红外测温技术在架空输电线路故障诊断中的应用

王 彪，张艳军

（国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北 沧州 061000）

随着工业生产和人民生活用电负荷的大幅增长，我国架空输电线路负荷电流不断攀升，导线接头长期受到线路负荷变化的影响，极易造成接触电阻增大、机械强度下降甚至出现接头烧熔、断线事故。架空输电线路导线直线接续金具检测周期为必要时；并沟线夹、跳线连接板、压接式耐张线夹测试周期为每次检修；红外测试应在线路负荷较大时抽测，根据测温结果确定是否进行测试［1］。通常的测试方法有：蜡试法、红外测温法。蜡试法需要进行带电作业，由作业人员将蜡块放置到测点处，通过蜡块的融化时间和融化状态推测被测点的温度，该方法操作复杂、精度低，目前已很少应用；红外测温法操作简单、精度高，被广泛应用于电力设备温度测试，其主要仪器是红外点温仪和红外热成像仪。

1 红外测温技术

红外测温是利用红外辐射原理，采用非接触方式，对被测物体表面的温度进行观测和记录。对物体表面温度的检测就是对其辐射功率的检测，物体的辐射功率与它的材料、结构、尺寸、形状、表面性质、加热条件及周围的环境和其内部是否有故障、缺陷等诸因素密切相关。当被测物体其他条件不变的情况下，仅仅是产生故障和缺陷，其表面温度场分布将会发生相应变化；若被测物体材料特性发生异常，其表面的温度也相应改变。因此应用红外进行温度检测，可以分析被测目标的状况和内部缺陷［2］。

随着状态检修的逐步实施，通过红外测温等检测诊断，可及时发现电力设备的机械故障及设备内部缺陷。红外测温技术具有非常显著的优点，近年来红外点温仪、热成像仪等红外测试仪器在线路导线线夹温升测试、导线连接器温升测试、低值零值瓷质绝缘子检测、复合绝缘子局部受损异常温升检测中得到了大量应用，在架空输电线路状态检修工作中发挥了重要作用。

2 红外测温的理论依据及注意事项

2.1 理论依据

由同种材料构成的良好导线接头与同样长度的导线相比，导线接头直径大于导线直径，所以，良好导线接头的热像特征总表现为相对于线路导线有负的温升。也就是说，良好架空输电线路导线接头在稳定运行状态下的温度总要低于线路导线的温度，并且两者温差随线路负荷电流的平方成正比变化。由此可见，在对架空输电线路导线接头进行红外检测时，发现导线接头与1m 以外导线相对于环境温升相等，就表明该导线接头已存在接触不良缺陷。

架空输电线路导线轴向温度分布在不同的运行参数时趋势大致相同。也就是说，在很大的线路负荷电流变化范围内，从故障点处约1 m 开始，沿导线轴向温度分布趋于稳定，接近无穷远处的导线温度。由此可以得出：当进行架空输电线路故障接头红外检测时，根据导线接头故障发热沿导线轴向温度分布特征，以距该接头1 m 处的导线温度作参考，检测故障导线接头相对导线的温升，用该温升值作为评价接头有无故障及故障严重程度的依据是科学、可靠的，其误差约为0.5%。但是良好导线接头温度应低于线路导线温度，所以，当检测到接头相对于1m 以外导线温升为零时，就应怀疑该导线接头存在接触不良故障。

2.2 注意事项

在输电线路红外测温工作中应注意以下事项：不能透过石英玻璃进行红外测温；不能对光亮或抛光的金属表面进行红外测温（不锈钢、铝）；不能在尘土、烟雾、蒸汽等环境恶劣区域进行红外测温，影响测试精度；当环境温差在20℃或更高的环境中使用时，应使红外测温仪在新的环境温度中适应15min以上方可开始测试。

3 影响导线温升的因素

3.1 导线连接形式

架空输电线路导线故障主要包括导线断股及断股补修处的过热缺陷，接触电阻过大的导线接头压接管、架空线路杆塔上的引流线夹或跳线夹与耐张线夹等因螺栓松动而形成的过热故障。

我国架空输电线路接续金具分为钳压、液压、爆压和螺栓连接等12个系列159种型号，架空输电线路导线的接头分别用耐张液压管、耐张爆压管、C 型线夹、并沟线夹、直线接续管等连接而成。其中C型线夹、并沟线夹多为螺栓式，直线接续管和耐张管多为液压型和爆压型，称为压缩连接件。架空输电线路导线的C型线夹、并沟线夹和压缩连接件都安装在导线表面，串联在输电线路中，通过的总负荷电流与线路导线相同，但各种接头截面积大于导线截面积。导线与连接件之间一般具有良好的电气连接，通常只有很低的接触电阻。因此，在正常状态下，导线接头处不会产生高温过热现象。有资料显示，压接、螺栓、C型3种线夹中螺栓型和压接型的接触电阻逐年增加，而C型基本不变。试验证明对性能寿命而言，C型最佳、螺栓型次之、压接型最差，这一结论推翻了几十年来一直认为压接型线夹最可靠，压力越大、接触电阻越小的观点。初始压力过大时，经过热循环后，劣化更快，寿命更短，接触电阻反而增大［3］。

3.2 施工质量

架空输电线路施工现场受作业条件和环境限制，往往不能在施工过程中检查出接头接触不良等隐患，所以，施工时可能会出现接触电阻过大的接头。线路施工中造成导线接头不良连接的主要原因包括材质低劣，现场施工不严格，设计不合理，在爆压或液压过程中的压力不足使接触面缩小，导线接头在爆压前没有打磨，致使导体表面存在氧化层、硫化物、灰尘及其它污秽层。导线长期在野外自然环境中运行，出现振动、摆动、电动力冲击造成连接松动，因周期性加载引起的线路部件不断热胀冷缩，或因环境侵蚀引起的机械零件性能劣化等都可能造成导线接头接触不良。

正常状态下接触良好的导线接头连接件接触电阻率很小，电阻损耗引起的发热功率很少，温升较低，在接触表面不易形成有害的氧化膜，因此连接良好的导线接头接触电阻低且比较稳定。而连接不良的导线接头连接件接触电阻率较高，运行状态下的电阻损耗发热功率较大，因此，温升较高。随着温度升高，更加速了各种物理或化学的变化过程，促使连接件接触面氧化，据相关资料显示，当铝表面温度超过70 ℃时，铝表面的氧化开始加剧，使铝表面生成三氧化二铝，使接触电阻成几十至几百倍的增加（纯铝电阻率为0.029 1×10－6Ω·m，而三氧化二铝电阻率为1.0×10－6Ω·m）。从以上数据可看出，不良接头的接触电阻表现为不稳定特征，由于连接件的接触不良，导致局部发热增加和温度升高，而随着接头过热和温升加剧，促使导线连接件接触面迅速氧化，接触电阻进一步急剧增加。不良接头的这种接触电阻与过热温升之间的恶性循环过程，终将引起导线接头机械强度降低或拉长变细，甚至在导线质量和风力舞动作用下导致接头断开。当线路遭受雷击或系统出现短路时，因瞬时大电流通过接头，更容易造成连接故障的接头出现烧断事故。

3.3 环境因素

架空输电线路导线因通过负荷电流，在运行状态下的温度总要高于环境温度，红外成像技术可以充分显示这一特征。另外正常运行状态下导线相对于环境的温升值，取决于日照强度、线路负荷的大小及对流散热与辐射散热的强弱。运行状态下的架空输电线路导线温升随线路负荷电流密度平方而增加，并受周围空气对流散热的影响。架空输电线路导线在空气中的对流散热主要决定于流经导线表面风速的影响，所以加强研究载流线路导线温升随电流密度及风速的变化规律，将为确定架空输电线路故障红外检测提供必要的科学依据。

研究表明架空输电线路导线电流密度和温升都较小时，风速的影响相对要小一些；电流密度及温升越大时，风速影响也越大，太阳辐射引起的载流导线附加温升也将随气象情况、季节、地理位置及检测时间变化。日照强度和导线附加温升随时间的变化曲线都近似呈钟型分布。在量值上，导线附加温升随日照强度的增大而增加，在时间上，导线附加温升的变化滞后于日照强度的变化。日照强度一般在上午11时30分达到最大值，而导线附加温升约在13时达到最大值，比日照强度变化滞后约1.5h。这可解释为架空输电线路导线的热惯性所致。从以上结论看出，为了减少太阳辐射对导线温升的影响，进行架空高压输电线路故障的红外检测作业应该选择在上午10时以前无风并且阴而无雨的天气。

4 红外测温技术应用实例

4.1 案例1

2012年7月，110kV 徐郭I线1 号塔U 相小号侧耐张线夹引流线接头温度56.6 ℃。经停电检查发现，该导线接头温度过高缺陷是由于引流板连接螺栓松动，线夹引流板与引流端子接触不良造成。徐郭I线位于沿海地区，常年经受大风作用，线夹接头螺栓松动，线夹表面氧化，造成线夹引流板接触面积变小，电阻增大，最终导致了线路在高温、大负荷期间出现接头过热的缺陷。

4.2 案例2

2012年7月，110kV 徐临线1号塔W 相大号侧耐张线夹引流线接头90.4℃，如图1所示。经停电检修发现，该导线接头因接触不良长期发热，引流线夹接触面因烧蚀出现大量麻点，2个连接螺栓中一个已经烧熔，另一个螺栓也出现严重烧蚀现象，如图2所示。

经过现场分析该缺陷主要是施工人员未按工艺要求施工，首先是耐张线夹连接板与引流线连接板不匹配（引流线连接板螺孔为φ16mm，耐张线夹连接板螺孔为φ14mm，螺栓采用M14），导致引流线连接板与耐张线夹连接板接触面积减小；二是引流线连接板与耐张线夹连接板安装错误，未将2个光滑面连接，导致接触面存在缝隙，检查发现实际接触面积仅为连接板的1／2，第三是引流线连接板与耐张线夹连接板之间未涂导电脂，接触面已严重氧化。

图1 耐张线夹过热情况

图2 耐张线夹连接螺栓烧蚀情况

4.3 案例3

2012年9月，110kV 渤城线2号塔U 相大号侧耐张线夹引流板87℃。经停电抢修发现，耐张线夹连接板与引流线连接板烧蚀严重，连接螺栓已经烧断，造成该事故的原因主要是耐张线夹连接板与引流线连接板在施工安装中都被装反了，接触面连接不紧密，线路运行中受雨水、有害气体及酸碱盐等腐蚀性污染和侵蚀，造成连接金具连接处氧化、老化；110kV 渤城线2号位于海边强风区，为同塔四回线路，该处引流距地面56m，常年经受大风作用，连接板螺栓松动，接触电阻增大。

5 结束语

架空输电线路耐张线夹及直线接续金具受施工工艺、运行环境、机械作用、运行老化等多方面因素的影响，易造成连接螺栓松动、接触面氧化、接触电阻增大等设备隐患。红外测温诊断是一种成熟的、高效的架空输电线路状态检测手段，利用红外点温仪和远红外热成像仪对架空输电线路进行定期检测，可早期排查线路接头、耐张线夹等设备存在隐患，迅速发现故障位置，及时掌握设备健康状况，为线路状态检修提供准确的数据，为状态检修提供可靠的依据。

［1］DL／T 741—2010，架空输电线路运行规程［S］.

［2］应伟国.架空送电线路状态检修实用技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］王清葵.送电线路运行和检修［M］.北京：中国电力出版社，2003.