定允许值，此种情况会造成油位快速下降、充油套管缺油等问题。由于空气介质与变压器油的热特性参数及热容量值存在较多差异，其传热系数差别较大；在套管油位降低过多时，在空气与油的分界面会产生一个较大的温度梯度，利用红外检测可依据假油位及缺油热像特征探明套管内的缺油故障。

如某500kV变电站发生2号主变B相本体高压套管顶部油位计指示和其他主变本体有明显区别，指针出现明显偏低的情况，通过红外成像发现2号主变高压套管上端部位出现了明显的温升断层，临界面的上下温差为3摄氏度左右。在发现并分析问题后，立即将套管拆卸，并发现其底部出现裂纹。

2.3 探测断路器、避雷器内部缺陷

避雷器可能存在温度分布异常、相间温差过大、局部温升等问题，使用红外热像与带电测试相结合，可探测出因阀片破损造成的整相或部分元件整体发热、因避雷器受潮造成的故障元件及非故障元件发热等缺陷问题；同时还利用红外热像对动静触头、中间触头、静触头座等接触不良及断路器内部受潮、缺油等故障缺陷进行检测。

如某电厂在普测中发现变电站1主变220kV侧的FCZ3-220J型避雷器B相热像异常，在下瓷套自上而下的第4～6群的热像分布不均匀且局部温升异常，相比A、C两相的温度要高出510e，初步诊断其存在较为严重的缺陷问题，断电检测试验探明绝缘电阻及电容电流均发生变化。进行解体检查发现，其环氧树脂隔板存在多个典型的树枝状爬电痕迹，并联电阻连接铜片存在严重的过热变色和锈蚀铜绿，避雷器阀片表面存在大范围受潮残留的水印，热谱图异常位置的内部存在明显的树枝状爬电烧伤；根据以上缺陷表现可推断避雷器在长时间运行中密封圈老化，干燥剂失灵，螺栓松动，进而造成进水受潮故障。因此应注意避雷器日常维护，加强密封检查力度，在条件允许时应及时更换干燥剂和密封垫圈。

2.4 探测电抗器内部缺陷

电抗器结构同变压器类似，但其相对简单，漏磁使其主要故障问题。通常而言，电抗器漏磁较大，在箱壳上的漏磁可形成感生电动势并产生按照外壳螺栓为流动路径的箱体环流，由此导致箱壳局部过热，螺栓温升过高，严重时甚至会造成绝缘油色谱异常。此类缺陷的红外热像表现为一个以漏磁通穿过产生环流区域或螺栓过热为中心的热场分布图。[3]

如采用红外热像仪对某电站高抗进行探测，发现电站I线与II线高抗的A、B、C三相均存在局部过热区域，其红外热像图表面的高限温度点都在本体加强铁的上部，此位置相对应的设备內部是磁屏蔽上端的固定螺栓，原因即为漏磁通在此螺栓处形成涡流损耗造成发热。根据热像仪图表显示，其高限表面温度达132.7e，随后经过取油实施色谱分析，探明6台高压电抗器的总烃值都相对较低，可表明在此种工作条件下高抗仍能保持运行，但若不进行维护改进则会加速油的老化。另外电抗器铁芯绝缘失效或片间短路造成的热缺陷问题可依照变压器诊断方式进行探测。

3 结束语

红外热像诊断技术的应用水平将直接关系着高压电气设备的缺陷检测质量，因此，相关技术与研究人员应加强有关红外热像技术在高压电气设备中的应用研究，总结高压电气设备热缺陷故障问题规律及红外技术检测方法，以逐步改善红外诊断技术应用质量。

参考文献

[1]白雪芹.电力设备红外诊断技术及应用探讨[J].太原城市职业技术学院学报，2012，13（14）：74-75.

[2]余晓峰.论高压电气设备绝缘在线监测装置的应用[J].广东科技，2011，6（10）：61-62.

[3]吴继平，李跃年.红外热成像仪应用于电力设备故障诊断[J].电力设备，2012，5（35）：57-58.